考慮外鎖閉裝置影響的高速道岔尖軌轉(zhuǎn)換力仿真研究

陳 嶸，方嘉晟，王 平，于 浩，徐井芒

(1.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，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換工況不良時(shí)，極有可能出現(xiàn)尖軌轉(zhuǎn)換力超限的問(wèn)題，從而導(dǎo)致尖軌無(wú)法轉(zhuǎn)換到位或是產(chǎn)生了較大的不足位移，對(duì)行車(chē)安全造成了極為不利的影響。為嚴(yán)格控制尖軌轉(zhuǎn)換力大小不超過(guò)轉(zhuǎn)轍機(jī)額定功率，合理的尖軌轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)十分必要。對(duì)于道岔轉(zhuǎn)換的控制研究，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)做了大量工作，沈長(zhǎng)耀等[1]提出了一種計(jì)算彈性可彎尖軌扳動(dòng)力的簡(jiǎn)易計(jì)算方法。Cedomir[2-3]首次應(yīng)用有限元方法分別建立了尖軌與可動(dòng)心軌轉(zhuǎn)換力計(jì)算模型，將尖軌與可動(dòng)心軌分解為多段等截面梁，對(duì)各段梁施加不同約束分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換力計(jì)算。Wang等[4]建立了30#高速道岔轉(zhuǎn)換有限元模型，研究分析了滑床臺(tái)摩擦系數(shù)、扣件橫向剛度等因素對(duì)轉(zhuǎn)換力及不足位移的影響。文獻(xiàn)[5-6]考慮道岔的變截面特性，首次系統(tǒng)地建立了高速道岔尖軌與心軌轉(zhuǎn)換計(jì)算理論體系，并探究了不同牽引點(diǎn)布置方式下轉(zhuǎn)換力與不足位移的變化規(guī)律。徐井芒等[7]建立了18#高速道岔轉(zhuǎn)轍器外鎖閉裝置有限元模型，對(duì)轉(zhuǎn)換鎖閉結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進(jìn)行了相應(yīng)研究。李斌[8]以42#道岔尖軌轉(zhuǎn)換為例，分析了多機(jī)多點(diǎn)牽引方式下道岔轉(zhuǎn)換同步性的影響因素，并提出了解決辦法。Camci等[9]利用傳感器采集了道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中力與電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提出了道岔轉(zhuǎn)換故障預(yù)測(cè)方法。Dutta等[10]通過(guò)聯(lián)合仿真在道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)引入了一種閉環(huán)控制器，基于自適應(yīng)校正算法實(shí)現(xiàn)了道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中不足位移的自動(dòng)調(diào)整。上述成果對(duì)道岔轉(zhuǎn)換控制及方案設(shè)計(jì)的深入研究起到了至關(guān)重要的作用，但以往研究中所有關(guān)于轉(zhuǎn)換力的計(jì)算僅分析了道岔尖軌或心軌克服橫向阻力作用時(shí)所需的轉(zhuǎn)換力大小，未考慮轉(zhuǎn)換鎖閉裝置運(yùn)動(dòng)對(duì)道岔轉(zhuǎn)換力的影響，并且計(jì)算結(jié)果均是針對(duì)轉(zhuǎn)換最終時(shí)刻，鮮有人關(guān)注轉(zhuǎn)換過(guò)程中道岔轉(zhuǎn)換力的變化規(guī)律，因此本文研究對(duì)提高道岔轉(zhuǎn)換力計(jì)算精度以及道岔轉(zhuǎn)換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要意義。

