重载铁路12号道岔轨道刚度均匀化研究

钱　坤，王树国，王　猛，葛　晶(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081)



重载铁路12号道岔轨道刚度均匀化研究

钱坤，王树国，王猛，葛晶
(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

摘要:为了减少重载运输对道岔轨道结构的损坏，调节道岔固有的轨道不平顺和刚度不均匀，通过建立道岔全长范围内的三维有限元模型，将道岔不同位置的扣件系统组合刚度实测值作为输入参数，计算得到了道岔轨道垂向刚度的分布情况。在此基础上，采用分级设置弹性垫层的方法对道岔轨道刚度均匀化进行了研究。有限元模型的计算结果表明，道岔全长均存在刚度不均匀，辙叉区刚度增大最为显著;采用分级设置弹性垫层的方法，可以将辙叉区的轨道刚度平均值降低24%，其他区域的变化不超过8%，基本实现道岔轨道刚度的均匀化。

关键词:道岔重载铁路轨道刚度均匀化有限元模型

1　概述

道岔的刚度设置及均匀化是一项立足于改善道岔服役性能，延长道岔使用寿命的实用性研究。在道岔结构设计和材料性能匹配的基础上，道岔轨道刚度优化还要关注列车通过道岔时，各项动力学参数的变化以及对车辆和轨道结构、道床路基等的影响。此外，还需综合考虑道岔全寿命周期中从铺设到养护维修直至更换的工程易用性和可行性。因此，道岔的刚度设置及均匀化研究是一项复杂的、系统性的工作。

重载线路上的道岔普遍工作在列车密度高和轴重大的区段，线路状态的恶化和轨道结构的破坏使其寿命大幅降低。现有的检测数据表明，重载道岔尖轨、心轨的疲劳伤损和磨耗，轨道的残余变形以及基床病害等问题十分严重，给养护维修造成了很大的困难，影响了整条线路的运输效率。为了更加有效地减少重载运输条件下对道岔轨道结构的损坏，调节道岔轨道不平顺和刚度不均匀，需要对道岔的整体轨道刚度进行充分研究，使其平稳过渡，从而优化线路状态的几何平顺性，减轻轮轨动力作用，从根本上提高重载列车运行的平稳性，保证车辆通过的安全可靠。因此，研究重载道岔的轨道刚度均匀化问题，对我国重载铁路运行的安全性、稳定性和经济性有着十分重要的意义。

本文借助新型75 kg/m钢轨12号固定型重载道岔的研制试铺这一契机，建立道岔轨道刚度计算模型，分析道岔沿线路纵向的垂向刚度分布规律，通过分级设置弹性垫层的方法，进行道岔轨道刚度均匀化的研究。

通过使用Midas/Civil软件，参照新型75 kg/m钢轨12号重载道岔设计图纸建立了包含转辙器、辙叉和连接部分的道岔有限元分析模型。为保证计算模型中沿线路纵向的支承情况尽可能符合实际铺设状况，通过对道岔不同位置的组合支点刚度进行实测，将数据带入模型计算，获取道岔全长范围内轨道刚度分布数据，并通过调整垫板刚度进行均匀化研究。

2道岔扣件系统组合刚度试验

2. 1试验方法

为了确保重载道岔刚度均匀化研究中计算的准确性，根据道岔布置图确定各岔枕位置铺设的轨下垫板和板下弹性垫层型号，通过试验的方法取得相应位置的扣件组合刚度数值，在模型中输入测试结果，作为模拟扣件支点刚度的线弹簧数值，以精确计算轨道的整体刚度。

道岔扣件系统组合刚度试验的环境温度为( 23± 2)℃。试验开始前，试验所用部件和设备在( 23± 2)℃的环境中至少静置24 h。扣件组合刚度的测试采用液压万能试验机，实验装置按照支承钢板、测试橡胶垫板、铁垫板及轨下垫板和短钢轨组合固定好放置在试验机上。间隔铁垫板厚度为25 mm，测试钢轨采用刨切过轨头的250 mm短钢轨。位移测试仪布置在短钢轨四角，以位移计平均读数作为试验结果。试验开始前进行2次100 kN的预载，正式试验采用1 kN/s的加载速度，加载到20和80 kN时，静置30 s再读数，每次试验重复2次并取平均值计入最终结果。试验所用不同型号弹性垫层如图1所示。

图1不同型号弹性垫层

2. 2试验结果

根据上述试验方法，在实验室内对8种不同型号的垫板进行测试，实测扣件系统组合刚度见表1。其他型号垫层的组合刚度采用插值计算后的数据进行模拟。

表1实测扣件系统组合刚度

3重载道岔轨道刚度计算及均匀化研究

道岔的结构形式复杂，部件众多，在建立道岔有限元计算模型时存在诸多需要特殊考虑的问题。以单开道岔为例:在纵向上，钢轨逐渐由2股变为4股，部分钢轨截面随之改变，岔枕长度随钢轨延伸也逐渐变化;横向上，钢轨间存在间隔铁、螺栓等联结部件，尖轨下布置滑床板，辙叉区使用共用垫板;轨下基础上，碎石道床存在不易捣鼓的区段，道床和路基的横截面随道岔延伸发生变化。所有这些固有的结构特点都会引起道岔轨道刚度的不均匀变化，使得道岔的刚度问题更加复杂。

