齒軌鐵路有砟軌道結構受力特性及關鍵參數研究

摘要 針對250‰的線路坡度和齒軌鐵路的結構特點，建立齒軌鐵路空間受力分析模型，分析列車縱向荷載作用下各個部件的受力變形情況及關鍵參數影響。經過計算，結論有：（1）在研究的3種工況下齒條最大縱向位移均滿足道床穩定判斷標準；（2）扣件的縱向阻力對結果影響顯著，建議齒軌有砟鐵路扣件采用較大的扣件阻力；（3）有縫線路方案軌枕位移量過大，超出了道床穩定條件，不建議齒軌鐵路采用有有縫線路。

關鍵詞 成都齒軌鐵路;有砟軌道;大坡度;關鍵參數

中圖分類號 U234 文獻標志碼 A

0引言

齒軌鐵路是為了克服普通鐵路在陡坡情況下黏著力不足而設計的一種專用鐵路（圖1）。目前，國外已建成的齒軌鐵路約180條，總里程超過3000km，主要分布在瑞士、德國、法國、奧地利、日本和澳大利亞等國家［1］。齒軌鐵路是在普通鐵路中間的軌枕上放置一條特別的齒軌，齒軌機車配備了一個或多個驅動齒輪，隨齒軌嚙合著行走，這樣便解決了黏著力不足的問題［2］。依靠輪軌黏著力的鐵路最大坡度為40‰，而齒軌鐵路最大坡度可達480‰（常用最大坡度250‰）［3］。

本文根據齒軌鐵路的結構特點及傳力特性，建立齒軌鐵路空間受力分析模型，分析列車制動荷載作用下各個部件的受力及變形情況，總結齒軌鐵路關鍵參數的影響。

1計算模型及參數

基于Abaqus有限元軟件，建立簡化的齒軌有砟軌道模型。

鋼軌、齒條和軌枕均采用兩結點空間線性梁單元B31來模擬，分別賦予相應的截面參數；齒條與軌枕之間通過共節點連接。扣件縱向阻力取4.8kN/節點·軌，膠墊垂向剛度為80kN/mm。扣件采用CONN3D2連接單元模擬。扣件縱向阻力采用雙線性，極限位移取0.5mm。膠墊垂向剛度按線彈性考慮。

軌枕采用C60混凝土，軌枕縱向道床阻力為6.6kN/枕，橫向道床阻力為4.5kN/軌（大坡度通過道床阻力的折減模擬）。軌枕縱、橫向阻力以及垂向支承剛度采用spring1非線性彈簧單元模擬，軌枕縱、橫向阻力采用雙線性，極限位移為2mm，垂向支承剛度只考慮受壓，不考慮受拉。

模型長度為300m，鋼軌單元長度為0.3m，軌枕單元長度為0.5m，齒軌單元長度為0.6m，共8014個節點，13021個單元，建立齒軌鐵路空間受力分析模型。

列車編組如圖2所示，考慮列車制動力全部作用在齒條上，3種加載工況：工況1為1號、2號、3號、5號、7號轉向架加載，列車單軸制動力取為70kN；工況2為1號、2號、3號、4號、5號轉向架加載，列車單軸制動力取為70kN；工況3為1號、2號、3號、4號轉向架加載，列車單軸制動力取為87.5kN。

2齒條及鋼軌位移

3種工況下齒條及鋼軌的縱向位移如圖3、圖4所示。3種工況作用下齒條縱向位移變形曲線類似，在加載點處存在突變，工況1作用下齒條最大縱向位移為1.594mm，位于2號轉向架后軸處；工況2作用下齒條最大縱向位移為1.784mm，位于3號轉向架前軸處；工況3作用下齒條最大縱向位移為1.966mm，位于2號轉向架后軸處。參考TB10015-2012《鐵路無縫線路設計規范》［4］，以軌枕位移2mm作為道床失穩條件，由于齒條與軌枕連接為固結，軌枕縱向位移與齒條縱向位移一致，因此，可根據齒條最大位移判斷軌道是否穩定。

3種工況作用下鋼軌縱向位移變形曲線類似，呈現先增大后減小的趨勢，工況1作用下鋼軌最大縱向位移為1.362mm，距離1號轉向架中心16.2m；工況2作用下鋼軌最大縱向位移為1.551mm，位于3號轉向架中心；工況3作用下鋼軌最大縱向位移為1.657mm，距離1號轉向架中心15m。

3扣件縱向阻力的影響

工況3作用下齒軌各部件縱向位移最大，取工況3的制動力加載模式進行扣件阻力參數分析。增加3種常阻力扣件，極限阻力分別為10kN/節點·軌、15kN/節點·軌和20kN/節點·軌。

3.1齒條縱向位移

4種扣件阻力作用下，齒條縱向位移如圖5所示。

對于3種扣件而言，隨著扣件阻力的增加，齒條縱向位移呈現減小的趨勢；3種常阻力扣件阻力作用下，齒條的最大縱向位移分別為2.033mm、1.988mm以及1.962mm。

3.2鋼軌縱向位移

3種扣件阻力作用下，鋼軌縱向位移如圖6所示。

對于3種扣件而言，隨著扣件阻力的增加，鋼軌縱向位移呈現增加的趨勢；3種常阻力扣件阻力作用下，鋼軌的最大縱向位移分別為1.581mm、1.632mm以及1.661mm。

4有縫線路的影響

齒軌鐵路大多應用于山地旅游軌道交通，為適應地形的復雜變化，線路敷設可能會采用較小曲線半徑，這種情況下鋪設無縫線路將會存在軌道結構穩定性問題，對于小半徑曲線范圍可采用有縫線路方案。但是針對齒軌鐵路有縫線路在較大的牽引制動力及溫度力的共同作用下軌道變形量是否過大需要進一步分析。本文以最高氣溫37.5℃，最低氣溫-5.9℃，鎖定軌溫31℃為例，接頭阻力根據TB10082-2012《鐵路軌道設計規范》［5］按200kN考慮，分析工況3加載方式下的計算結果如圖7所示。

根據計算結果可知，升降溫及車輛制動荷載作用下，齒條最大縱向位移分別為3.339mm、2.156mm，由于齒條錨固于軌枕上，于軌枕同步變形。因此，超過了軌枕位移2mm作為道床失穩條件，不建議齒軌鐵路鋼軌采用有縫線路。

5結論

（1）3種工況作用下齒條縱向位移變形曲線類似，齒條最大縱向位移均滿足道床穩定判斷標準，并且動力轉向架布置越緊密齒條位移量會隨著增加。

（2）鋼軌扣件的縱向阻力對結果影響顯著，隨著扣件阻力的增加，齒條縱向位移呈現減小的趨勢，鋼軌縱向位移呈現增加的趨勢，建議齒軌有砟鐵路扣件采用較大的扣件阻力。

（3）有縫線路的計算結果表明，實際運行工況下，軌枕位移量過大，超出道床穩定條件，不建議齒軌鐵路采用有縫線路。

參考文獻

［1］鄢紅英，徐銀光，李艷.齒軌在山地旅游軌道交通中的應用及工程化發展方向［J］.工程建設與設計，2018（21）：136-138.

［2］楊建鳴，孟強，姜旭.輕載齒軌機車動態穩定性研究［J］.機械研究與應用，2012（2）：103-107.

［3］尚勤，李廉楓，涂旭.國外齒軌鐵路技術的發展及運用［J］.機車電傳動，2019（2）：9-15.

［4］鐵路無縫線路設計規范：TB10015-2012［S］.

［5］鐵路軌道設計規范：TB10082-2017［S］.