跟端軌底刨切對尖軌轉換影響的有限元分析

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(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

在我國高速鐵路上使用的道岔尖軌多存在較大的轉換不足位移。不足位移會引起尖軌不密貼、頂鐵離縫偏大、軌向不良等病害，這些病害嚴重影響行車的安全性與穩定性。近年來，陸續有學者運用有限元軟件對道岔尖軌進行仿真建模，分析摩擦因數、牽引點設置、密貼段剛度等因素對尖軌轉換的影響[1-4]，但未對尖軌跟端軌底刨切對尖軌轉換的影響進行研究。本文基于有限單元理論，以60kg/m鋼軌18號單開道岔尖軌為例，通過MIDAS/Civil和ANSYS軟件建立尖軌有限元仿真模型，研究尖軌轉換阻力組成及跟端工作邊軌底刨切對尖軌轉換的影響。

1 尖軌模型

1.1 模型單元

尖軌采用二維變截面梁單元Beam 54模擬。將尖軌尖端、各特征截面、滑床板、牽引點、頂鐵、轍跟墊板設為梁單元節點，使用MIDAS/Civil輔助計算各特征截面的截面特性數據。采用非線性彈簧Combin 39模擬尖軌與基本軌的密貼作用、頂鐵的限位作用、扣件系統對鋼軌的約束作用、滑床板及轍跟墊板對尖軌的支撐作用。

1.2 模型參數

1)尖軌扳動時，尖軌的殘余應力與扳動力附加在尖軌上的應力之和在鋼軌的抗拉強度之內，不會產生塑性變形積累現象[5]。因此，在尖軌扳動過程中認為尖軌材質為彈性材料，其彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3。

2)根據滑床板潤滑狀態及使用情況的不同，其動摩擦因數在0.107～0.210[6]。考慮滑床板磨耗腐蝕對滑床板摩擦因數的影響，尖軌與滑床板的摩擦因數取0.25。

3)扣件系統對尖軌有橫向約束作用，橫向剛度為25 MN/m；鐵墊板對尖軌有豎向支撐作用，鐵墊板豎向支撐剛度為50 MN/m；尖軌與基本軌密貼時的密貼剛度及頂鐵與尖軌軌腰接觸時的頂鐵剛度均取100 MN/m。

1.3 模型假定

1)尖軌有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 尖軌有限元仿真模型

2)在尖軌豎向模型中，設置了一段鋼軌延長段以模擬導軌對尖軌的影響；在尖軌扳動模型中，尖軌扳動時尖軌跟端在4組扣件之后的位移非常小，因此將尖軌跟端第4、第5組扣件的跨中位置假定為尖軌的剛性固定端。

3)在尖軌豎向模型中施加重力，求解出每個滑床板處的豎向支撐力。該支撐力與摩擦因數的乘積是各個滑床板作用于尖軌上的摩擦力。摩擦力作用方向與尖軌扳動方向相反且不隨尖軌的位移而發生改變。

4)尖軌扳動模型的初始狀態為與基本軌密貼狀態，然后將尖軌逐漸扳動至各牽引點達到設計動程的斥離狀態，再由斥離狀態扳回至密貼狀態。在整個扳動過程中，各牽引點處的集中反作用力即尖軌各牽引點的扳動力，尖軌扳動前后的位置之差即尖軌不足位移。

1.4 模型優化

由于摩擦力的存在，尖軌在扳動的過程中會產生微小的變形，扳動最后階段即尖軌與基本軌密貼時，牽引點前某處先貼靠基本軌，若牽引點繼續扳動，則須克服尖軌與基本軌變形而產生的較大的密貼反力。此時，牽引點的扳動力會出現激增。

在實際線路中，由于道岔制造工藝、鋪設技術的限制，在道岔轉換過程中，尖軌與基本軌密貼段會存在一定的離縫[7-9]。

綜合考慮尖軌與基本軌的密貼要求及減少扳動過程中激增段對整體數據的影響，對模型進行優化。優化措施為在尖軌扳回至貼靠狀態時，將尖軌3個牽引點與基本軌完全密貼，改為尖軌第1、第2牽引點與基本軌密貼，第3牽引點與基本軌存在0.2 mm的離縫。優化前后尖軌各牽引點扳動力如圖2所示。圖中，0—1為尖軌扳開階段；1—2為尖軌扳回階段。