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3. 1建立模型

铁科院为朔黄铁路研制的75 kg/m钢轨12号固定型辙叉单开道岔(研线1121)采用全新的线型、扣件和岔枕，并采用了“直曲组合型”尖轨、心轨加宽和降低值优化等延长道岔使用寿命的结构创新技术。该道岔全长37 800 mm、前长16 592 mm、后长21 208 mm、导曲线半径350 000 mm。75 kg/m钢轨12号单开道岔平面线型见图2。

本文使用Midas/Civil软件建立了道岔的三维全尺寸模型，该模型充分考虑了道岔特殊的结构形式和承载特点，包括不同区段钢轨截面的变化，间隔铁对辙叉心轨和翼轨的高强联结，转辙器处滑床板对尖轨的单向支承，通长铁垫板和橡胶垫层的长度变化等，道岔三维模型见图3。

在对以上结构进行合理简化的基础上，按照道岔总布置图共建立了全长范围内的89根岔枕模型。为了减少边界受力对模型计算产生的影响，在道岔前、后分别设置了10根、5根过渡枕，模型共计109根轨枕。道岔基本轨采用75 kg/m钢轨，使用等截面梁进行模拟;尖轨采用矮型断面特种钢轨刨切而成，跟部锻压成标准75 kg/m轨断面，从尖端至跟端逐渐升高变宽，使用分段等截面梁进行模拟;合金钢组合式辙叉截面形状较为复杂，叉心采用变截面梁进行模拟，并适当进行简化。翼轨采用分段等截面梁进行模拟，相邻轨枕间固定为一个单元;岔枕、护轨和间隔铁均采用梁单元模拟。道床的支承刚度采用面弹簧模拟;扣件支点刚度模拟为点—点之间的弹性连接。为了保证滑床板处尖轨的受力情况与实际一致，在尖轨处设置只受压的弹性连接，其他部位采用普通弹性连接。

图3道岔三维模型

3. 2结果分析

3. 2. 1道岔轨道刚度计算结果

利用上述模型，采用节点动力时程荷载函数模拟转向架荷载，计算出道岔全长范围直向、侧向的整体刚度分布数据。

道岔轨道刚度计算结果见表2。由表2可知，直向、侧向过岔时轨道的整体刚度差异并不大，分布规律也相似，但里轨和基本轨的刚度分布差异显著，里轨的刚度整体上大于基本轨。

表2道岔轨道刚度计算结果　kN/mm

道岔轨道刚度分布见图4。从图中可以看到，在转辙器区，由于里轨前端尖轨的截面变化和滑床板的作用，里轨刚度由小于基本轨刚度逐渐增大，甚至超过了基本轨的刚度;进入连接部分后，里轨的刚度又下降到和基本轨刚度相当。在辙叉区，里轨刚度在54～62号岔枕急剧增大，远超过基本轨的刚度数值。这是因为新设计道岔采用翼轨加强型合金钢组合式辙叉，心轨和部分翼轨作为一个整体和弯折后的翼轨通过大间隔铁组装在一起，使辙叉的质量和截面大小都远高于区间轨道，并且通过间隔铁使翼轨共同受力。另外，心轨和两端翼轨还采用通长铁垫板支承，进一步加强了辙叉区域的整体性。

3. 2. 2刚度均匀化措施

通过合理的均匀化措施可以降低道岔的垂向动态不平顺，改善轮轨间的动力作用，从而保证道岔安全使用。实现均匀化的过程需要综合考虑道岔使用中的诸多因素。首先，需要对道岔钢轨的变形进行验算，得到道岔刚度的分布规律，并确定不平顺程度相对严重的区域。其次，通过分析道岔的结构特点，对刚度变化较大的区域进行过渡处理，使刚度变化曲线趋于平缓，尽可能减少动态不平顺的产生。最后，还要考虑到道岔刚度均匀化的方法在现场要易于实现。道岔刚度均匀化的计算过程往往需要重复进行，以找到最合理的方案。

图4道岔轨道刚度分布

在以上方法的指导下，讨论道岔实际铺设时可能影响刚度变化的各种原因，从而确定具体的优化方法，详细分析如下。

1)轨道各部件结构和材料的变化都可能引起轨道整体刚度的变化。对于钢轨、间隔铁和滑床板等部件均在道岔选型和设计阶段就已经针对道岔的使用条件、寿命和结构稳定性等选定，后期不宜改变。

