孫加林，劉 磊

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

軌道剛度是影響軌道振動(dòng)與變形的重要參數(shù)之一，國內(nèi)外對軌道剛度問題非常重視，進(jìn)行了大量軌道剛度合理值及部件剛度合理匹配關(guān)系的研究。道岔區(qū)是軌道剛度發(fā)生突變的主要區(qū)域，輪軌沖擊荷載對道岔結(jié)構(gòu)的破壞程度與軌道剛度有著密不可分的聯(lián)系。道岔使用壽命短、零部件損壞嚴(yán)重，主要原因就是由于軌道剛度不滿足要求致使輪軌相互作用加劇而造成的。

本文擬結(jié)合道岔區(qū)復(fù)雜的軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析影響軌道剛度的因素，建立道岔區(qū)軌道剛度仿真計(jì)算模型，對道岔區(qū)軌道剛度的分布變化規(guī)律進(jìn)行研究。

1 道岔區(qū)軌道剛度影響因素分析

根據(jù)彈性地基梁理論軌道剛度主要取決于鋼軌抗彎剛度和支點(diǎn)剛度，軌道剛度K計(jì)算

式中，EI為鋼軌抗彎剛度，對于60 kg/m鋼軌，EI=6.76×1012N·mm2;u為鋼軌基礎(chǔ)彈性模量，等于鋼軌支點(diǎn)剛度D與軌枕間距l(xiāng)的比值。

鋼軌支點(diǎn)剛度包括扣件系統(tǒng)剛度、軌枕剛度和道床支承剛度。對于混凝土軌枕線路，由于混凝土軌枕自身剛度很大，撓曲系數(shù)接近1，因此，無論是理論分析還是實(shí)際應(yīng)用都可以忽略混凝土軌枕的撓曲變形，將其視為剛體。這時(shí)，鋼軌支點(diǎn)剛度D可由扣件系統(tǒng)剛度D1和道床支承剛度D2表示

扣件系統(tǒng)剛度由扣壓件與軌下膠墊剛度并聯(lián)，然后與板下膠墊剛度串聯(lián)得到。道床支承剛度一般采用半根軌枕的道床支承剛度，由于道砟顆粒的離散性，道床剛度不易控制，一般約為100～140 kN/mm，但如果出現(xiàn)板結(jié)等病害后，剛度會(huì)顯著增大。

一般區(qū)間軌道剛度理論同樣適用于道岔區(qū)，但又有所區(qū)別:①道岔區(qū)轉(zhuǎn)轍器尖軌和轍叉心軌采用變截面鋼軌。②兩根鋼軌共用鐵墊板，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。③道岔區(qū)軌枕長度不一，道床支承剛度換算為支承線剛度。④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，多根鋼軌共同承受車輪荷載作用，產(chǎn)生部件輔助剛度。

2 道岔區(qū)軌道剛度仿真模型

2.1 鋼軌模型(見圖1)

基本軌為60 kg/m鋼軌，鋼軌的彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，質(zhì)量密度為7 698 kg/m3。尖軌采用矮型特種斷面鋼軌(簡稱AT軌)刨切制成，依靠其被刨尖的一端與基本軌密貼，將列車引入正線或側(cè)線方向。為了保護(hù)尖軌不被車輪軋傷，在軌頭下顎軌距線以下作1∶3的斜切，使尖軌尖端藏于基本軌的軌距線下，形成藏尖式結(jié)構(gòu)。

2.2 扣件系統(tǒng)模型(見圖2)

在模型中，鋼軌扣件為連接在鋼軌底和鐵墊板之間的無質(zhì)量線性彈簧，剛度為扣壓件和軌下膠墊的并聯(lián)剛度，板下膠墊模型通過聯(lián)結(jié)鐵墊板和軌枕節(jié)點(diǎn)的彈簧單元形成。

2.3 軌枕模型

圖1 鋼軌仿真模型

圖2 扣件模型

軌枕混凝土強(qiáng)度等級C60，彈性模量E為36 GPa，泊松比 μ為 0.2，質(zhì)量密度為2 500 kg/m3，枕底寬為300 mm，頂寬為260 mm，高為220 mm，道床對軌枕的支承線剛度約為76.9～107.7 kN/mm/m，模型截面如圖3所示。道岔區(qū)軌枕長度各不相同，參照設(shè)計(jì)圖紙，仿真模型共有軌枕63根，軌枕長度和數(shù)量如表1所示。道岔區(qū)軌道剛度仿真計(jì)算模型主要包括鋼軌變截面模型、扣件系統(tǒng)剛度模型和軌枕模型，道岔區(qū)軌道剛度仿真計(jì)算模型見圖4。

