高速道岔尖轨转换锁闭力计算分析

于 浩,王 平,徐井芒,钱 瑶,孙晓勇

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031；2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司,北京 100166)

高速道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道的线路设备，其轮轨接触关系复杂，对行车的平稳与安全产生了严重的影响。道岔尖轨转换是影响高速道岔平顺性的关键一环，但在实际运营过程中道岔转换卡阻问题时有出现。故为保证列车过岔的安全性与平稳性尖轨转换设计计算尤为重要。

国内学者一直以来都在对道岔转换扳动力的计算进行研究。有学者首先提出建立一端为固定端，另一端为活动端的弹性可弯尖轨双牵引点的数学模型计算扳动力，真实地模拟了尖轨的弹性变形受力[1-2]。在此基础上，逐渐将扳动力、摩擦力、密贴力、反弹力等因素考虑到模型中，并完善了多点牵引时弹性可弯尖轨、单肢及双肢弹性可弯心轨扳动力计算理论，为多点牵引的转换扳动力计算建立了基础[3-6]。随着弹性道岔钢轨扳动力计算理论的发展，人们开始研究滑床板摩擦系数、不足位移、夹异物、扣件刚度等对不同道岔转换的影响[7-12]。道岔转换扳动力计算的方法虽然在逐步发展，并且将越来越多道岔转换的影响因素考虑到转换模型中，但与实际测得的扳动力仍有较大差距。实际工程中道岔转换扳动力是由测量仪器对转辙机的输出力监测所得，而转辙机的输出力直接作用于锁闭杆上通过锁闭装置对尖轨进行牵引。李方太等[13]通过建立锁闭装置的有限元模型，对其施加静态的列车荷载对锁闭装置的强度进行了分析。徐井芒等[14-16]通过对道岔钢轨和转换锁闭装置的横向耦合，得到了锁闭结构的动态受力性能。既有研究的尖轨转换扳动力计算主要侧重于扣件横向刚度、顶铁反力、滑床板摩擦力等对道岔转换的影响[17-18]，其计算所得尖轨转换力实际为转换过程中尖轨轨腰处受到的作用力，而实际转换扳动力为锁闭杆受到的转辙机牵引力。因此本文提出锁闭装置中的锁闭杆受到的锁闭力，其可更精确的表示尖轨转换扳动力。

以18号高速道岔及新外锁闭装置为研究对象，分别建立尖轨轨腰力计算模型和外锁闭装置受力计算模型，提出高速道岔尖轨转换锁闭装置锁闭力的计算方法，探究锁闭装置对尖轨转换计算的影响，揭示尖轨转换锁闭力随夹异物大小、夹异物位置变化的规律。

1 计算模型

道岔尖轨转换锁闭力由尖轨弹性变形产生的恢复力、道岔其他各部件的阻力和锁闭装置共同决定。分别建立尖轨转换轨腰力计算模型和锁闭装置受力计算模型。首先得到牵引点处的尖轨轨腰处作用力，将其作为初始荷载施加于锁闭装置受力计算模型中，最终得到尖轨牵引点处锁闭力。

1.1 尖轨转换轨腰力计算模型

基于有限元理论，建立尖轨转换轨腰力计算模型如图1所示。建模过程参考文献[7]，模型中充分考虑了道岔尖轨转辙器区结构的真实状态，道岔尖轨采用变截面欧拉梁模拟尖轨横向抗弯刚度产生的横向力，在特定部位以集中力的形式模拟滑床台板对道岔尖轨的摩擦作用，将尖基轨贴靠时产生的密贴力、顶铁反力和扣件对模型的横向阻力使用非线性弹簧模拟，考虑边界效应对模型计算的影响，在尖轨根端施加固定约束。

采用变分形式的最小势能原理求解道岔尖轨转换力，在所有满足边界条件的协调位移中，满足平衡条件的位移将使系统的总势能成为极值，即

δU+δV=0

(1)

式中，δU、δV为系统总应变能和总势能的一阶变分。在导出各项能量的变分表达式后，即可形成系统的刚度矩阵及荷载列阵，通过在系统力学平衡方程组中补充相应的位移协调条件，最后通过迭代计算直到所求轨腰力满足要求为止，具体过程参考文献[19-20]。

