陳小平,王 平

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》提出：到2020年,我國要建成總長1.8萬km的客運(yùn)專線,共需高速道岔7 000多組,其中大部分為時(shí)速350 km客運(yùn)專線無砟道岔(以下簡稱“350 km/h客運(yùn)專線道岔”)[1]。軌道剛度取值合理與否,將影響列車高速過岔舒適性,道岔使用壽命和養(yǎng)護(hù)維修工作量[2～4],可見,對350 km/h客運(yùn)專線道岔軌道剛度進(jìn)行合理取值在我國客運(yùn)專線建設(shè)中具有非常重要的意義。

對于軌道剛度合理取值研究,國內(nèi)外主要集中在區(qū)間軌道上[5～8],對于岔區(qū)軌道剛度合理取值研究涉及較少,原因是道岔自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、岔區(qū)的輪軌關(guān)系也較區(qū)間軌道復(fù)雜,一般的輪軌動(dòng)力學(xué)方法難以分析岔區(qū)軌道剛度對列車與道岔動(dòng)態(tài)相互作用的影響[9～10]。

本文針對350 km/h客運(yùn)專線道岔軌道剛度合理取值這一重大技術(shù)難題,擬通過對無砟道岔軌道剛度組成特點(diǎn)的分析,結(jié)合軌道剛度的影響特性,提出無砟道岔軌道剛度合理取值的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),并建立一套客運(yùn)專線無砟道岔軌道剛度合理取值確定方法,分析我國350 km/h客運(yùn)專線道岔軌道剛度的合理取值。

1 無砟道岔軌道剛度特點(diǎn)

對于一般區(qū)間軌道而言,其軌道整體剛度k取決于鋼軌抗彎剛度和鋼軌支點(diǎn)剛度,計(jì)算表達(dá)式為

(1)

式中：EI為鋼軌抗彎剛度；u為鋼軌基礎(chǔ)彈性模量,等于鋼軌支點(diǎn)剛度與軌枕間距的比值。

鋼軌支點(diǎn)剛度由扣件系統(tǒng)剛度、道床剛度串聯(lián)組成。我國有砟軌道扣件系統(tǒng)剛度一般為50～80 kN/mm,道床剛度一般為100～140 kN/mm,對于60 kg/m鋼軌,軌道整體剛度為90～130 kN/mm。無砟軌道的道床剛度相對其扣件系統(tǒng)剛度很大,幾乎不提供彈性,一般認(rèn)為扣件系統(tǒng)剛度就等于無砟軌道的鋼軌支點(diǎn)剛度,我國無砟軌道扣件系統(tǒng)剛度一般為20～30 kN/mm,對于60 kg/m鋼軌,軌道的整體剛度為60～85 kN/mm。

道岔區(qū)的軌道整體剛度組成比區(qū)間軌道復(fù)雜,一般由鋼軌抗彎剛度、鋼軌支點(diǎn)剛度、部件輔助剛度組成。

道岔區(qū)的鋼軌支點(diǎn)剛度在某些情況下又區(qū)別于區(qū)間軌道,比如共用鐵墊板(指一塊鐵墊板上支承兩根及以上鋼軌)上的鋼軌支點(diǎn)剛度除受扣件系統(tǒng)剛度、道床剛度的影響外,還受到鐵墊板上其他鋼軌幫軌作用的影響。共用鐵墊板上鋼軌幫軌作用的產(chǎn)生機(jī)理是,當(dāng)輪載作用鋼軌壓迫鐵墊板下移時(shí),鐵墊板上的非輪載作用鋼軌會(huì)限制鐵墊板的下移,從而起到幫軌的作用。

部件輔助剛度是岔區(qū)軌道剛度的特有部分。岔區(qū)基本軌與尖軌、心軌與翼軌通過間隔鐵、頂鐵等部件聯(lián)結(jié)后形成一個(gè)框架體系,當(dāng)輪載作用在基本軌或心軌上時(shí),間隔鐵、頂鐵等部件把輪載傳遞一部分給尖軌或翼軌,使多根鋼軌共同承受輪載,從而提高了輪載作用鋼軌的軌道整體剛度。

由于無砟道岔的道床幾乎不提供彈性,在進(jìn)行力學(xué)分析時(shí),軌道整體剛度就只考慮鋼軌抗彎剛度、扣件系統(tǒng)剛度和部件輔助剛度3部分組成。

