跟端轨底刨切对尖轨转换影响的有限元分析

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(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

在我国高速铁路上使用的道岔尖轨多存在较大的转换不足位移。不足位移会引起尖轨不密贴、顶铁离缝偏大、轨向不良等病害，这些病害严重影响行车的安全性与稳定性。近年来，陆续有学者运用有限元软件对道岔尖轨进行仿真建模，分析摩擦因数、牵引点设置、密贴段刚度等因素对尖轨转换的影响[1-4]，但未对尖轨跟端轨底刨切对尖轨转换的影响进行研究。本文基于有限单元理论，以60kg/m钢轨18号单开道岔尖轨为例，通过MIDAS/Civil和ANSYS软件建立尖轨有限元仿真模型，研究尖轨转换阻力组成及跟端工作边轨底刨切对尖轨转换的影响。

1 尖轨模型

1.1 模型单元

尖轨采用二维变截面梁单元Beam 54模拟。将尖轨尖端、各特征截面、滑床板、牵引点、顶铁、辙跟垫板设为梁单元节点，使用MIDAS/Civil辅助计算各特征截面的截面特性数据。采用非线性弹簧Combin 39模拟尖轨与基本轨的密贴作用、顶铁的限位作用、扣件系统对钢轨的约束作用、滑床板及辙跟垫板对尖轨的支撑作用。

1.2 模型参数

1)尖轨扳动时，尖轨的残余应力与扳动力附加在尖轨上的应力之和在钢轨的抗拉强度之内，不会产生塑性变形积累现象[5]。因此，在尖轨扳动过程中认为尖轨材质为弹性材料，其弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3。

2)根据滑床板润滑状态及使用情况的不同，其动摩擦因数在0.107～0.210[6]。考虑滑床板磨耗腐蚀对滑床板摩擦因数的影响，尖轨与滑床板的摩擦因数取0.25。

3)扣件系统对尖轨有横向约束作用，横向刚度为25 MN/m；铁垫板对尖轨有竖向支撑作用，铁垫板竖向支撑刚度为50 MN/m；尖轨与基本轨密贴时的密贴刚度及顶铁与尖轨轨腰接触时的顶铁刚度均取100 MN/m。

1.3 模型假定

1)尖轨有限元仿真模型如图1所示。

图1 尖轨有限元仿真模型

2)在尖轨竖向模型中，设置了一段钢轨延长段以模拟导轨对尖轨的影响；在尖轨扳动模型中，尖轨扳动时尖轨跟端在4组扣件之后的位移非常小，因此将尖轨跟端第4、第5组扣件的跨中位置假定为尖轨的刚性固定端。

3)在尖轨竖向模型中施加重力，求解出每个滑床板处的竖向支撑力。该支撑力与摩擦因数的乘积是各个滑床板作用于尖轨上的摩擦力。摩擦力作用方向与尖轨扳动方向相反且不随尖轨的位移而发生改变。

4)尖轨扳动模型的初始状态为与基本轨密贴状态，然后将尖轨逐渐扳动至各牵引点达到设计动程的斥离状态，再由斥离状态扳回至密贴状态。在整个扳动过程中，各牵引点处的集中反作用力即尖轨各牵引点的扳动力，尖轨扳动前后的位置之差即尖轨不足位移。

1.4 模型优化

由于摩擦力的存在，尖轨在扳动的过程中会产生微小的变形，扳动最后阶段即尖轨与基本轨密贴时，牵引点前某处先贴靠基本轨，若牵引点继续扳动，则须克服尖轨与基本轨变形而产生的较大的密贴反力。此时，牵引点的扳动力会出现激增。

在实际线路中，由于道岔制造工艺、铺设技术的限制，在道岔转换过程中，尖轨与基本轨密贴段会存在一定的离缝[7-9]。

综合考虑尖轨与基本轨的密贴要求及减少扳动过程中激增段对整体数据的影响，对模型进行优化。优化措施为在尖轨扳回至贴靠状态时，将尖轨3个牵引点与基本轨完全密贴，改为尖轨第1、第2牵引点与基本轨密贴，第3牵引点与基本轨存在0.2 mm的离缝。优化前后尖轨各牵引点扳动力如图2所示。图中，0—1为尖轨扳开阶段；1—2为尖轨扳回阶段。