图1 尖轨转换轨腰力计算模型

1.2 外锁闭装置受力计算模型

本文重点在于建立外锁闭装置受力计算模型，通过探究外锁闭装置的传力机理从而对锁闭杆锁闭力进行求解。以18号高速道岔尖轨转换新外锁闭装置为研究对象，图2为第一牵引点处锁闭装置结构，锁闭装置由弹性辊轮、锁闭框、尖轨连接铁、锁闭钩、锁闭杆等部件组成。其他牵引点处的转换锁闭装置结构与此相同，故不再赘述。转换过程中转辙机首先对锁闭杆施力；锁闭杆将作用力通过接触作用传递至锁闭钩；在弹性辊轮和螺栓的共同作用下锁闭钩将力作用于连接铁；最后通过尖轨连接铁对尖轨施加转换力。当锁闭杆向左运动时，锁闭杆凸台A左侧斜面与锁闭钩B右侧斜面会发生相对滑动，使得锁闭钩绕C处螺栓顺时针转动。左侧被抬起的锁闭钩会使弹性滚轮及与其相连接的锁闭框向上运动，将尖轨固定于基本轨。

图2 新外锁闭结构

新锁闭装置受力主要在与尖轨纵向垂直的平面内。锁闭装置实际结构比较复杂，在保证锁闭装置各部件接触点位置与接触面积不变的前提下，为便于计算，将实际三维锁闭结构简化为二维有限元模型。如图3所示。

图3 尖轨转换锁闭简化结构

基于有限元理论，尽可能真实地考虑外锁闭装置几何形状，使用4节点不均匀实体单元进行计算，装置中各部件之间采用“面-面”接触算法进行接触计算，使用刚度阻尼单元简化螺栓的支承连接作用。如图3所示，连接铁①和连接铁②主要通过穿插在其中的螺栓进行力的传递，分别将连接铁①和连接铁②位于螺栓两侧的部分用大刚度弹簧连接，使简化结构中分离的连接铁成为整体，将各部分连接铁与螺栓重合的部分分别建立接触单元，在连接铁①和连接铁②之间的间隙处存在盖板对连接铁①起到一定的支承作用，使用碟簧B40替代其支承作用；尖轨连接铁与连接铁②之间通过部件表面的接触挤压和螺栓的支承完成力的传递，使用碟簧B56代替螺栓的支承作用，同时在两部件有可能发生接触的位置建立接触单元以模拟力的传递；为使作用力从连接铁①传递至锁闭杆，需在特定传力位置建立其他接触单元来模拟受力作用。此外，还需在锁闭杆底部，尖轨连接铁底部以及弹性滚轮质心处添加边界条件，约束模型的运动及变形，使其符合外锁闭装置真实的运动状态。

采用有限元方法离散后模型在时刻t的动力响应方程为

(2)

1.3 计算参数

尖轨转换模型计算参数参考60 kg/m钢轨18号单开道岔：尖轨总长22.041 m，扳动到正位时的密贴段长10.4 m，扳动到反位时的密贴段长10.4 m，尖轨跟端类型为弹性可弯。

本文采用三点分动外锁闭的牵引方式：第1牵引点距尖轨尖端0.48 m，动程为0.22 m，牵引点运动速度为0.169 m/s；第2牵引点距尖轨尖端5.28 m，动程为0.22 m， 牵引点运动速度为0.169 m/s；第3牵引点距尖轨尖端10.68 m，动程为0.15 m，牵引点运动速度为0.115 m/s。尖轨与基本轨贴靠时，尖轨贴靠部位支撑刚度取为50 kN/mm；顶铁支撑刚度取为基本轨横向支撑刚度100 kN/mm；尖轨末端受扣件横向约束，取横向刚度为50 kN/mm。

锁闭结构中除弹性滚轮其他材料均为钢材，具体参数见表1。

表1 模型参数

2 尖轨转换锁闭力计算分析

道岔尖轨锁闭力的大小不仅与尖轨的不足位移、滑床板的摩擦系数、扣件横向刚度有关，外锁闭装置的结构与尖轨牵引点处的夹异物对其也存在显著的影响。转辙机输出的锁闭力在通过外锁闭装置传递至尖轨的过程中会受到其本身结构的影响而产生变化。夹异物的存在对锁闭装置运动产生较大阻碍作用，使尖轨完成锁闭异常困难。故主要研究锁闭力的求解方法以及在锁闭过程中夹异物对锁闭力的影响。

2.1 理想情况尖轨转换锁闭力计算

应用尖轨轨腰力计算模型，得到高速道岔尖轨转换第一牵引点尖轨转换力，将其作为初始激励施加到外锁闭装置受力计算模型中，建立锁闭装置中锁闭杆锁闭力与尖轨轨腰力之间的映射关系，通过映射关系即可得到锁闭杆的锁闭力。

2.1.1 尖轨轨腰力与锁闭力传递关系

在尖轨转换过程中，外锁闭结构各部件的位置姿态随着锁闭杆的移动在不断变化，不同位置状态的锁闭结构传力效率彼此不同，因此需要在时域内建立多个不同时刻的锁闭装置有限元模型。由于尖轨转换模型求得的尖轨轨腰处作用力随转换时间不断变化，为了提高计算效率，针对每个位置状态下的锁闭结构，建立尖轨轨腰力与锁闭力的映射关系。由于外锁闭装置只在斥离轨解锁阶段及密贴轨锁闭阶段对锁闭力有较为显著的影响，加之限于篇幅，本文仅摘取尖轨第一牵引点处锁闭装置由定位至反位阶段的关键数据进行分析。

