葛　晶，王樹國，樊小平，羅佳佳

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081，2.鐵科(北京)軌道裝備技術(shù)有限公司,北京　102202)

目前國內(nèi)新研制的27 t軸重重載60 kg/m鋼軌12號道岔[1]已上道試用，現(xiàn)場跟蹤試驗(yàn)表明可有效延長重載鐵路道岔及其部件使用壽命，達(dá)到了研制的目的。目前正在開展與27 t軸重重載60 kg/m鋼軌12號道岔配套的交叉渡線的研制工作，交叉渡線岔枕鉸接裝置是否適用成為研制過程中考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。

1　交叉渡線岔枕鉸接裝置使用情況

1.1　交叉渡線的使用

機(jī)車車輛由一條線路進(jìn)入或越過另一條線路，均依靠線路的連接與交叉設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，交叉渡線即為連接與交叉設(shè)備的組合。交叉渡線一般由4組單開道岔和1組菱形交叉組合而成[2]，在站場長度受限的情況下，交叉渡線可有效節(jié)省用地，因此得到了廣泛使用。

1.2　現(xiàn)有岔枕鉸接裝置

交叉渡線一般分為5.0，5.3，5.5，6.5 m線間距。以5.0 m線間距的交叉渡線為例，交叉渡線所需岔枕長度為7.6 m。整根7.6 m長的岔枕不利于制造和運(yùn)輸，鋪設(shè)也會(huì)相當(dāng)困難，因此交叉渡線內(nèi)的岔枕通常采用長、短岔枕組合成長岔枕的方式聯(lián)成7.6 m。圖1和圖2為目前國內(nèi)常用的岔枕鉸接裝置。

圖1　岔枕鉸接裝置結(jié)構(gòu)一(單位：mm)

圖2　現(xiàn)場安裝的岔枕鉸接裝置結(jié)構(gòu)二

圖1所示岔枕鉸接裝置為彈性聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具體特點(diǎn)為：單根岔枕埋有1個(gè)預(yù)埋套管，通過岔枕螺栓和彈性聯(lián)結(jié)鐵將2根岔枕聯(lián)結(jié)在一起；彈性聯(lián)結(jié)鐵為鐵板和橡膠的硫化件，可實(shí)現(xiàn)岔枕之間的彈性聯(lián)結(jié)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可有效吸收由岔枕傳遞來的縱向力和剪力；缺點(diǎn)是岔枕之間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度不大。

圖2所示岔枕鉸接裝置為剛性聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具體特點(diǎn)為：單根岔枕埋有3個(gè)螺栓，通過螺母和連接板將2根岔枕聯(lián)結(jié)在一起；連接板可實(shí)現(xiàn)岔枕之間的剛性聯(lián)結(jié)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是聯(lián)結(jié)強(qiáng)度高；缺點(diǎn)是岔枕的預(yù)埋螺栓損壞后無法維修。

1.3　現(xiàn)場使用情況

開展了現(xiàn)場調(diào)研，了解交叉渡線區(qū)域岔枕鉸接裝置的使用情況。既有線上交叉渡線區(qū)域所用岔枕鉸接裝置多采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)一形式，但實(shí)際使用中通常未安裝岔枕鉸接裝置?，F(xiàn)場使用狀況如圖3所示。

圖3　岔枕鉸接裝置結(jié)構(gòu)一(未安裝)

岔枕鉸接裝置結(jié)構(gòu)二多用于鋪設(shè)在條件較好的交叉渡線上，但也存在個(gè)別區(qū)段無法安裝的現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4　岔枕鉸接裝置結(jié)構(gòu)二(未安裝)

經(jīng)分析，岔枕鉸接裝置未安裝原因如下：我國交叉渡線內(nèi)2股正線之間的線間距并未有公差要求，即名義尺寸為5.0 m線間距的交叉渡線，其實(shí)測值可能為5.05 m或5.15 m等值，且線間距可能隨交叉渡線的不同部位有所不同。而目前常用的2種結(jié)構(gòu)的岔枕鉸接裝置，并不能按照線間距進(jìn)行自由調(diào)整，因此導(dǎo)致實(shí)際使用中岔枕鉸接裝置無法安裝到位。

2　交叉渡線岔枕鉸接裝置實(shí)用性分析

目前單根鉸接岔枕多采用1根長岔枕和1根短岔枕并排鉸接成1根長岔枕，相鄰2排的岔枕鉸接接頭交錯(cuò)分布[3]，如圖5所示，圖中“=”即為岔枕接頭。列車側(cè)向行駛通過交叉渡線時(shí)，承載岔枕為組合岔枕的，其前后2根承載岔枕多為連續(xù)結(jié)構(gòu)；列車直向行駛通過交叉渡線時(shí)，承載岔枕結(jié)構(gòu)均為連續(xù)的。重載道岔軌枕的最短長度為2.60 m，5.0 m線間距交叉渡線的直向最短岔枕長度為2.55 m，但其前后2根岔枕的長度均遠(yuǎn)>3 m。因此從維持軌道橫向穩(wěn)定性的角度出發(fā)，不設(shè)置岔枕鉸接裝置對直向行車不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖5　交叉渡線內(nèi)岔枕接頭