2 評(píng)判準(zhǔn)則

高速道岔軌道剛度取值合理與否,應(yīng)綜合列車運(yùn)行品質(zhì)、道岔應(yīng)力狀態(tài)、振動(dòng)水平、變形大小和部件剛度匹配5個(gè)方面來評(píng)判,合理的軌道剛度應(yīng)使列車高速過岔時(shí)這5個(gè)方面均處于良好狀態(tài)。

(1)舒適性評(píng)判準(zhǔn)則

高速道岔合理設(shè)置軌道剛度是保證列車過岔舒適性的關(guān)鍵措施。評(píng)價(jià)鐵道車輛舒適性最直接的標(biāo)準(zhǔn)就是車體振動(dòng)加速度,我國規(guī)范規(guī)定：車體垂向振動(dòng)加速度不超過1、1.3 m/s2和2 m/s2分別為優(yōu)秀、良好和合格。

(2)變形評(píng)判準(zhǔn)則

高速道岔作為高速鐵路的組成部分之一,必然要滿足高速鐵路對軌道高平順性的技術(shù)要求,所以必須嚴(yán)格控制道岔的動(dòng)態(tài)變形。參考國外高速鐵路的經(jīng)驗(yàn),并考慮到高速道岔必須具有與區(qū)間線路相同的舒適性,我國客運(yùn)專線道岔的鋼軌最大撓度合理范圍可取為1.5～2.0 mm。

高速道岔軌道變形不僅在垂向有一個(gè)合理范圍,在橫向由于輪軌動(dòng)力作用會(huì)導(dǎo)致軌距動(dòng)態(tài)擴(kuò)大,軌距擴(kuò)大不僅會(huì)影響列車橫向運(yùn)行穩(wěn)定性,加劇列車蛇形運(yùn)動(dòng),嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)帶來列車掉道脫軌的危險(xiǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的研究成果,對我國高速道岔剛度合理取值進(jìn)行評(píng)判時(shí),可取動(dòng)態(tài)軌道擴(kuò)大不超過4 mm作為評(píng)判指標(biāo)。

(3)振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)判準(zhǔn)則

道岔振動(dòng)強(qiáng)度越高,道岔的幾何狀態(tài)越難保持,合理的軌道剛度應(yīng)使道岔各部件的振動(dòng)強(qiáng)度處于一個(gè)較低的水平,以便道岔幾何狀態(tài)保持良好,養(yǎng)護(hù)維修工作量顯著減少?？赏ㄟ^道岔各部件的振動(dòng)加速度比較軌道的合理剛度值。

(4)應(yīng)力評(píng)判準(zhǔn)則

道岔由各部件構(gòu)成一個(gè)承力、傳力體系,其應(yīng)力狀態(tài)是否良好關(guān)系到道岔能否長期穩(wěn)定地發(fā)揮其功能。軌道剛度作為一個(gè)影響道岔各部件應(yīng)力的主要指標(biāo),其值應(yīng)確保道岔各部件的應(yīng)力不超限,即道岔各部件在列車荷載作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力應(yīng)在容許應(yīng)力范圍內(nèi)。

對高速道岔,鋼軌件作為直接承受列車荷載的部件,其彎曲應(yīng)力可作為衡量軌道強(qiáng)度的主要指標(biāo)。我國客運(yùn)專線道岔基本軌采用與區(qū)間線路相同的標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m鋼軌制造,尖軌和心軌采用60D40鋼軌制造。我國客運(yùn)專線道岔鋪設(shè)技術(shù)條件中規(guī)定,允許的鋼軌最大降溫幅度為60 ℃,對應(yīng)的鋼軌應(yīng)力為148.8 MPa,扣除溫度應(yīng)力后,我國客運(yùn)專線道岔鋼軌允許的動(dòng)彎應(yīng)力為202.2 MPa。

(5)部件剛度匹配合理準(zhǔn)則

部件剛度合理匹配是為了使道岔各個(gè)部分的動(dòng)力性能最佳,高速道岔軌道剛度合理匹配問題主要分為兩個(gè)方面：一方面是扣件系統(tǒng)剛度與道床剛度合理匹配問題,另一方面是扣件系統(tǒng)的軌下膠墊剛度和板下膠墊剛度合理匹配問題。

可從合理分配軌道變形的角度確定岔區(qū)軌道剛度?？奂到y(tǒng)剛度與道床剛度的合理匹配,應(yīng)保證車輛動(dòng)力作用低,道岔鋼軌及下部基礎(chǔ)變形均勻?？奂到y(tǒng)的軌下膠墊剛度和板下膠墊剛度的合理匹配,應(yīng)保證道岔某些部件的變形不會(huì)改變道岔另一些部件的正常受力狀態(tài)。