圖2 尖軌扳動力

2 轉換阻力分析

尖軌在扳開階段時所需克服的阻力主要是尖軌與滑床板間的摩擦阻力和尖軌彈性變形而產生的抗彎反力。尖軌在扳回階段時所需克服的阻力除上述2種阻力外，還包括尖軌與基本軌密貼時的密貼反力。

當摩擦因數為0時，尖軌轉換只需克服尖軌彈性變形而產生的抗彎反力，且尖軌在轉換過程中所須克服的抗彎反力的大小并不會隨摩擦因數的變化而改變。摩擦因數分別是0和0.25時，尖軌各牽引點的最大扳動力見圖3。

圖3 有無摩擦力情況下尖軌最大扳動力

由圖2(b)與圖3可以發現：在滑床板摩擦因數為0.25時，牽引點扳動力中用于克服抗彎反力的比例較小；第1牽引點最大扳動力產生在密貼狀態時，其主要用于克服尖軌與滑床板的摩擦力和尖軌與基本軌的密貼反力；第2、第3牽引點最大扳動力產生在斥離狀態時，其主要用于克服尖軌與滑床板的摩擦力與尖軌自身彈性變形而產生的抗彎反力。

3 跟端軌底刨切的影響分析

客專線道岔采用對尖軌跟端工作邊進行單側軌底刨切的方式來降低尖軌的橫向剛度[10-11]。通過尖軌仿真模型對不同工況下尖軌的扳動力及不足位移進行計算，分析尖軌跟端工作邊軌底進行不同寬度與長度的刨切對尖軌轉換的影響。尖軌跟端工作邊軌底刨切如圖4所示。

圖4 尖軌跟端工作邊軌底刨切示意(單位：mm)

3.1 刨切寬度的影響

在確定尖軌跟端軌底刨切長度為 3 600 mm 的前提下，用尖軌仿真模型分別計算對尖軌跟端工作邊軌底進行不同寬度的刨切之后尖軌轉換時所需的扳動力及轉換后的不足位移，計算結果見表1。

表1 不同刨切寬度下尖軌扳動力及不足位移

由表1可知：隨著跟端軌底刨切寬度的增加，尖軌第1牽引點最大扳動力基本不變，第2、第3牽引點的最大扳動力隨之減小，最大不足位移隨之線性增加。

3.2 刨切長度的影響

在確定尖軌跟端軌底刨切寬度為15 mm的前提下，用尖軌仿真模型分別計算對尖軌跟端工作邊軌底進行不同長度的刨切之后尖軌轉換時所需的扳動力及轉換后的不足位移，計算結果見表2。

表2 不同刨切長度下尖軌扳動力及不足位移

由表2可見，隨著跟端軌底刨切長度的增加，尖軌第1牽引點最大扳動力與最大不足位移基本不變，第2、第3牽引點最大扳動力略有減小，但減小幅度較小。

綜上分析可見，對尖軌跟端進行軌底刨切可降低尖軌的整體量，從而減小尖軌在轉換過程中所受的摩擦阻力，但由于刨切的質量所占尖軌跟端質量較小，減小的摩擦阻力占總摩擦阻力的比例非常小。

增加尖軌跟端軌底的刨切寬度可在一定程度上降低尖軌跟端的橫向剛度，從而減小尖軌轉換時的抗彎反力；而增加尖軌跟端軌底的刨切長度對尖軌跟端的橫向剛度影響較小。因此，尖軌跟端軌底刨切寬度取值的變化對尖軌的扳動力與不足位移的影響較大；刨切長度取值的變化對尖軌的扳動力與不足位移的影響較小。

4 結論

通過建立客專線18號道岔尖軌有限元仿真模型，分析在有無摩擦力及不同尖軌跟端工作邊軌底刨切寬度及刨切長度下尖軌扳動力及不足位移。主要結論如下：

1)尖軌在貼靠基本軌時，由于尖軌與基本軌間會產生密貼反力，從而導致尖軌扳動力激增。

2)尖軌第1牽引點最大扳動力產生在貼靠狀態時，其主要用于克服尖軌與滑床板的摩擦力和尖軌與基本軌的密貼反力。

3)尖軌第2、第3牽引點最大扳動力產生在斥離狀態時，其主要用于克服尖軌與滑床板的摩擦力和尖軌自身彈性變形而產生的抗彎反力。

4)增加尖軌跟端工作邊軌底的刨切寬度可降低尖軌轉換時的扳動力，但不足位移會隨之增大。

5)改變尖軌跟端工作邊軌底的刨切長度對尖軌扳動力與不足位移的影響較小。