重載鐵路12號固定轍叉道岔軌道剛度變化分布研究

孫加林，劉 磊

(中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

軌道剛度是影響軌道振動與變形的重要參數之一，國內外對軌道剛度問題非常重視，進行了大量軌道剛度合理值及部件剛度合理匹配關系的研究。道岔區是軌道剛度發生突變的主要區域，輪軌沖擊荷載對道岔結構的破壞程度與軌道剛度有著密不可分的聯系。道岔使用壽命短、零部件損壞嚴重，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。

本文擬結合道岔區復雜的軌道結構特點，分析影響軌道剛度的因素，建立道岔區軌道剛度仿真計算模型，對道岔區軌道剛度的分布變化規律進行研究。

1 道岔區軌道剛度影響因素分析

根據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剛度，軌道剛度K計算

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

鋼軌支點剛度包括扣件系統剛度、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，撓曲系數接近1，因此，無論是理論分析還是實際應用都可以忽略混凝土軌枕的撓曲變形，將其視為剛體。這時，鋼軌支點剛度D可由扣件系統剛度D1和道床支承剛度D2表示

扣件系統剛度由扣壓件與軌下膠墊剛度并聯，然后與板下膠墊剛度串聯得到。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，但如果出現板結等病害后，剛度會顯著增大。

一般區間軌道剛度理論同樣適用于道岔區，但又有所區別:①道岔區轉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，當輪載作用鋼軌壓迫鐵墊板下移時，鐵墊板上的非輪載作用鋼軌會限制鐵墊板的下移，從而起到幫軌的作用。③道岔區軌枕長度不一，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、頂鐵等部件聯結后形成一個框架體系，多根鋼軌共同承受車輪荷載作用，產生部件輔助剛度。

2 道岔區軌道剛度仿真模型

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線方向。為了保護尖軌不被車輪軋傷，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，形成藏尖式結構。

2.2 扣件系統模型(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量線性彈簧，剛度為扣壓件和軌下膠墊的并聯剛度，板下膠墊模型通過聯結鐵墊板和軌枕節點的彈簧單元形成。

2.3 軌枕模型

圖1 鋼軌仿真模型

圖2 扣件模型

軌枕混凝土強度等級C60，彈性模量E為36 GPa，泊松比 μ為 0.2，質量密度為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。道岔區軌枕長度各不相同，參照設計圖紙，仿真模型共有軌枕63根，軌枕長度和數量如表1所示。道岔區軌道剛度仿真計算模型主要包括鋼軌變截面模型、扣件系統剛度模型和軌枕模型，道岔區軌道剛度仿真計算模型見圖4。

圖3 軌枕截面

表1 軌枕長度和數量

圖4 道岔區軌道剛度仿真計算模型

3 計算結果與分析

利用已建立的道岔區軌道剛度仿真計算模型，分別計算道岔直向軌道剛度和側向軌道剛度。根據道岔結構的特點，將計算結果按照轉轍器、連接部分和轍叉區進行分析，仿真計算統計結果如表2所示。

3.1 轉轍器區計算結果分析

轉轍器是引導機車車輛沿主線方向或側線方向行駛的線路設備，由兩根基本軌、兩根尖軌、各種聯結零件及道岔轉換設備組成。轉轍器部分計算剛度見圖5。由分析可知轉轍器部分兩根基本軌、兩根尖軌的軌道剛度分布規律總體一致;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處。

3.2 連接部分結果分析

連接部分是轉轍器和轍叉之間的連接線路，包括直向連接線和側向連接線(亦稱為導曲線)。直向連接線由直向基本軌和直向里軌組成。側向連接線由側向基本軌和側向里軌組成，平面形式為圓曲線。連接部分計算剛度見圖6。由分析可知，連接部分起點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算結果統計 kN/mm

圖5 轉轍器部分剛度

圖6 連接部分剛度

3.3 轍叉區結果分析

轍叉由叉心、翼軌和聯結零件組成，是使車輪由一股鋼軌越過另一股鋼軌的設備。轍叉部分剛度計算結果如圖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，主要是因為心軌與兩翼軌有間隔鐵聯結，間隔鐵使軌道之間有著較強的幫軌作用，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重。

4 結論

1)轉轍器尖軌和轍叉心軌采用變截面鋼軌、共用鐵墊板產生的幫軌作用及間隔鐵聯結時輔助剛度都會影響道岔區軌道剛度發生變化。

圖7 轍叉部分剛度

2)直向軌道剛度與側向軌道剛度分布規律基本相同，由于轉轍器區基本軌和尖軌共用鐵墊板，基本軌剛度轉轍器區要大于連接部分和轍叉區;由于心軌與翼軌有間隔鐵聯結，里軌剛度轍叉區最大，轉轍器次之，連接部分最小。

3)道岔區軌道剛度不平順問題較為嚴重，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，工程上易于實現的是通過合理設置膠墊剛度，改善道岔區軌道剛度的平順性。

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