下面分析不設(shè)置岔枕鉸接裝置是否會(huì)對側(cè)向行車產(chǎn)生影響。首先建立重載鐵路的區(qū)間正線和交叉渡線菱形部分的軌道模型；而后運(yùn)用有限元分析軟件，計(jì)算設(shè)置岔枕鉸接裝置時(shí)，在重載列車橫向輪軌力作用下區(qū)間正線岔枕變形量，并與不設(shè)置岔枕鉸接裝置的菱形交叉在列車側(cè)向過岔時(shí)岔枕變形量進(jìn)行比較，據(jù)此分析交叉渡線內(nèi)不設(shè)置鉸接裝置是否會(huì)對側(cè)向行車時(shí)軌道的橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.1　模型和計(jì)算參數(shù)

2.1.1模型

1)區(qū)間正線

軌枕長度為2.6 m，枕間距為600 mm，6根岔枕組成軌排；軌道為由2根60 kg/m標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌組成的單股軌道，鋼軌長 3 600 mm。區(qū)間正線軌排模型如圖6所示。

圖6　區(qū)間正線軌排模型

2)交叉渡線

交叉渡線每根組合岔枕上相當(dāng)于有8根標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌，若存在轍叉部位，其可相當(dāng)于2根標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌。交叉渡線軌排模型如圖7所示，可看出，單根長岔枕上相當(dāng)于有5根標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌。以5.0 m線間距交叉渡線為例，其簡化模型為:5根4.6 m長岔枕和2根3.0 m短岔枕，枕間距為600 mm，枕上有3根標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼軌和1個(gè)轍叉(雙軌簡化)，模型長度為3 600 mm。

圖7　交叉渡線軌排模型

2.1.2設(shè)置約束、荷載和邊界條件

1)岔枕阻力

因?yàn)榻徊娑删€區(qū)域的岔枕阻力未進(jìn)行過現(xiàn)場實(shí)測，所以由區(qū)間線路軌枕阻力反推岔區(qū)的岔枕阻力。

采用現(xiàn)場原位測試方法[4-5]測試重載線路道床的IVa軌枕橫向阻力，單根軌枕橫向阻力現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果為13.7 kN。

參考文獻(xiàn)[6]，道床橫向阻力計(jì)算公式為

F=aW+bγGe+cγGs

(1)

式中：F為1根軌枕的道床橫向阻力；W為軌枕及以上軌道部件的壓力；Ge為軌枕端部面積對上緣的一次矩；Gs為軌枕側(cè)面積對上緣的一次矩；γ為道砟的重度；a,b,c為系數(shù)，混凝土軌枕情況下，a=0.75，b=29，c=1.8。

式(1)表明，1根軌枕的道床橫向阻力由3部分組成：軌枕底部與道床接觸面間的摩擦力；軌枕端部道床的主動(dòng)壓力產(chǎn)生的軌枕側(cè)面與道床接觸面間的摩擦力；軌枕端部道床的被動(dòng)壓力即抗剪力。區(qū)間2.6 m IVa軌枕的道床橫向阻力F測試結(jié)果為13.7 kN；由式(1)計(jì)算出區(qū)間道砟的重度。岔區(qū)內(nèi)長岔枕截面的頂寬、頂高和底寬分別為260，230，310 mm，根據(jù)重度可計(jì)算出不同岔枕的道床阻力，具體結(jié)果見表1。

表1　不同岔枕的道床阻力

計(jì)算得到區(qū)間2.6 m IVa枕的橫向剛度值為7.0×106N/m；由表1中的力F計(jì)算出3.0 m 岔枕的橫向剛度值為1.0×107N/m；4.6 m 岔枕的橫向剛度值為1.2×107N/m?？紤]到岔區(qū)內(nèi)道砟密實(shí)度應(yīng)小于區(qū)間線路，仿真模型中交叉渡線模型中3.0 m和4.6 m岔枕的橫向剛度按照0.8倍取值，剛度值分別為8.0×106和9.6×106N/m。

2)扣件

重載交叉渡線采用與重載道岔相同的扣件系統(tǒng)，該扣件系統(tǒng)安裝在帶預(yù)埋鐵座的混凝土岔枕上，采用Ⅱ型彈條和T形螺栓配合扣壓鐵墊板。忽略扣件系統(tǒng)的橫向剛度，軌件和扣件均為綁定狀態(tài)。