本文以18#高速道岔尖軌轉(zhuǎn)換為例，基于有限元方法建立了彈性可彎尖軌轉(zhuǎn)換分析模型，細(xì)化分解尖軌轉(zhuǎn)換動(dòng)作，探究了尖軌轉(zhuǎn)換力隨轉(zhuǎn)換時(shí)間的變化規(guī)律，并通過(guò)分析尖軌外鎖閉裝置運(yùn)動(dòng)與受力情況，揭示了外鎖閉裝置對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換力的影響機(jī)理，較準(zhǔn)確地模擬出了各牽引點(diǎn)鎖閉桿處的實(shí)際轉(zhuǎn)換力時(shí)程曲線，為高速道岔尖軌轉(zhuǎn)換過(guò)程分析與道岔轉(zhuǎn)換同步性研究提供了理論支撐。

1 尖軌轉(zhuǎn)換分析模型

轉(zhuǎn)換力計(jì)算是道岔轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，以往的傳統(tǒng)模型將道岔轉(zhuǎn)換視作尖軌或心軌克服橫向阻力運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，其計(jì)算所得結(jié)果實(shí)際為軌腰處作用力，而未考慮外鎖閉裝置解鎖或鎖閉階段各部件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)鎖閉桿處實(shí)際轉(zhuǎn)換力的影響。本文中尖軌轉(zhuǎn)換分析模型由尖軌扳動(dòng)力計(jì)算模型與外鎖閉裝置模型兩部分組成?；诩廛壈鈩?dòng)模型模擬了尖軌完整運(yùn)動(dòng)過(guò)程，計(jì)算得到尖軌軌腰處作用力時(shí)程曲線。同時(shí)結(jié)合外鎖閉裝置模型對(duì)轉(zhuǎn)換鎖閉結(jié)構(gòu)中各部件的運(yùn)動(dòng)與受力情況進(jìn)行了分析，并擬合得到了尖軌軌腰處作用力與鎖閉桿處實(shí)際轉(zhuǎn)換力的傳遞函數(shù)。

1.1 尖軌扳動(dòng)有限元模型

尖軌轉(zhuǎn)換過(guò)程中需克服反映于道岔牽引點(diǎn)的一切阻力，通常認(rèn)為道岔轉(zhuǎn)換阻力為

F=Fm+Ft+Fq

(1)

式中：F為道岔轉(zhuǎn)換阻力；Fm為可動(dòng)部件滑動(dòng)摩擦力；Ft為可動(dòng)部件反彈力；Fq為其他阻力。

根據(jù)高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)結(jié)構(gòu)，結(jié)合18#道岔尖軌轉(zhuǎn)換特點(diǎn)，建立了彈性可彎尖軌扳動(dòng)有限元模型。分析尖軌與基本軌的相對(duì)位置和尖軌跟端的約束條件即可確定尖軌轉(zhuǎn)換的位移邊界條件，尖基軌密貼力、牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換力及滑床板摩擦力確立了力的邊界條件。尖軌轉(zhuǎn)換原理示意見(jiàn)圖1，該模型中尖軌尖端，頂鐵，間隔鐵，扣件、岔枕及牽引點(diǎn)位置均對(duì)應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)，通過(guò)控制尖軌及基本軌節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)模擬尖軌、基本軌線形，圖1中i表示各變量的序號(hào)。采用文獻(xiàn)[12]中的相關(guān)計(jì)算假定，將尖軌視作截面線性變化的歐拉梁，僅在水平面內(nèi)發(fā)生橫向變形，并用二維梁?jiǎn)卧?Beam3)模擬尖軌、基本軌；模型中扣件起橫向阻力作用，采用非線性彈簧單元(Combin39)模擬；跟端間隔鐵用非線性彈簧單元(Combin39)模擬；尖軌與基本軌或頂鐵未接觸時(shí)，相互之間沒(méi)有作用力，當(dāng)尖軌與基本軌密貼或接觸頂鐵時(shí)，受到較大的密貼力與頂鐵力，尖軌密貼力與頂鐵反力作用可通過(guò)修改非線性彈簧單元(Combin39)參數(shù)實(shí)現(xiàn)變化。