3 確定方法

軌道剛度對高速車輛和道岔的影響是多方面的,如何確定高速道岔的合理軌道剛度是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。本文在充分吸收國外成熟、先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國的工程實(shí)際提出如下確定高速道岔軌道剛度合理取值的方法。

(1)通過對高速道岔運(yùn)營條件進(jìn)行分析,結(jié)合國外成熟、先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn),確定出一個(gè)大致的軌道剛度合理取值范圍。

(2)運(yùn)用高速車輛-道岔空間耦合動(dòng)力分析理論,計(jì)算出剛度范圍內(nèi)不同剛度下車輛運(yùn)行品質(zhì)、道岔鋼軌件及關(guān)鍵部件的動(dòng)應(yīng)力、道岔動(dòng)態(tài)變形及振動(dòng)強(qiáng)度。

(3)由于車輛-道岔耦合動(dòng)力分析理論計(jì)算出的鋼軌橫向變形為鋼軌中性軸上的變形,并不能準(zhǔn)確反映出鋼軌頭部的動(dòng)態(tài)軌距變化情況,因此,需要根據(jù)車輛-道岔耦合動(dòng)力計(jì)算出的鋼軌動(dòng)態(tài)橫向力,在考慮扣件抗扭剛度的基礎(chǔ)上,進(jìn)行軌道動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大計(jì)算。

(4)將各剛度下的車輛運(yùn)行品質(zhì)、道岔動(dòng)態(tài)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)變形、振動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大與本文提出的高速道岔軌道剛度合理取值評(píng)判準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判,從中確定出合理的軌道剛度取值及部件剛度匹配關(guān)系。

高速道岔軌道剛度合理取值確定方法的核心技術(shù)是車輛-道岔空間耦合動(dòng)力計(jì)算和動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大計(jì)算。運(yùn)用車輛-道岔空間耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算剛度影響的具體方法可參考文獻(xiàn)[11],軌道動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大可按下式進(jìn)行計(jì)算

(2)

式中，Kw為鋼軌扣件和墊層產(chǎn)生的分布扭轉(zhuǎn)剛度；G為鋼軌材料剪切模量；Jw為鋼軌截面扭轉(zhuǎn)慣性矩；M為外荷載扭矩。

4 軌道剛度合理取值分析

無砟道岔軌道剛度主要由扣件系統(tǒng)剛度、鋼軌抗彎剛度和部件輔助剛度3部分組成,由于鋼軌抗彎剛度和部件輔助剛度是道岔自身結(jié)構(gòu)決定的,無法通過對二者的剛度調(diào)整實(shí)現(xiàn)道岔軌道剛度合理取值,因此,實(shí)際工程中的無砟道岔合理軌道剛度只能通過扣件系統(tǒng)剛度合理取值實(shí)現(xiàn)。

法國高速鐵路鋼軌支點(diǎn)剛度為33.3～48.4 kN/mm,德國高速道岔的扣件系統(tǒng)靜剛度為17.5 kN/mm。參考國外的成熟經(jīng)驗(yàn),本文將15～40 kN/mm的扣件系統(tǒng)剛度作為我國350 km/h客運(yùn)專線道岔軌道剛度合理取值的分析范圍,運(yùn)用本文建立的高速道岔軌道剛度合理取值確定方法,研究我國350 km/h客運(yùn)專線道岔的軌道剛度合理值及部件剛度合理匹配。

表1為動(dòng)車組以350 km/h的速度直向通過道岔時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果,表2為輪緣貼靠側(cè)、非貼靠側(cè)鋼軌外翻值及動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量,動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量為輪緣貼靠側(cè)和非貼靠側(cè)鋼軌外翻值的和。鋼軌外翻計(jì)算所用的荷載為車輛-道岔空間耦合動(dòng)力分析結(jié)果：輪緣貼靠側(cè)輪軌垂向力為85 kN,輪軌橫向力為50 kN；非貼靠側(cè)輪軌垂向力為85 kN,輪軌橫向力為17 kN。

表1 動(dòng)車組以350 km/h速度直向過岔時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)

表2 鋼軌外翻及動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量 mm

從表1和表2可看出：

扣件系統(tǒng)剛度增大對于直、側(cè)向過岔舒適性不利。當(dāng)扣件系統(tǒng)剛度在25 kN/mm及以下時(shí),動(dòng)車組350 km/h直向過岔的垂向加速良好,表明350 km/h客運(yùn)專線道岔扣件系統(tǒng)剛度25 kN/mm可保證動(dòng)車組較好的過岔舒適性。