3)荷載

與區(qū)間線路相比，車輪經(jīng)過轍叉時(shí)，輪軸荷載有所增加。根據(jù)前期課題的實(shí)車測試數(shù)據(jù)[7-8]，區(qū)間線路輪軸橫向力的均值為20 kN，最大值為30 kN。列車側(cè)向通過單開道岔時(shí)，導(dǎo)曲線部位輪軸橫向力最大值約為區(qū)間均值的1.5～2.5倍，照此設(shè)計(jì)工況進(jìn)行仿真計(jì)算。具體工況見表2。荷載施加位置如圖8所示。

表2　不同工況下的荷載

圖8　交叉渡線的荷載施加位置

2.2 　計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行不同荷載工況下的靜力學(xué)仿真計(jì)算，得到軌枕橫移量，見表3。

表3　不同工況下軌枕的橫移量

2.3 　仿真結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在不考慮垂向荷載條件下，區(qū)間正線在工況①時(shí)，軌枕的最大橫移量為0.57 mm。交叉渡線軌件上承受的輪軸橫向荷載是區(qū)間均值的1.5倍時(shí)，岔枕的橫移量基本與區(qū)間橫移量的均值相當(dāng)。交叉渡線軌件上承受的輪軸橫向荷載是區(qū)間均值的2.5倍時(shí)，交叉渡線軌枕在工況④下的最大橫移量為 0.93 mm，為工況②的1.08倍，相差不大。

由于重載12號道岔的導(dǎo)曲線均終止于轍叉趾端前，交叉渡線的菱形交叉范圍內(nèi)列車運(yùn)行方向均為直向，因此列車通過該區(qū)域時(shí)輪軸橫向荷載應(yīng)明顯小于側(cè)向通過道岔時(shí)導(dǎo)曲線部位的輪軸橫向荷載。根據(jù)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修部門反饋意見，未設(shè)置岔枕鉸接裝置時(shí)，通車后交叉渡線內(nèi)軌距無顯著變化。

綜上所述，交叉渡線區(qū)域無需通過設(shè)置岔枕鉸接裝置保持軌距。但是考慮交叉渡線現(xiàn)場鋪設(shè)應(yīng)滿足維修規(guī)則要求，滿足查照間隔和護(hù)背距離要求，因此可在適當(dāng)位置設(shè)置岔枕鉸接裝置。

3　新型重載岔枕鉸接裝置

針對調(diào)研中反饋的交叉渡線安裝問題[9]，新型重載岔枕鉸接裝置應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼{(diào)整量，滿足現(xiàn)場的實(shí)際使用需求。新型重載岔枕鉸接裝置由螺旋道釘、復(fù)合鋼套、緩沖調(diào)距塊[10]、連接板和板下橡膠墊層等組成。具體結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

注: 1-墊板螺栓； 2-重型彈簧墊圈； 3-蓋板； 4-緩沖調(diào)距塊； 5-復(fù)合鋼套； 6-彈性膠墊； 7-連接板。 圖9　新型重載岔枕鉸接結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)的緩沖調(diào)距塊分4-11,5-10,6-9,7-8共4種規(guī)格。緩沖調(diào)距塊與復(fù)合鋼套配套使用可實(shí)現(xiàn)單側(cè)軌枕±5 mm的調(diào)整量，岔枕離縫±10 mm的調(diào)整量，基本滿足現(xiàn)場實(shí)際使用需求。

4　結(jié)語

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和有限元軟件分析，得出我國重載鐵路交叉渡線區(qū)域無需通過設(shè)置岔枕鉸接裝置保持軌距。若考慮現(xiàn)場鋪設(shè)要求，可在查照間隔和護(hù)背距離檢查區(qū)域，安裝若干具有一定岔枕離縫調(diào)整能力的新型重載岔枕鉸接裝置，保證鋪設(shè)精度。

[1]王樹國，葛晶.重載鐵路12號道岔設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑，2013，53(12)：98-102.

[2]郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[3]鐵道部第三設(shè)計(jì)院.道岔設(shè)計(jì)手冊[M].北京：人民鐵道出版社，1975.

[4]郄錄朝，王紅.聚氨酯固化道床的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2015，55(1)：107-112.

[5]尤瑞林，范佳.30 t軸重重載鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑，2015,55(1)：113-118.

[6]佐藤吉彥，梅原利之.線路工學(xué)[M].東京：西桜印刷株式會(huì)社，1986.

[7]錢坤，王樹國.75 kg/m 鋼軌 12 號單開道岔 30 t 軸重貨車動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2014,54(3):92-95.

[8]王樹國.延長重載道岔使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2014.

[9]陳小平，王平.交叉渡線混凝土鉸接岔枕有限元分析[J].鐵道建筑，2004，44(3)：52-53.

[10]鐵道部工程管理中心.客運(yùn)專線鐵路道岔鋪設(shè)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2010.