為模擬尖軌轉(zhuǎn)換過(guò)程中尖軌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并得到尖軌軌腰作用力時(shí)程曲線，引入牽引點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間，轉(zhuǎn)換速度，外鎖解鎖時(shí)間等參數(shù)，以控制尖軌轉(zhuǎn)換動(dòng)作，通過(guò)在模型中對(duì)各牽引節(jié)點(diǎn)施加任意時(shí)刻下的尖軌位移，結(jié)合有限元軟件進(jìn)行求解可得牽引節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)支反力，此結(jié)果即為不同時(shí)刻狀態(tài)下尖軌軌腰作用力。

1.2 尖軌外鎖閉裝置工作原理

18#道岔尖軌轉(zhuǎn)換方式為三機(jī)三點(diǎn)牽引，不同牽引點(diǎn)處外鎖閉裝置結(jié)構(gòu)基本相同，由于篇幅限制本節(jié)僅以第一牽引點(diǎn)為例對(duì)模型進(jìn)行說(shuō)明。尖軌外鎖閉裝置由尖軌連接鐵、鎖閉框、鎖閉鉤、鎖閉桿組成，見(jiàn)圖2，圖2中Fgy表示尖軌軌腰作用力，F(xiàn)sbg表示鎖閉桿實(shí)際轉(zhuǎn)換力。轉(zhuǎn)換設(shè)備的鎖閉框安裝于基本軌處，通過(guò)連接鐵將尖軌與鎖鉤相連接，轉(zhuǎn)換過(guò)程中鎖閉桿發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng)并牽引尖軌完成轉(zhuǎn)換與鎖閉動(dòng)作[13]。

圖2 尖軌外鎖閉裝置結(jié)構(gòu)

將尖軌轉(zhuǎn)換過(guò)程分解為解鎖—轉(zhuǎn)換—鎖閉三個(gè)階段，外鎖閉裝置中的鎖鉤、鎖閉桿和尖軌連接鐵視作整體結(jié)構(gòu)。當(dāng)鎖鉤與鎖閉框發(fā)生接觸時(shí)，即解鎖階段與鎖閉階段，此時(shí)該整體結(jié)構(gòu)中存在三部分外力，分別為尖軌傳遞的荷載，鎖閉框傳遞的荷載，以及作用在鎖閉桿位置的支反力；當(dāng)鎖鉤脫離鎖閉框位置，即與鎖閉框相互分離時(shí)，為尖軌轉(zhuǎn)換階段，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)只需考慮尖軌傳遞的荷載以及作用于鎖閉桿處的支反力。尖軌轉(zhuǎn)換過(guò)程中，在外力作用下該整體結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，根據(jù)力的平衡關(guān)系可知，在轉(zhuǎn)換階段軌腰處作用力與鎖閉桿作用力相等，因此外鎖閉裝置運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)換力的影響主要體現(xiàn)在解鎖階段及鎖閉階段。

1.3 外鎖閉裝置運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)換力的影響規(guī)律

尖軌扳動(dòng)有限元模型中計(jì)算得到的是軌腰處作用力Fgy，而決定轉(zhuǎn)轍機(jī)功率大小的應(yīng)為鎖閉桿處實(shí)際轉(zhuǎn)換力Fsbg，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中外鎖閉裝置各部件發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其受力環(huán)境也不斷發(fā)生變化，因此需分別針對(duì)不同轉(zhuǎn)換時(shí)刻探究外鎖閉裝置各部件中力的相互作用關(guān)系。

假定尖軌軌腰處作用力Fgy與鎖閉桿作用力Fsbg應(yīng)存在一定的傳遞函數(shù)關(guān)系為

Fsbg=f(Fgy)

(2)