2)通过改变道砟级配、材质来改变道床支承刚度的方法，既不易于现场施工，又无法在短距离内实现精确的调整和保持，并且后期养护维修工作难度极大，不适合采用此方法。

3)扣件系统中提供弹性的部件主要是轨下胶垫和板下弹性垫层。在新型75 kg/m钢轨12号固定型重载道岔采用的扣件系统中，轨下胶垫主要起缓冲作用。考虑重载线路道岔轨道横向力较大，并且转辙器区尖轨和基本轨的动态位移不易过大，故轨下胶垫刚度不易设置过低。而铁垫板下弹性垫层弹性较大，提供了轨道足够的弹性，所以通过改变铁垫板下弹性垫层的刚度实现道岔刚度均匀化是一种可行的手段。

由上述分析可知，道岔刚度均匀化必须要通过扣件系统完成。考虑到垫板的实际生产水平和现场铺设时的实际情况，弹性垫层刚度设置不宜太过复杂，应采取适当简化的分级设置，避免不易铺设和更换复杂。

3. 2. 3刚度均匀化计算结果

为了保证扣件系统正常使用，综合考虑扣件抵抗横向力的能力和轨距扩大限值，根据现场实际经验，均匀化采用的分级弹性垫层刚度下限设为40 kN/mm。通过2种不同方案进行均匀化计算:方案1采用8级刚度分组，不进行连接部分的过渡;方案2则考虑轨道整体刚度沿线路纵向逐渐过渡，共采用10级分组。

道岔轨道刚度均匀化计算结果见图5。由图5可以看出:以直向通过为例，方案1和方案2都有效地降低了辙叉区的里轨轨道刚度，最大值分别降低了68. 0 和66. 8 kN/mm;辙叉区平均值则分别降低了24%和19%。在转辙器区域和导曲线部分，里轨的刚度数值变化也减小到8%以内，基本轨的刚度则保持在130 kN/mm附近，基本消除了转辙器区滑床板和辙叉区护轨的影响，达到了均匀化的效果。考虑到方案1、方案2的效果相似，而现场实际铺设时应尽量降低施工难度，所以采用垫板刚度分级较少的方案1更为合适。

图5道岔轨道刚度均匀化计算结果

4结论

1)扣件系统组合刚度试验测试值分布在75. 1～121. 7 kN/mm，为计算中模拟道岔现场铺设状态提供了准确的输入参数。

2)道岔轨道刚度计算数据表明，在转辙器区和辙叉区均存在刚度不均匀的情况，辙叉区尤为严重，刚度最大值为292. 8 kN/mm，最小值为107. 0 kN/mm。

3)道岔轨道刚度均匀化计算数据表明，通过分级设置弹性垫层的方法可以有效降低道岔刚度的变化，刚度最大值降低了68. 0 kN/mm，辙叉区平均值降低了24%，其他区域刚度变化控制在8%以内。

参考文献

［1］王树国，葛晶，王猛，等．重载铁路12号道岔设计［J］．铁道建筑，2013( 12) : 98-102．

［2］赵国堂．铁路轨道刚度的确定方法［J］．中国铁道科学，2005，26( 1) : 1-6．

［3］肖俊恒．客运专线无砟轨道刚度的研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2009．

［4］孙加林．重载铁路道岔动力性能及刚度均匀化研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2012．

［5］肖俊恒．客运专线扣件系统弹性指标的研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2006．

［6］钱坤．重载铁路12号道岔刚度取值及均匀化研究［D］．北京:中国铁道科学研究院，2014．

(责任审编郑冰)

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《铁道建筑》编辑部

Research on track stiffness homogenization for heavy haul railway No．12 turnout

QIAN Kun，WANG Shuguo，WANG Meng，GE Jing
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:In order to reduce the damage to the turnout track structure under heavy haul transportation and adjust track irregularity and non-uniform stiffness，the three-dimensional finite element model of the entire length of the turnout was established．T aking the measured value of the combined stiffness of the fasten system at different positions of the turnout as the input parameters，the calculation of turnout vertical stiffness distribution was obtained．On this basis，the tie plate grading arrangement was adopted to raise the research on homogenization of turnout track stiffness．T he calculation results of finite element model of turnout show that non-uniform stiffness is occurred along the turnout and increases significantly in crossing area．By using the tie plate grading arrangement method，the average stiffness of crossing area reduces 24% and changes of other areas are less than 8%．T he purpose that homogenized turnout track stiffness is basically achieved．

Key words:T urnout; Heavy haul railway; T rack stiffness; Homogenization; Finite element model

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0072-04

中图分类号:U213．6

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．15

作者简介:钱坤( 1988—)，男，研究实习员，硕士。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划项目( 2014G002-D)

收稿日期:2015-11-30;修回日期: 2015-12-28