城市軌道交通道岔軌道橫向剛度分布規(guī)律研究

翟 淼， 劉 偉

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土建一院， 四川成都 610031)

?

城市軌道交通道岔軌道橫向剛度分布規(guī)律研究

翟 淼， 劉 偉

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土建一院， 四川成都 610031)

通過建立城市軌道交通12號(hào)固定轍叉道岔軌道橫向剛度有限元計(jì)算模型，計(jì)算得出了沿線路方向岔區(qū)的橫向剛度值。計(jì)算結(jié)果表明：道岔橫向剛度沿線路方向存在不均勻分布，其中轍叉部分最大，轉(zhuǎn)轍器部分次之，連接部分最小。

城市； 軌道交通； 道岔； 橫向剛度； 分布規(guī)律； 有限元法

軌道結(jié)構(gòu)剛度是影響輪軌系統(tǒng)匹配及動(dòng)力特性的重要參數(shù)。對(duì)軌道剛度進(jìn)行研究，目的是在確保行車安全的前提下，優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)剛度，減緩輪軌間相互作用，提高列車運(yùn)行舒適性，并減少工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修工作量。目前，國內(nèi)外對(duì)軌道剛度合理取值及各部件間剛度的合理匹配問題十分重視并做了大量的研究工作[1-2]。理論和試驗(yàn)研究表明：軌道剛度過大，輪軌相互作用加劇，列車運(yùn)行平穩(wěn)性降低，軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加劇，影響行車舒適性并使部件使用壽命降低；剛度過小，軌道結(jié)構(gòu)薄弱，列車作用下軌道變形過大，幾何形態(tài)難以保證，養(yǎng)護(hù)維修工作量大大增加；若軌道結(jié)構(gòu)在單個(gè)鋼軌節(jié)點(diǎn)剛度設(shè)置合理，但沿線路縱向分布不均，形成軌道動(dòng)態(tài)不平順，也將影響行車舒適性，加劇軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)，減小部件使用壽命。

列車運(yùn)行過程中，車輪與鋼軌之間既有豎向作用也有橫向相互作用，因此軌道剛度可分為沿線路方向在豎向的剛度和沿線路方向在橫向的剛度。在過去的研究過程中，科研人員更多的是將注意力放在軌道結(jié)構(gòu)沿線路方向在豎向的剛度分布規(guī)律和其相應(yīng)的均勻化對(duì)策這一層面上，且已經(jīng)取得了豐碩的成果；但是對(duì)于軌道結(jié)構(gòu)特別是道岔區(qū)的軌道結(jié)構(gòu)橫向整體剛度的研究還處于起步階段。根據(jù)相關(guān)研究，對(duì)曲線地段軌道結(jié)構(gòu)橫向剛度進(jìn)行合理取值，可有效降低輪軌相互作用及延緩鋼軌磨損[3]。軌道結(jié)構(gòu)橫向剛度若在線路方向上出現(xiàn)不平順，將加劇輪軌間的作用力，嚴(yán)重者破壞軌道零部件，減少軌道壽命。城市軌道交通道岔區(qū)較多，道岔號(hào)碼數(shù)較小，并且每日開行車對(duì)數(shù)量較大，往返頻率高，因此，有必要對(duì)城市軌道交通岔區(qū)鋼軌橫向整體剛度分布規(guī)律進(jìn)行研究，為進(jìn)行進(jìn)一步的橫向剛度均勻化做理論儲(chǔ)備。

本文通過有限元方法，建立城市軌道交通整體道床上12號(hào)固定轍叉道岔橫向剛度計(jì)算模型，計(jì)算各鋼軌沿線路橫向剛度，研究岔區(qū)橫向剛度的分布規(guī)律。

1 岔區(qū)扣件系統(tǒng)剛度及其影響因素

岔區(qū)扣件系統(tǒng)多采用雙層彈性分開式結(jié)構(gòu)，主要由鐵墊板、鋼軌下彈性墊層、鐵墊板下彈性墊層、扣壓件、錨固螺栓等零部件結(jié)構(gòu)組成。扣件系統(tǒng)豎向剛度計(jì)算模型如圖1所示。軌下彈性墊層剛度為K1，板下墊層提供主要彈性，剛度為K2，并與扣壓件剛度Kc、錨固螺栓合成剛度Kb串聯(lián)，組合成為扣件系統(tǒng)的豎向剛度。

岔區(qū)扣件系統(tǒng)的橫向剛度主要由鋼軌等效抗橫傾剛度及墊板橫向剛度組成。墊板橫向剛度包括軌下墊層的橫向抗剪剛度、板下墊層的橫向抗剪剛度、鐵墊板螺栓的橫向抗推剛度及尼龍軌距塊和擋座的橫向剛度，扣件系統(tǒng)橫向剛度模型如圖2所示。

圖1 扣件系統(tǒng)豎向剛度

圖2 扣件系統(tǒng)橫向剛度

其中，鋼軌等效抗橫傾剛度與水平力及豎向力的比值和他們的作用位置、鋼軌連續(xù)扭轉(zhuǎn)支承彈性系數(shù)、軌枕間距、鋼軌的抗扭剛度有關(guān)；螺栓的橫向抗推剛度與其作用點(diǎn)位置有關(guān)，作用點(diǎn)越靠上，橫向抗推剛度越小。