以關(guān)鍵部件接觸點(diǎn)及其接觸面積保持不變?yōu)樵瓌t簡(jiǎn)化外鎖閉裝置結(jié)構(gòu)，基于有限元法建立外鎖閉裝置模型以分析其動(dòng)作過(guò)程及受力狀態(tài)。為了更精確地模擬實(shí)際服役條件下道岔轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，分別對(duì)模型中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)約束條件：對(duì)鎖閉桿以及尖軌連接鐵施加豎向約束；由于鎖閉框?yàn)楣潭顟B(tài)，對(duì)其施加全約束；分別在鎖鉤和鎖閉框之間、鎖鉤和尖軌連接鐵之間、鎖鉤和鎖閉桿之間創(chuàng)建接觸區(qū)域。

根據(jù)上述原理建立了尖軌外鎖閉裝置模型，見(jiàn)圖3。其中尖軌連接鐵、鎖鉤、鎖閉框和鎖閉桿等構(gòu)件的材料參數(shù)均參照鋼，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖3 尖軌外鎖閉裝置有限元模型

表1 鋼材料參數(shù)表

對(duì)尖軌軌腰節(jié)點(diǎn)施加初始橫向作用力，根據(jù)所建模型即可計(jì)算得到鎖閉桿處相應(yīng)的支反力，以此求解出鎖閉桿處轉(zhuǎn)換力與尖軌軌腰處作用力之間的傳遞函數(shù)，根據(jù)該結(jié)果可分析得到外鎖閉裝置運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)換力的影響規(guī)律。對(duì)轉(zhuǎn)轍器區(qū)三個(gè)牽引點(diǎn)分別進(jìn)行建模計(jì)算，得到結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 解鎖階段計(jì)算結(jié)果

圖5 鎖閉階段計(jì)算結(jié)果

由圖4和圖5可知，在解鎖階段時(shí)，外鎖閉裝置的牽引作用使得尖軌與基本軌分離，同時(shí)鎖鉤與鎖閉桿上的凸臺(tái)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，直至鎖鉤脫離鎖閉框。在該階段鎖閉桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其受力狀態(tài)基本保持不變，因此不同鎖閉桿位移下的鎖閉桿轉(zhuǎn)換力與尖軌軌腰作用力映射關(guān)系差別較小；鎖閉階段時(shí)，鎖閉裝置牽引尖軌向基本軌貼近，隨著鎖閉桿持續(xù)動(dòng)作，轉(zhuǎn)換位移逐漸增大，鎖閉凸臺(tái)將從鎖鉤的解鎖凹槽中脫出，在該過(guò)程中鎖鉤燕尾部沿鎖閉鐵的斜面向上抬升。在鎖閉階段鎖鉤與鎖閉桿之間接觸的位置不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致鎖閉桿的支反力會(huì)逐漸變大。鎖閉桿處轉(zhuǎn)換力遠(yuǎn)小于尖軌軌腰處作用力，可見(jiàn)外鎖閉裝置優(yōu)化了鎖閉桿的受力環(huán)境，從一定程度上延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)換設(shè)備的服役壽命。

由計(jì)算結(jié)果可知，鎖閉桿位移相同時(shí)，尖軌軌腰作用力與鎖閉桿處轉(zhuǎn)換力可近似成線性關(guān)系。結(jié)合最小二乘法擬合計(jì)算結(jié)果，即可得到尖軌轉(zhuǎn)換不同階段下，尖軌軌腰作用力與鎖閉桿處轉(zhuǎn)換力之間的傳遞函數(shù)。

對(duì)于解鎖階段，三個(gè)牽引點(diǎn)計(jì)算結(jié)果最終擬合分別為

(3)

Fsbg=0.10Fgy

(4)

Fsbg=0.12Fgy

(5)

根據(jù)鎖閉階段的計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著鎖閉桿位移增大，鎖閉桿轉(zhuǎn)換力與尖軌軌腰作用力之間的線性函數(shù)斜率不斷增大，因此可以先建立鎖閉桿位移與傳遞函數(shù)斜率之間的映射關(guān)系。最終得到三個(gè)牽引點(diǎn)鎖閉階段的傳遞函數(shù)擬合結(jié)果分別為

