張夢楠,顏　樂,王　平,王　健

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都　610031)

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長大坡道鋪設(shè)無縫道岔可行性分析

張夢楠,顏樂,王平,王健

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都610031)

摘要：基于有限單元法建立無縫道岔非線性阻力計(jì)算模型,分析不同工況條件下的鋼軌縱向力及位移。計(jì)算結(jié)果表明：坡度對(duì)無縫道岔的受力及變形是不利的；隨著阻力減小區(qū)段距道岔距離增加,鋼軌縱向力、最大位移增加,尖軌相對(duì)基本軌的位移減小。道床搗固不密實(shí)引起的道床縱向阻力減小,會(huì)顯著增大道岔各部分受力和變形。建議:(1)在大坡道地段,宜采用全長淬火鋼軌或高強(qiáng)度鋼軌；(2)在進(jìn)站道岔前列車頻繁制動(dòng)地段、無縫道岔尖端、轍跟、叉心處宜布置觀測樁,隨時(shí)觀測無縫道岔的爬行情況；(3)加強(qiáng)無縫道岔防爬鎖定；(4)加大上坡方向道床的堆積厚度,并加強(qiáng)搗固。

關(guān)鍵詞：長大坡道；無縫道岔；有限單元法；非線性阻力

隨著我國高速鐵路建設(shè)的深入，無縫道岔作為跨區(qū)間無縫線路的關(guān)鍵技術(shù)[1]，近年來得到了迅猛發(fā)展。但是由于環(huán)保、節(jié)約用地或者地形條件的限制，部分道岔不得不設(shè)置在坡度超過6‰的大坡道上[2]。道岔鋪設(shè)在大坡道上將惡化道岔運(yùn)營環(huán)境，容易引起線路爬行，不利于行車的安全性和舒適性。目前，國內(nèi)外尚無大坡道地段道岔鋪設(shè)、維護(hù)及運(yùn)營管理的經(jīng)驗(yàn)，列車通過道岔舒適性和安全性能否得到保證，道岔結(jié)構(gòu)是否安全和耐久，都有待進(jìn)一步的科學(xué)論證。

1計(jì)算原理及模型

1.1計(jì)算原理

如圖1所示，當(dāng)?shù)啦碇惫蓚?cè)股均與區(qū)間線路焊連時(shí)，右邊將承受4根鋼軌所傳遞的固定區(qū)溫度力Pt，而左邊只承受2根鋼軌所傳遞的固定區(qū)溫度力Pt；當(dāng)無縫道岔僅直股與區(qū)間線路焊連時(shí)，右邊將有2根鋼軌承受Pt，2根鋼軌承受接頭阻力PH。這樣無縫道岔左右端承受的溫度力是不平衡的，將引起無縫道岔中鋼軌與岔枕向左端位移[3]。

圖1　無縫道岔受力示意

岔枕在無縫道岔溫度力的傳遞中起著重要作用[4]。道岔里軌(直曲基本軌為外軌，其余鋼軌均為里軌)類似于無縫線路的伸縮區(qū)，引起岔枕的縱向位移及偏轉(zhuǎn)、彎曲，進(jìn)而引起道岔外軌的位移，產(chǎn)生伸縮附加力。無縫道岔直側(cè)股鋼軌間通過限位器、間隔鐵等傳力部件[5]，將道岔里軌的溫度力向外軌傳遞。這些傳力部件的阻力位移特性曲線是影響外軌附加溫度力和里軌伸縮位移的重要部件，需控制在合適的范圍內(nèi)。

1.2計(jì)算模型

基于有限單元法所建立的無縫道岔非線性阻力計(jì)算理論，是在吸取各種計(jì)算理論的優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上而發(fā)展的，該計(jì)算模型采用有限元分析法，以一根軌枕的鋼軌扣件節(jié)點(diǎn)為一個(gè)單元，建立節(jié)點(diǎn)作用力平衡方程[6-7]，對(duì)道床縱向阻力、扣件縱向阻力、岔枕變形以及尖軌的限位器、心軌處的間隔鐵阻力等因素的作用可進(jìn)行全面、真實(shí)、合理的考慮，比較符合實(shí)際情況。該計(jì)算模型的另一特點(diǎn)是能更方便地對(duì)道岔中的每一作用力因素變化和道岔結(jié)構(gòu)每一部分的作用影響作具體分析，進(jìn)行方案比較，可對(duì)加強(qiáng)、改善道岔結(jié)構(gòu)起理論指導(dǎo)作用。