图4 尖轨作用力与锁闭杆作用力的映射关系

为保证锁闭装置受到的作用力不超过转辙机的额定牵引力4 200 N，分别对尖轨施加0～4 200 N的尖轨轨腰作用力，得到第一牵引点尖轨转换解锁和锁闭过程中锁闭结构尖轨轨腰力与锁闭力的映射关系。计算结果见图4。当高速道岔尖轨转换锁闭装置处于解锁阶段(锁闭杆位移0～33.6 mm)时，尖轨在锁闭装置的牵引下远离密贴的基本轨，同时锁钩在锁闭杆的凸台上滑动，直至锁钩与锁闭框脱离。该阶段，由于锁闭结构各部件的接触关系变化不大，随着锁闭杆的移动映射关系的比例系数基本不变。在锁闭阶段(锁闭杆位移146.5～220 mm)，此时的尖轨在锁闭装置的牵引作用下靠近基本轨。随着锁闭杆位移的增大，锁闭杆上的锁闭凸台会逐渐从锁钩的解锁凹槽中滑出，并抬起锁钩的燕尾部，使其沿锁闭铁的斜面上移，由于在锁闭的过程中锁闭杆与锁闭钩之间接触的位置不断变化，导致映射关系的比例系数随锁闭杆位移增加而逐渐减小，直至锁钩滑至锁闭杆凸台顶部后，比例系数维持稳定。当锁闭杆处于解锁阶段与锁闭阶段即将结束时，锁闭钩均位于锁闭杆的滑动凸台上，因此二者锁闭杆锁闭力与尖轨作用力之间的映射关系近似。

由上述分析可知，尖轨轨腰力与锁闭力的映射关系按一定的规律随锁闭杆位移变化，其比例系数主要受到外锁闭装置各部件位置状态的传力效率影响。因此，可以通过优化外锁闭装置的结构，优化转辙机的工作效率。

2.1.2 尖轨轨腰力与锁闭力的对比

依据最小势能原理，得到18号高速道岔三个牵引点的尖轨转换力时程曲线，如图5所示。将第一牵引点尖轨轨腰力作为激励施加在外锁闭装置模型中，通过尖轨轨腰力与锁闭力的映射关系得到锁闭杆的锁闭力。

图5 尖轨轨腰力随时程曲线

图6 锁闭力与尖轨轨腰力时程曲线的对比

图6中将锁闭杆锁闭力与尖轨轨腰力时程曲线进行对比。可以发现，锁闭力与尖轨轨腰力在尖轨转换的过程中变化的规律一致，当密贴尖轨开始解锁时，锁闭装置各部件间力的接触作用状态未发生较大变化，因此二力各自以一定的比例系数均匀增大；直到解锁完成锁闭钩与锁闭杆分离，锁闭力因锁闭装置内部受力情况变化而突变；在锁闭杆带动已解锁的密贴尖轨向另一侧移动且斥离尖轨未开始锁闭前，锁闭力与尖轨轨腰力相差不大；当斥离尖轨贴靠基本轨时，外锁闭装置开始对尖轨进行锁闭，由于外锁闭装置内部结构的变化，使尖轨锁闭进行的相对容易，此时锁闭力逐渐减小。在锁闭杆位移为166 mm时，尖轨轨腰力与锁闭力均达到最大值，分别为1 006 N和796 N，最大扳动力降低约21%。由此可见，外锁闭装置对道岔转换锁闭力的影响显著，在进行道岔尖轨转换设计计算时，应当考虑外锁闭装置结构的传力机理对锁闭力的影响。

2.2 夹异物对尖轨转换锁闭力的影响

道岔通过外锁闭装置进行轨道转换，保证尖轨或心轨与基本轨的密贴。当尖轨牵引点及牵引点间有异常坚硬的物体(夹异物)存在时，尖轨虽受到锁闭装置的牵引作用但是不能继续向基本轨靠近，导致尖轨、基本轨不能密贴。由连接转辙机的锁闭杆直接通过外锁闭装置提供给尖轨牵引作用，因此当道岔转换过程中存在夹异物时，外锁闭装置的受力与运动情况对道岔转换力的计算存在不可忽略的影响。