(6)

(7)

(8)

式中：x為鎖閉桿的位移；k為尖軌作用力與鎖閉桿作用力函數(shù)關(guān)系的比例系數(shù)。

2 模型驗(yàn)證

2.1 計(jì)算參數(shù)

對(duì)于18#高速道岔，轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌總長(zhǎng)22.041 m，彈性可彎段長(zhǎng)度3.4 m，是半徑為1 100 m的相離曲線線形，定位狀態(tài)與反位狀態(tài)下尖軌密貼段長(zhǎng)度均為10.4 m，尖軌跟端類(lèi)型為彈性可彎，滑床臺(tái)摩擦系數(shù)取0.25，轉(zhuǎn)換方式為三點(diǎn)牽引，各牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換過(guò)程控制參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)換過(guò)程控制參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建尖軌轉(zhuǎn)換模型的正確性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得18#道岔轉(zhuǎn)換力的相關(guān)數(shù)據(jù)。不考慮夾異物以及安裝時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)程偏差影響，尖軌先由反位狀態(tài)扳動(dòng)至定位狀態(tài)，再由定位狀態(tài)重新轉(zhuǎn)換至反位狀態(tài)，重復(fù)10次上述過(guò)程以避免試驗(yàn)結(jié)果的偶然性。由于每次試驗(yàn)結(jié)果其轉(zhuǎn)換力規(guī)律性及數(shù)值大小均基本一致，此處僅取其中某次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以相同條件建立尖軌轉(zhuǎn)換模型并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)計(jì)算尖軌轉(zhuǎn)換力，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 反位至定位尖軌轉(zhuǎn)換力

圖7 定位至反位尖軌轉(zhuǎn)換力

通過(guò)圖6、圖7對(duì)比仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過(guò)仿真模型計(jì)算所得尖軌轉(zhuǎn)換力時(shí)程曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在規(guī)律性上基本一致，較好地模擬出了轉(zhuǎn)換力隨時(shí)間的變化規(guī)律。以定位扳動(dòng)至反位工況為例對(duì)轉(zhuǎn)換力時(shí)程曲線進(jìn)行定性分析，對(duì)于第一牽引點(diǎn)，該處尖軌最先運(yùn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)換力呈逐漸上升趨勢(shì)，而在第二牽引點(diǎn)尖軌開(kāi)始運(yùn)動(dòng)后，此時(shí)一、二牽引點(diǎn)間尖軌同步動(dòng)作，一動(dòng)轉(zhuǎn)換力減小，而二動(dòng)轉(zhuǎn)換力由于尖軌位移增加逐漸增大，同理在第三牽引點(diǎn)尖軌開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，二動(dòng)轉(zhuǎn)換力呈下降趨勢(shì)，但由于第二牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換速度大于第三牽引點(diǎn)，因此第二、三牽引點(diǎn)間尖軌線型發(fā)生一定變化導(dǎo)致二動(dòng)轉(zhuǎn)換力再次增大，第三牽引點(diǎn)由于尖軌位移逐漸增加轉(zhuǎn)換力呈增大趨勢(shì)。仿真得到的轉(zhuǎn)換力與試驗(yàn)結(jié)果相比規(guī)律基本一致但數(shù)值仍存在一定偏差，這是由于現(xiàn)場(chǎng)條件極為復(fù)雜，道岔實(shí)際轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在著較多阻力因素，在仿真模型中未能完全考慮，因此計(jì)算結(jié)果相比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略有偏差。

由仿真模型計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)其轉(zhuǎn)換力變化規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)換力基本相符，因此本文所建尖軌轉(zhuǎn)換模型具有一定的可信度，基于該模型所開(kāi)展的理論探究是合理可信的，同時(shí)可為現(xiàn)場(chǎng)道岔轉(zhuǎn)換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