圖3 軌枕截面

表1 軌枕長度和數(shù)量

圖4 道岔區(qū)軌道剛度仿真計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果與分析

利用已建立的道岔區(qū)軌道剛度仿真計(jì)算模型，分別計(jì)算道岔直向軌道剛度和側(cè)向軌道剛度。根據(jù)道岔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將計(jì)算結(jié)果按照轉(zhuǎn)轍器、連接部分和轍叉區(qū)進(jìn)行分析，仿真計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

3.1 轉(zhuǎn)轍器區(qū)計(jì)算結(jié)果分析

轉(zhuǎn)轍器是引導(dǎo)機(jī)車車輛沿主線方向或側(cè)線方向行駛的線路設(shè)備，由兩根基本軌、兩根尖軌、各種聯(lián)結(jié)零件及道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備組成。轉(zhuǎn)轍器部分計(jì)算剛度見圖5。由分析可知轉(zhuǎn)轍器部分兩根基本軌、兩根尖軌的軌道剛度分布規(guī)律總體一致;基本軌剛度變化不大，剛度值主要分布在80～100 kN/mm;軌道剛度橫向不平順，尖軌剛度大于基本軌，原因是基本軌和尖軌共用鐵墊板，對尖軌有幫軌作用，并且尖軌為變截面鋼軌;軌道剛度最大值為128.2 kN/mm，位于尖軌變截面終點(diǎn)處。

3.2 連接部分結(jié)果分析

連接部分是轉(zhuǎn)轍器和轍叉之間的連接線路，包括直向連接線和側(cè)向連接線(亦稱為導(dǎo)曲線)。直向連接線由直向基本軌和直向里軌組成。側(cè)向連接線由側(cè)向基本軌和側(cè)向里軌組成，平面形式為圓曲線。連接部分計(jì)算剛度見圖6。由分析可知，連接部分起點(diǎn)處基本軌和里軌共用鐵墊板，幫軌作用使軌道剛度增大，隨著導(dǎo)曲線延伸，基本軌與里軌分離，幫軌作用逐漸減小，此后軌道剛度在80～90 kN/mm之間。

表2 道岔各位置剛度仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì) kN/mm

圖5 轉(zhuǎn)轍器部分剛度

圖6 連接部分剛度

3.3 轍叉區(qū)結(jié)果分析

轍叉由叉心、翼軌和聯(lián)結(jié)零件組成，是使車輪由一股鋼軌越過另一股鋼軌的設(shè)備。轍叉部分剛度計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由分析可知，基本軌剛度為80 kN/mm，且變化不大;轍岔軌道剛度較大，主要是因?yàn)樾能壟c兩翼軌有間隔鐵聯(lián)結(jié)，間隔鐵使軌道之間有著較強(qiáng)的幫軌作用，轍岔軌道剛度最大值為162.2 kN/mm;軌道剛度沿線路縱向和橫向不平順問題均較為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

1)轉(zhuǎn)轍器尖軌和轍叉心軌采用變截面鋼軌、共用鐵墊板產(chǎn)生的幫軌作用及間隔鐵聯(lián)結(jié)時(shí)輔助剛度都會(huì)影響道岔區(qū)軌道剛度發(fā)生變化。

圖7 轍叉部分剛度

2)直向軌道剛度與側(cè)向軌道剛度分布規(guī)律基本相同，由于轉(zhuǎn)轍器區(qū)基本軌和尖軌共用鐵墊板，基本軌剛度轉(zhuǎn)轍器區(qū)要大于連接部分和轍叉區(qū);由于心軌與翼軌有間隔鐵聯(lián)結(jié)，里軌剛度轍叉區(qū)最大，轉(zhuǎn)轍器次之，連接部分最小。

3)道岔區(qū)軌道剛度不平順問題較為嚴(yán)重，包括沿線路方向的縱向不平順以及基本軌和里軌剛度的橫向不平順，工程上易于實(shí)現(xiàn)的是通過合理設(shè)置膠墊剛度，改善道岔區(qū)軌道剛度的平順性。

［1］ 中國鐵道科學(xué)研究院．車輛、線路、道岔、橋梁系統(tǒng)的仿真動(dòng)力分析的研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2006．

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