同样以18号高速道岔尖轨第一牵引点处存在夹异物为例，计算夹异物对尖轨转换锁闭力的影响。为尽可能真实的模拟牵引点处存在夹异物的情况，应用上述外锁闭装置受力计算模型，对尖轨施加横向约束来模拟夹异物阻止尖轨向基本轨靠近的运动过程，对锁闭杆施加横向位移来模拟夹异物对尖轨转换的影响。

因夹异物尺寸的大小影响锁闭钩与锁闭杆接触的初始状态，夹异物越小则锁闭钩滑上锁闭杆凸台所需的位移越大。为保证外锁闭装置可以完成锁闭动作，即锁闭钩沿锁闭杆凸台斜面上滑到顶端，如图7所示为锁闭杆施加位移前后锁闭钩与锁闭杆的相对位置，可以发现锁闭钩与锁闭杆接触位置发生了明显的变化，相对位置的变化基本符合真实状态下的转换锁闭结构的运动状态。

图7 锁闭钩与锁闭杆相对位置变化

为探究外锁闭装置存在不同尺寸夹异物的情况下锁闭过程中锁闭杆受力的变化趋势，以外锁闭装置开始进行锁闭动作时锁闭杆的位置为初始状态，再对锁闭杆依次施加1～6 mm横向位移。计算结果如图8所示，可以看出当夹异物尺寸分别为1，2，4 mm时，锁闭杆锁闭力均呈现先增大后减小的规律，但锁闭杆锁闭力出现峰值的位置却存在一定的差异。当锁闭杆锁闭过程中锁闭杆作用力达到峰值时，其位移分别为2，3，5 mm，即夹异物尺寸越大外锁闭装置从开始锁闭至达到最大锁闭力所需的锁闭杆位移越大。

图8 锁闭过程锁闭力变化规律

上述存在夹异物时锁闭力的计算仅考虑了外锁闭装置自身结构受到的力学响应，而未将尖轨自身因弯曲变形产生的弹性恢复力考虑其中。将尖轨受到的弹性恢复力作为外锁闭装置的初始激励，求解即可建立尖轨轨腰处作用力与锁闭装置在锁闭过程中锁闭杆锁闭力最大值的映射关系，如图9所示。可见相同夹异物尺寸的情况下，转换锁闭力随尖轨轨腰力的增大基本呈线性增加。当尖轨作用力相同时，夹异物尺寸越大，尖轨转换锁闭力也在逐渐增加。过大的夹异物将导致锁闭力不能达到要求，使尖轨、基本轨无法完成密贴。

图9 存在夹异物时尖轨作用力与锁闭力的映射关系

由尖轨遇到夹异物时受到的尖轨轨腰力与图9锁闭杆锁闭力与尖轨轨腰力的映射关系可以得出尖轨转换最大锁闭力数值。图10为3个牵引点分别存在夹异物时各个牵引点最大锁闭力的计算结果，可见牵引点处夹异物对锁闭力影响很大，较大尺寸的夹异物会造成该处的尖轨转换受到阻碍，导致锁闭力增大。当夹异物位于某牵引点处时，会造成该牵引点处的锁闭力显著增加，而对其他牵引点处的锁闭力却影响较小。而夹异物尺寸越大牵引点处的锁闭力也会随之增大。当牵引点存在4 mm夹异物时，对应牵引点处的锁闭力大小均大于转辙机的额定功率4 200 N，导致尖轨无法与基本轨完成密贴。因此为了保证列车的过岔安全，要对夹异物进行定期的清理。

图10 各牵引点处夹异物对锁闭力的影响

3 结论与建议

以18号高速道岔尖轨转换为例，基于有限元理论计算了新外锁闭装置对尖轨转换锁闭力的影响，得到了以下结论。

(1)本文提出的尖轨转换锁闭力计算模型，不仅考虑了尖轨在转换过程中受到的摩擦力、密贴力及扣件横向刚度等因素，还考虑了外锁闭装置的传力机理对尖轨转换的影响，可为高速道岔尖轨转换的优化计算提供参考。

(2)尖轨转换锁闭力在密贴尖轨锁闭过程中其最大锁闭力与既有的尖轨轨腰力相比可降低21%，可见锁闭装置对尖轨转换的影响颇为显著。因此，在锁闭结构设计时，应当注意优化其结构，提高转辙机牵引力的传递效率。

(3)当牵引点处存在夹异物时，对该牵引点处的锁闭力有明显的影响，且随夹异物尺寸的增加而明显增大，但对其他牵引点的锁闭力影响较小；夹异物尺寸越大，外锁闭装置从开始锁闭至达到最大锁闭力所需的锁闭杆位移越大；当牵引点存在4 mm夹异物时，对应牵引点处的锁闭力大小均大于转辙机的额定功率4 200 N，导致尖轨无法与基本轨完成密贴。因此，对道岔夹异物进行及时的清理对车辆的行车安全有重要的意义。