3 轉(zhuǎn)換力影響因素分析

3.1 夾異物對(duì)轉(zhuǎn)換力影響

尖軌在完成轉(zhuǎn)換動(dòng)作后，需借助外鎖閉裝置進(jìn)行鎖閉，以確保尖基軌密貼。若在此過(guò)程中兩牽引點(diǎn)之間或尖軌牽引點(diǎn)位置存在夾異物，由于其剛度通常較大，會(huì)導(dǎo)致道岔難以鎖閉到位，尖軌不密貼致使過(guò)車(chē)時(shí)輪軌沖擊作用加劇，增大脫軌系數(shù)，對(duì)行車(chē)安全產(chǎn)生極為不利的影響[14-15]。為探究夾異物存在于道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)任意位置時(shí)對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換力的影響規(guī)律，在模型中各根岔枕節(jié)點(diǎn)處逐一設(shè)置不同尺寸夾異物，對(duì)相應(yīng)的尖軌節(jié)點(diǎn)施加約束以模擬夾異物作用。根據(jù)18#高速道岔設(shè)計(jì)圖，選取尖軌尖端至扣件前一根岔枕(4#～34#)逐枕設(shè)置夾異物，見(jiàn)圖8。夾異物尺寸取0～5 mm，變化步長(zhǎng)取1 mm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

圖8 18#道岔轉(zhuǎn)轍器岔枕布置

圖9 定位至反位尖軌轉(zhuǎn)換力

圖10 反位至定位尖軌轉(zhuǎn)換力

由圖9、圖10可知，存在夾異物時(shí)，尖軌完成轉(zhuǎn)換所需的力明顯增大，對(duì)各牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)換與鎖閉造成極大阻礙。當(dāng)夾異物接近某牽引點(diǎn)時(shí)，由于夾異物剛度較大，會(huì)使尖軌發(fā)生一定程度的撓曲，不利于尖基軌密貼，同時(shí)夾異物的存在對(duì)尖軌運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，會(huì)造成該牽引點(diǎn)處的轉(zhuǎn)換力明顯增大，并且由于夾異物尺寸相對(duì)于尖軌長(zhǎng)度而言很小，其產(chǎn)生撓曲的范圍較小，因此對(duì)相距較遠(yuǎn)的牽引點(diǎn)影響可以忽略。尖軌轉(zhuǎn)換力大小與夾異物尺寸呈正比關(guān)系，較大尺寸的夾異物會(huì)造成此處牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換力顯著增大。以轉(zhuǎn)轍器第二牽引點(diǎn)反位至定位轉(zhuǎn)換工況即圖10(b)為例，當(dāng)夾異物尺寸為5 mm時(shí)，尖軌轉(zhuǎn)換力已接近7 kN。當(dāng)夾異物尺寸達(dá)到 3 mm時(shí)各牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換力均有一個(gè)較為明顯的突變，可將此視作臨界值，應(yīng)在道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中注意排查。

3.2 錯(cuò)峰啟動(dòng)時(shí)間差對(duì)轉(zhuǎn)換力影響

作為道岔轉(zhuǎn)換力的影響因素之一，尖軌轉(zhuǎn)換的同步性是道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中尖軌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的直觀反映，其宏觀表現(xiàn)為尖軌各牽引點(diǎn)協(xié)調(diào)動(dòng)作，若不同牽引點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間差過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換過(guò)程難以同步，尖軌動(dòng)作不協(xié)調(diào)，同時(shí)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換設(shè)備的服役狀態(tài)產(chǎn)生不利影響。為探究錯(cuò)峰啟動(dòng)時(shí)間差對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換力的影響規(guī)律，本節(jié)以斥離尖軌同步到位作為標(biāo)準(zhǔn)工況，分別計(jì)算尖軌各牽引點(diǎn)錯(cuò)峰啟動(dòng)0.1～1.0 s時(shí)的最大尖軌轉(zhuǎn)換力，錯(cuò)峰時(shí)間步長(zhǎng)取0.1 s，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 定位至反位尖軌轉(zhuǎn)換力