模型作如下簡化：將鋼軌簡化成與60 kg/m軌截面相同的梁；將軌枕簡化為梯形截面梁；扣件、限位器、間隔鐵均采用非線性彈簧單元模擬[8]。只考慮道岔的縱向運(yùn)動(dòng)。為了盡可能減小邊界條件的影響，模型長度選取200 m。模型中，扣件和鋼軌、扣件和軌枕通過節(jié)點(diǎn)位移耦合相連，限位器、間隔鐵通過節(jié)點(diǎn)與鋼軌位移耦合相連；軌枕與地基通過均布彈簧相連[9]；鋼軌端部用非線性彈簧固定。

1.3計(jì)算參數(shù)

以60 kg/m鋼軌18號(hào)可動(dòng)心軌無縫道岔為例進(jìn)行計(jì)算分析，該道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：混凝土岔枕；彈條Ⅲ型扣件，尖軌跟端設(shè)2組限位器，限位器子母塊間隙7 mm，長心軌跟端與長翼軌間由4個(gè)間隔鐵聯(lián)結(jié)，短心軌為斜接頭，跟端與翼軌間由3個(gè)間隔鐵聯(lián)結(jié)。直側(cè)股鋼軌均焊接。鋪設(shè)時(shí)道岔與區(qū)間線路鎖定軌溫一致。

道岔導(dǎo)曲線半徑為1 100 m。道岔區(qū)內(nèi)直股岔枕為133根，尖軌尖端位于第4號(hào)岔枕上，尖軌跟端導(dǎo)曲線在第35號(hào)岔枕上開始有扣件聯(lián)結(jié)，限位器位于第35、36號(hào)與37、38號(hào)岔枕間，心軌尖端位于92號(hào)岔枕上，長翼軌末端位于113號(hào)岔枕上，心軌跟端在109號(hào)岔枕上開始有扣件聯(lián)結(jié)，最后一根長岔枕編號(hào)為122號(hào)。

2力學(xué)分析

2.1等效輪軌黏著系數(shù)

制動(dòng)力通過輪軌摩擦直接作用于軌面。制動(dòng)黏著系數(shù)是指制動(dòng)時(shí)輪軌接觸點(diǎn)處的最大靜摩擦系數(shù)，它可用式Fmax=Qμ表示，μ為輪軌黏著系數(shù)，F(xiàn)max為制動(dòng)時(shí)輪軌間產(chǎn)生的最大制動(dòng)力，Q為輪軌間的垂直力。我國多年的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，輪軌黏著系數(shù)采用0.164是合適的[10]。

當(dāng)?shù)啦砦挥谄碌郎蠒r(shí)，制動(dòng)荷載還應(yīng)疊加上活載的坡道分力。在計(jì)算中通過將坡道上的制動(dòng)荷載轉(zhuǎn)化為等效輪軌黏著系數(shù)μ0實(shí)現(xiàn)。在圖2中，設(shè)計(jì)荷載為Q，平行于軌道的分力F2即為坡道分力[11]。

圖2　坡道分力示意

根據(jù)圖2所示幾何關(guān)系，得F2=Q×sinα。

由于α角一般很小，可令sinα≈tanα，于是F2=Q×tanα。線路坡度i=H/L=tanα，故F2=Q×i。

因此，長大坡道上的等效輪軌黏著系數(shù)為μ0=μ+i即μ0=0.164+i，作用于軌面的制動(dòng)力集度q=μ0×Q[12]。

2.2坡道坡度的影響規(guī)律分析

為了研究長大坡道上無縫道岔的力學(xué)特性隨坡度的變化，選取6種不同的坡度，分別包括平坡，即0‰，以及4‰、8‰、12‰、16‰、20‰。

2.2.1溫度荷載作用

在溫度荷載作用下，鋼軌縱向力及位移如表1所示。

由表1可知，在溫度荷載作用下，坡道的坡度對(duì)無縫道岔各部件的受力及位移幾乎無影響。

2.2.2制動(dòng)荷載作用

在制動(dòng)荷載作用下，鋼軌縱向力及位移如表2所示。

表1　溫度荷載作用下鋼軌縱向力、位移對(duì)比

由表2及圖3可知，在制動(dòng)荷載作用下，坡道的坡度對(duì)無縫道岔的受力和位移有明顯影響。隨著坡度的增大，鋼軌縱向力、位移、間隔鐵縱向力、心軌相對(duì)翼軌的位移及尖軌相對(duì)基本軌的位移都相對(duì)成比例增大。坡度每增大10‰，鋼軌縱向力增大7.8%，鋼軌位移增加6%，間隔鐵受力增加6%，心軌相對(duì)翼軌的位移增加6%，尖軌相對(duì)基本軌的位移增加8.3%。