扣件系統(tǒng)剛度小于25 kN/mm時(shí),隨著扣件系統(tǒng)剛度降低,尖軌和心軌的應(yīng)力增大較快；扣件系統(tǒng)剛度大于25 kN/mm時(shí),隨著扣件系統(tǒng)剛度增大,尖軌和心軌應(yīng)力下降幅度減小。從增大扣件系統(tǒng)剛度對鋼軌應(yīng)力的降低效果看,350 km/h客運(yùn)專線道岔的扣件剛度取為25 kN/mm最合理,這樣既可以有效降低鋼軌應(yīng)力強(qiáng)度,又可以較好地發(fā)揮扣件系統(tǒng)減緩輪軌沖擊的作用。

扣件剛度在25 kN/mm及以上時(shí),鋼軌最大垂向位移在2 mm以內(nèi),有利于保持軌道幾何形位,減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。因此從鋼軌變形的角度看,350 km/h客運(yùn)專線道岔的扣件系統(tǒng)剛度應(yīng)在25 kN/mm及以上。

動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大隨著扣件系統(tǒng)剛度的降低而增大,當(dāng)扣件系統(tǒng)剛度在25 kN/mm以下時(shí),道岔動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量超過4 mm限值要求。因此,從動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大的角度看,350 km/h客運(yùn)專線道岔的扣件系統(tǒng)剛度應(yīng)控制在25 kN/mm及以上。

以基本軌相對于尖軌的豎向位移不宜大于0.5 mm的原則，可確定軌下膠墊與板下膠墊的剛度匹配關(guān)系。當(dāng)扣件系統(tǒng)剛度為25 kN/mm時(shí),軌下膠墊剛度取為300 kN/mm較為合理,對應(yīng)的板下膠墊剛度取為27 kN/mm。

綜合車輪運(yùn)行安全性、舒適性、鋼軌動(dòng)態(tài)應(yīng)力、動(dòng)態(tài)位移、加速度及動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大來看,我國350km/h客運(yùn)專線道岔的扣件系統(tǒng)剛度合理取值應(yīng)為25 kN/mm。

5 結(jié)論

(1)從車輛運(yùn)行舒適性、道岔的應(yīng)力、變形、振動(dòng)強(qiáng)度和部件剛度匹配這5個(gè)方面建立客運(yùn)專線道岔軌道剛度合理取值評(píng)判準(zhǔn)則,并通過車輛-道岔空間耦合振動(dòng)分析可以確定客運(yùn)專線道岔的合理軌道剛度。

(2)我國350 km/h客運(yùn)專線道岔的扣件剛度合理取值為25 kN/mm,軌下膠墊剛度的合理取值為300 kN/mm。考慮到膠墊材料性能的離散性,道岔的鋪設(shè)環(huán)境的差異性,工程實(shí)踐中扣件系統(tǒng)及軌下膠墊剛度可有10%的變化,則我國350 km/h客運(yùn)專線道岔的合理剛度及部件剛度匹配為：22.5～27.5 kN/mm的扣件系統(tǒng)剛度,270～330 kN/mm的軌下膠墊剛度,24～30 kN/mm的板下膠墊剛度。

[1]王 平,陳小平,等.客運(yùn)專線道岔研發(fā)技術(shù)總結(jié)[R].成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,2009.

[2]劉學(xué)毅.軌道剛度影響分析及動(dòng)力學(xué)優(yōu)化[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2004,39(1)：1-5.

[3]陳小平,王 平.無砟道岔軌道剛度分布規(guī)律及均勻化[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,41(4):447-451.

[4]羅雁云,朱劍月.線路道岔軌下剛度改變對輪軌動(dòng)力性能影響研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2004,27(5)：9-12.

[5]Lopez P A. The vertical stiffness of the track and the deterioration of high speed lines[J]. Revista de Obras Publicas, 2001(11):7-22.

[6]Wu T X, Thompson D J. The effects of local preload on the foundation stiffness and vertical vibration of railway track[J]. Journal of Sound and Vibration,1999,219(5):881-904.

[7]趙國堂.鐵路軌道剛度的確定方法[J].中國鐵道科學(xué),2005,26(1)：1-6.

[8]張格明.軌道剛度合理評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究[J].中國鐵道科學(xué),2002,23(1):51-57.

[9]陳小平,王 平,陳 嶸,等.高速車輛與道岔空間耦合振動(dòng)特性[M].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008,43(4)：453-458.

[10]Gurule S, Wilson N. Simulation of Wheel/rail Interaction in Turnouts and Special Track work[J]. Vehicle System Dynamics, 1999,33(S1)：143-154.

[11]陳小平.高速道岔軌道剛度理論及應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué),2008.