2 岔區(qū)軌道橫向剛度計(jì)算模型及參數(shù)選擇

2.1 道岔鋼軌計(jì)算模型及參數(shù)

城市軌道交通12號(hào)固定轍叉道岔基本軌采用60 kg/m鋼軌、尖軌采用60AT鋼軌、心軌采用高錳鋼鑄造岔心、護(hù)軌采用UIC33槽型鋼；鋼軌彈性模量為206 GPa，泊松比0.3。在建立有限元模型時(shí)采用實(shí)體模型，該模型能夠較好的反映出截面變化對(duì)橫向整體剛度帶來的影響；同時(shí)可以更加真實(shí)的模擬輪軌接觸位置和作用力方向。從而更加精確的計(jì)算橫向剛度。鋼軌模型如圖3所示。

圖3 鋼軌實(shí)體模型

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)確定

采用等界面梁模擬鐵墊板，同時(shí)采用多組線性彈簧模擬軌下膠墊和板下膠墊的作用。軌下設(shè)置10 mm橡膠墊，剛度為60 kN/mm，板下設(shè)置12 mm橡膠墊，剛度設(shè)為50 kN/mm，模型如圖4所示。岔枕為彈性合成枕，支承剛度為400 kN/mm，設(shè)軌枕混凝土強(qiáng)度等級(jí) C60，彈性模量E=36 GPa，泊松比為0.2，采用變截面梁模擬。

圖4 扣件系統(tǒng)模型

3 岔區(qū)橫向剛度分布計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，將所得結(jié)果繪制成圖5，并將最大最小值填入表1。通過圖表可以看出，軌道橫向整體剛度沿線路方向存在較為明顯的不均勻分布。

其中基本軌在轉(zhuǎn)轍器部分的橫向剛度值為32 kN/mm左右，在24號(hào)軌枕處剛度值突然增大，變?yōu)?3 kN/mm左右。這是因?yàn)樵谠撎幵O(shè)有間隔鐵，間隔鐵將基本軌和曲導(dǎo)軌聯(lián)系為一個(gè)整體，抗扭轉(zhuǎn)慣性矩變大，使得抗扭轉(zhuǎn)剛度變大，從而增大了橫向剛度。

里軌在轉(zhuǎn)轍器的24號(hào)軌枕處也有峰值43 kN/mm，原因與之前相同是間隔鐵產(chǎn)生的幫軌作用。同時(shí)，轉(zhuǎn)轍器部分的橫向剛度是漸漸增大的，這是因?yàn)樵诩廛壖舛耍廛壊赜诨拒壾壝嬉韵拢虼藱M向剛度與基本軌相同。隨著尖軌頂寬的增加，輪緣作用力漸漸作用在尖軌上，此時(shí)因尖軌和基本軌仍然有密貼段，兩者成為一個(gè)整體，加大了抗扭剛度，隨著尖軌斷面的不斷變化增大，橫向剛度也漸漸增大。此外，在里軌的轍叉部分存在第二個(gè)峰值，大約在46 kN/mm左右。該峰值產(chǎn)生的原因是高錳鋼鑄造岔心的抗扭剛度較標(biāo)準(zhǔn)鋼軌來說要大很多，岔心激增的抗扭剛度帶來了橫向剛度的變大。

圖5 12號(hào)固定轍叉道岔直向過岔軌道整體橫向剛度

軌型最大剛度/(kN·mm-1)最小剛度/(kN·mm-1)縱向變化率/%里基剛度比直向基本軌43.8030.59143.2里軌46.6430.59152.51.06

4 結(jié)論

本文通過建立城市軌道交通12號(hào)固定轍叉道岔軌道橫向剛度有限元計(jì)算模型，計(jì)算沿線路方向岔區(qū)的橫向剛度分布規(guī)律，得到以下兩點(diǎn)結(jié)論。

(1)岔區(qū)扣件系統(tǒng)的橫向剛度主要由鋼軌等效抗橫傾剛度及墊板橫向剛度合成，在鋪設(shè)條件相同的情況下，等效抗橫傾剛度往往起主導(dǎo)作用。而引起變化的主要因素是鋼軌截面的變化，截面抗扭慣性矩越大，抗扭剛度越大，其橫向整體剛度越大。

(2)12號(hào)固定轍叉道岔橫向剛度沿線路方向存在不均勻分布，其中轍叉部分最大，轉(zhuǎn)轍器部分次之，連接部分最小。

[1] 練松良. 軌道動(dòng)力學(xué)[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社, 2003.

[2] [日]佐藤吉彥. 新軌道力學(xué)[M]. 北京：中國鐵道出版社, 2001.

[3] 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.

[4] 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.

[5] 陳小平,王平. 時(shí)速350 km客運(yùn)專線無砟道岔的合理軌道剛度研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(2).

[6] 朱劍月,謝國維,羅雁云,等. 軌道結(jié)構(gòu)橫向剛度改變對(duì)輪軌動(dòng)力性能影響[J]. 城市軌道交通研究,2002(3).

翟淼(1985～)，女，碩士研究生，工程師，從事鐵路軌道設(shè)計(jì)工作。

U213.6

A

[定稿日期]2016-12-27