表2　制動(dòng)荷載作用下鋼軌縱向力、位移對(duì)比

圖3　不同坡度對(duì)鋼軌縱向力、位移影響

2.3制動(dòng)力方向的影響規(guī)律

為了研究制動(dòng)力的方向?qū)﹂L大坡道道岔受力的影響，考慮2種制動(dòng)力方向，工況1：制動(dòng)力方向從坡底指向坡頂；工況2：制動(dòng)力方向從坡頂指向坡底。坡度取20‰。無縫道岔的鋼軌縱向力及位移如表3所示。

表3　鋼軌縱向力、位移對(duì)比

由表3可知，2種工況的鋼軌溫度力和位移分布明顯不同，工況2的鋼軌縱向力比工況1的增加了9.2%，鋼軌最大位移增加了1.2%，總體上看，制動(dòng)力方向從坡頂指向坡底時(shí)對(duì)無縫道岔的力學(xué)特性的影響較為不利。

2.4荷載及荷載組合的影響

為了研究荷載及荷載組合對(duì)長大坡道無縫道岔力學(xué)特性的影響規(guī)律，考慮2種工況，工況1：單獨(dú)作用溫度荷載，鋼軌溫度變化幅度為50 ℃；工況2：溫度荷載+最不利制動(dòng)荷載組合。制動(dòng)力方向從坡頂指向坡底，坡度為20‰，無縫道岔的鋼軌縱向力及位移如表4所示。

表4　鋼軌縱向力、位移對(duì)比

由表4可知，工況2比工況1的鋼軌縱向力增加了8.2%，鋼軌最大位移增幅為30%，間隔鐵受力及心軌相對(duì)翼軌位移的變化不明顯，分別減小了1.5%和2.6%，尖軌相對(duì)基本軌位移增幅為10.3%?？梢?，溫度荷載+最不利制動(dòng)荷載組合的作用對(duì)長大坡道上無縫道岔的受力較為不利，建議設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行此種荷載組合的受力及變形檢算。

2.5阻力減小區(qū)段距道岔的距離

由于大坡道上的道床阻力分布不均勻，特此分析道床阻力減小區(qū)段距道岔的距離對(duì)無縫道岔的影響。

分別取距離岔前20，30，40，50，60 m，使其阻力減小50%，分析其制動(dòng)工況時(shí)對(duì)無縫道岔的影響。

通過圖4和表5可以看出，隨著阻力減小區(qū)段距離增加，鋼軌縱向力、最大位移增加，尖軌相對(duì)基本軌的位移減小但變化不明顯，心軌相對(duì)翼軌位移基本無變化。因此，阻力減小區(qū)段距離道岔越遠(yuǎn)，對(duì)道岔受力變形越不利。其中，鋼軌縱向力最大值在道床阻力減小區(qū)段距離為60 m時(shí)比距離為20 m時(shí)增加了11%，鋼軌最大位移在道床阻力減小區(qū)段距離為60 m時(shí)比距離為20 m時(shí)增加了44%。

圖4　道床阻力減小區(qū)段距離對(duì)鋼軌縱向力、鋼軌位移的影響

距離/m鋼軌縱向力最大值/kN鋼軌最大位移/mm間隔鐵受力最大值/kN心軌相對(duì)翼軌位移/mm尖軌相對(duì)基本軌位移/mm2040.080.5840.4650.031.6733042.530.6980.4680.031.6564043.670.7790.4700.031.6495044.240.8400.4710.031.6466044.510.8820.4710.031.644

2.6阻力減小率的影響

減小道岔區(qū)的道床阻力，分別減小10%、25%，以及增加10%、25%，分析其變化對(duì)無縫道岔受力的影響。

根據(jù)表6和圖5，可以得到：道床搗固不密實(shí)引起的道床縱向阻力減小，會(huì)顯著增大道岔各部分受力和變形。道床阻力增加相比無變化時(shí)，鋼軌最大縱向力、最大縱向位移、間隔鐵受力都減小，而尖軌相對(duì)基本軌位移增加；道床阻力增加幅度越大，鋼軌最大縱向力及間隔鐵受力也隨之增加，鋼軌最大縱向位移和尖軌相對(duì)基本軌位移則隨之減小。反之，道床阻力減小相比無變化時(shí)，鋼軌最大縱向力、最大縱向位移、間隔鐵受力都增加，而尖軌相對(duì)基本軌位移減?。坏来沧枇p小幅度越大，鋼軌最大縱向力、鋼軌最大縱向位移及間隔鐵受力隨之減小，尖軌相對(duì)基本軌位移則隨之增大。

表6　道床阻力減小率對(duì)無縫道岔的影響

圖5　道床阻力減小率對(duì)鋼軌縱向力、鋼軌位移的影響

3可行性分析

3.1強(qiáng)度

從受力變形的角度出發(fā)，隨著坡度的增大，鋼軌縱向力、位移、間隔鐵縱向力、心軌相對(duì)翼軌的位移及尖軌相對(duì)基本軌的位移都相對(duì)成比例增大，但是都未超過允許的受力變形范圍，因此其強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3.2穩(wěn)定性