图2 尖轨扳动力

2 转换阻力分析

尖轨在扳开阶段时所需克服的阻力主要是尖轨与滑床板间的摩擦阻力和尖轨弹性变形而产生的抗弯反力。尖轨在扳回阶段时所需克服的阻力除上述2种阻力外，还包括尖轨与基本轨密贴时的密贴反力。

当摩擦因数为0时，尖轨转换只需克服尖轨弹性变形而产生的抗弯反力，且尖轨在转换过程中所须克服的抗弯反力的大小并不会随摩擦因数的变化而改变。摩擦因数分别是0和0.25时，尖轨各牵引点的最大扳动力见图3。

图3 有无摩擦力情况下尖轨最大扳动力

由图2(b)与图3可以发现：在滑床板摩擦因数为0.25时，牵引点扳动力中用于克服抗弯反力的比例较小；第1牵引点最大扳动力产生在密贴状态时，其主要用于克服尖轨与滑床板的摩擦力和尖轨与基本轨的密贴反力；第2、第3牵引点最大扳动力产生在斥离状态时，其主要用于克服尖轨与滑床板的摩擦力与尖轨自身弹性变形而产生的抗弯反力。

3 跟端轨底刨切的影响分析

客专线道岔采用对尖轨跟端工作边进行单侧轨底刨切的方式来降低尖轨的横向刚度[10-11]。通过尖轨仿真模型对不同工况下尖轨的扳动力及不足位移进行计算，分析尖轨跟端工作边轨底进行不同宽度与长度的刨切对尖轨转换的影响。尖轨跟端工作边轨底刨切如图4所示。

图4 尖轨跟端工作边轨底刨切示意(单位：mm)

3.1 刨切宽度的影响

在确定尖轨跟端轨底刨切长度为 3 600 mm 的前提下，用尖轨仿真模型分别计算对尖轨跟端工作边轨底进行不同宽度的刨切之后尖轨转换时所需的扳动力及转换后的不足位移，计算结果见表1。

表1 不同刨切宽度下尖轨扳动力及不足位移

由表1可知：随着跟端轨底刨切宽度的增加，尖轨第1牵引点最大扳动力基本不变，第2、第3牵引点的最大扳动力随之减小，最大不足位移随之线性增加。

3.2 刨切长度的影响

在确定尖轨跟端轨底刨切宽度为15 mm的前提下，用尖轨仿真模型分别计算对尖轨跟端工作边轨底进行不同长度的刨切之后尖轨转换时所需的扳动力及转换后的不足位移，计算结果见表2。

表2 不同刨切长度下尖轨扳动力及不足位移

由表2可见，随着跟端轨底刨切长度的增加，尖轨第1牵引点最大扳动力与最大不足位移基本不变，第2、第3牵引点最大扳动力略有减小，但减小幅度较小。

综上分析可见，对尖轨跟端进行轨底刨切可降低尖轨的整体量，从而减小尖轨在转换过程中所受的摩擦阻力，但由于刨切的质量所占尖轨跟端质量较小，减小的摩擦阻力占总摩擦阻力的比例非常小。

增加尖轨跟端轨底的刨切宽度可在一定程度上降低尖轨跟端的横向刚度，从而减小尖轨转换时的抗弯反力；而增加尖轨跟端轨底的刨切长度对尖轨跟端的横向刚度影响较小。因此，尖轨跟端轨底刨切宽度取值的变化对尖轨的扳动力与不足位移的影响较大；刨切长度取值的变化对尖轨的扳动力与不足位移的影响较小。

4 结论

通过建立客专线18号道岔尖轨有限元仿真模型，分析在有无摩擦力及不同尖轨跟端工作边轨底刨切宽度及刨切长度下尖轨扳动力及不足位移。主要结论如下：

1)尖轨在贴靠基本轨时，由于尖轨与基本轨间会产生密贴反力，从而导致尖轨扳动力激增。

2)尖轨第1牵引点最大扳动力产生在贴靠状态时，其主要用于克服尖轨与滑床板的摩擦力和尖轨与基本轨的密贴反力。

3)尖轨第2、第3牵引点最大扳动力产生在斥离状态时，其主要用于克服尖轨与滑床板的摩擦力和尖轨自身弹性变形而产生的抗弯反力。

4)增加尖轨跟端工作边轨底的刨切宽度可降低尖轨转换时的扳动力，但不足位移会随之增大。

5)改变尖轨跟端工作边轨底的刨切长度对尖轨扳动力与不足位移的影响较小。