圖12 反位至定位尖軌轉(zhuǎn)換力

圖11、圖12中坐標(biāo)負(fù)軸表示該牽引點(diǎn)先啟動(dòng)，正軸表示該牽引點(diǎn)后啟動(dòng)，由圖11、圖12可知，牽引點(diǎn)錯(cuò)峰啟動(dòng)時(shí)間差對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換力影響很大，當(dāng)各牽引點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間差為零，此時(shí)不同牽引點(diǎn)尖軌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本一致，道岔轉(zhuǎn)換同步性得到較好的控制，因此三個(gè)牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換力之和最小，即轉(zhuǎn)轍機(jī)總功率最小。當(dāng)某一牽引點(diǎn)先于其他牽引點(diǎn)開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，隨著啟動(dòng)時(shí)間差的增大，該牽引點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置尖軌與其余牽引點(diǎn)存在較為明顯的動(dòng)作差，產(chǎn)生相互牽制作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換力增幅明顯高于其他牽引點(diǎn)，并更易超出限值。任一牽引點(diǎn)較晚啟動(dòng)時(shí)，二動(dòng)轉(zhuǎn)換力都會(huì)有不同程度的增大，隨動(dòng)作時(shí)間差增大其幅值變化明顯。這是由于不同牽引點(diǎn)間存在動(dòng)作時(shí)間差時(shí)，在鎖閉桿牽引作用下尖軌線形變化不均勻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換力增大。不同工況中尤以第二牽引點(diǎn)先啟動(dòng)對(duì)道岔轉(zhuǎn)換最為不利，在啟動(dòng)時(shí)間差為0.2 s時(shí)二動(dòng)轉(zhuǎn)換力已超出限值。三個(gè)牽引點(diǎn)尖軌同時(shí)到位工況下，各牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換力分布合理，尖軌運(yùn)動(dòng)姿態(tài)較為均衡，因此在高速道岔轉(zhuǎn)換方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先考慮各牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換動(dòng)作的同步性。

4 結(jié)論

本文基于有限元方法首次建立了可分析完整道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程的18#高速道岔彈性可彎尖軌轉(zhuǎn)換分析模型，在考慮外鎖閉裝置運(yùn)動(dòng)影響的基礎(chǔ)上計(jì)算分析了尖軌轉(zhuǎn)換力隨轉(zhuǎn)換時(shí)間的變化規(guī)律，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所建模型進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)探究了夾異物與牽引點(diǎn)錯(cuò)峰啟動(dòng)時(shí)間差對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換力的影響，得出相關(guān)結(jié)論如下：

(1)尖軌轉(zhuǎn)換過(guò)程中外鎖閉裝置各部件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在解鎖階段與鎖閉階段對(duì)轉(zhuǎn)換力的影響尤為明顯，鎖閉桿處轉(zhuǎn)換力遠(yuǎn)小于尖軌軌腰作用力，外鎖閉裝置優(yōu)化了鎖閉桿的受力狀態(tài)。

(2)夾異物的存在不利于道岔的轉(zhuǎn)換與鎖閉，夾異物距牽引點(diǎn)越近則對(duì)該處轉(zhuǎn)換力影響越大，且轉(zhuǎn)換力與夾異物尺寸成正比，在夾異物尺寸為3 mm時(shí)，各牽引點(diǎn)轉(zhuǎn)換力均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯增幅。

(3)尖軌轉(zhuǎn)換力隨各牽引點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間差的增大整體呈上升趨勢(shì)，較大的動(dòng)作時(shí)間差不利于尖軌的線形控制，其中第二牽引點(diǎn)所受影響最為明顯，第二牽引點(diǎn)先啟動(dòng)工況下，動(dòng)作時(shí)間差為0.2 s時(shí)二動(dòng)轉(zhuǎn)換力已超過(guò)限值。