由于移動(dòng)輪載施加于鋼軌上的縱向力，坡道分力以及制動(dòng)力等原因，導(dǎo)致長軌條產(chǎn)生不均勻的拉伸和壓縮，即產(chǎn)生爬行現(xiàn)象?，F(xiàn)場的實(shí)際現(xiàn)象反映，在大坡道上，爬行現(xiàn)象很常見[13]。雖然有的線路在現(xiàn)場通過設(shè)置防爬設(shè)備，采用彈性扣件，加強(qiáng)道床搗固等措施來減緩線路爬行，但是仍有很多線路僅僅通過“爬過去，拉回來”的方法，爬行現(xiàn)象的頻率越來越高，都未從根本上解決線路的爬行問題。

因此，大坡道上的線路爬行是個(gè)亟需解決的核心問題。

3.3其他因素

長大坡道上經(jīng)常需要制動(dòng)，制動(dòng)還需要考慮的一個(gè)重要因素就是機(jī)車的緊急制動(dòng)距離。緊急制動(dòng)距離是檢驗(yàn)列車制動(dòng)能力和運(yùn)行安全性的重要技術(shù)條件，同時(shí)也是通信信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)輸組織合理規(guī)劃的重要依據(jù)。目前，已有專家學(xué)者研究出各種對(duì)應(yīng)不同坡度的動(dòng)車組的限制速度，我們也可以根據(jù)機(jī)車的速度和緊急制動(dòng)距離計(jì)算出其限制坡度。但普通電氣化機(jī)車還缺乏研究。同時(shí)，還需要綜合考慮橋上無縫道岔的梁軌相互作用，以及在橋梁區(qū)段的線路爬行問題等各種因素。

4結(jié)論及建議

原則上，在大坡道鋪設(shè)無縫道岔，其各個(gè)方面的受力變形均未超出規(guī)范要求，但是需要考慮其在時(shí)間累積作用下的爬行問題，以及機(jī)車車輛的限制因素等。且如今還未有很好的理論來解釋和解決線路的爬行現(xiàn)象，因此其可行性仍需深入研究。

根據(jù)現(xiàn)場的運(yùn)營實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議。

(1)在大坡道地段，宜采用全長淬火鋼軌或高強(qiáng)度鋼軌。

(2)在進(jìn)站道岔前列車頻繁制動(dòng)地段、無縫道岔尖端、轍跟、叉心處宜布置觀測樁，隨時(shí)觀測無縫道岔的爬行情況。觀測樁宜布置在道岔前后25 m處，間距大于45 m，且在限位器、長心軌跟端等部位應(yīng)單獨(dú)布設(shè)觀測樁。

(3)應(yīng)加強(qiáng)無縫道岔防爬鎖定，建議在大坡道上安裝防爬器或者防爬撐來防止線路爬行，并加密防爬觀測次數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題后應(yīng)及時(shí)整治。

(4)在重力作用下，道砟會(huì)向下坡道方向堆積，使得上坡方向的道砟不夠密實(shí)，線路阻力減小，因此建議加大上坡方向道床的堆積厚度，并加強(qiáng)搗固，確保道砟密實(shí)、砟盒飽滿。

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Feasibility Analysis of Seamless Turnout on Long Steep GradeZhang Meng-nan, Yan Le, Wang Ping, Wang Jian

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：Based on the finite element method, this paper establishes a nonlinear resistance calculation model of the seamless turnout and analyzes rail longitudinal force and displacement under different working conditions. The results show that slope is negative to stress and deformation of seamless turnout. With the increase of the distance from the resistance reduced section to the turnout, the rail longitudinal force and the maximum displacement increase, and relative displacement between the point rail and the stock rail decreases. The decrease of track bed longitudinal resistance caused by insufficient tamping of track bed may significantly increase stress and deformation of each part of the turnout. Recommendation: (1) in a long steep grade area, the full-length quenched rail or high strength rail should be adopted; (2) observation pile should be arranged to look for turnout creeping where frequent braking is applied in front of the approach turnout, at the point of the seamless turnout, the frog heel and frog center; (3) anti-creeping of seamless turnout should be strengthened; (4) the thickness of the track bed in uphill direction should be increased and tamping reinforced.

Key words：Long steep grade; Seamless turnout; Finite element method; Nonlinear resistance

中圖分類號(hào)：U215.5+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.004

文章編號(hào)：1004-2954(2015)02-0013-04

作者簡介：張夢楠(1990—)，女，碩士研究生，E-mail:407809236@qq.com。

收稿日期：2014-04-30； 修回日期：2014-06-07