市域快轨无砟轨道18号无缝道岔设计参数研究

孙大新，曲 村，刘铁旭

(北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；北京市轨道结构工程技术研究中心，北京 100037；城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程研究中心，北京 100037)

随着我国经济的不断发展，城市中以及城市间的客流交往愈加频繁，居民对于通勤的要求越来越高。除了传统的地铁系统，城际的市域快轨系统也在蓬勃发展[1-3]。

与传统地铁轨道方案相比，市域快轨系统轨道设计方案的关键技术是采用取消道岔内钢轨接头的跨区间无缝线路技术。该技术具有行驶稳定性好、旅客舒适度高、维修量减少、振动与噪声小、轨道结构使用寿命长等优点。在市域快轨系统中， 18号道岔是非常常用的一种道岔型式，在高速、重载铁路上也有着广泛的应用[4-6]。在应用时，如何选择道岔基本轨的焊接接头位置和道岔区部分的扣件阻力对于道岔的主要力学特性影响很大。以上参数的合理选择，将直接影响到市域快轨无砟轨道18号无缝道岔的铺设质量，因此，有必要进行针对性的研究。

本文在铁路、客运专线和城市轨道交通无缝道岔已有研究[7-14]的基础上进行进一步研究，建立了市域快轨无砟轨道18号无缝道岔计算模型，对基本轨焊接接头位置、不同扣件阻力参数条件下的主要计算结果进行了计算分析，为无砟轨道18号无缝道岔的设计参数选择提供参考意见。

1 模型建立

1.1 道岔结构基本组成

道岔结构基本组成如图1所示。

1.2 道岔各部件有限元模型建立

(1) 道岔基本轨建立了等截面的梁单元，在尖轨和心轨处参照道岔详图建立了变截面的梁单元。其中，基本轨的梁单元如图2所示。

(2) 道岔区钢轨与扣件相连接，各项阻力与刚度值通过非线性弹簧单元进行表达。扣件弹簧单元如图3所示，扣件弹簧单元与钢轨单元节点连接如图4所示。

(3) 尖轨跟端传力结构主要包括限位器和间隔铁两种型式，尖轨跟端间隔铁结构布置如图5所示，尖轨跟端限位器结构布置如图6所示。

通过间隔铁或限位器结构连接的基本轨和尖轨，其相对位移与纵向力之间的关系也可以通过非线性弹簧单元进行表达。模型中，尖轨跟端间隔铁或限位器弹簧单元如图7所示。

(4) 翼轨末端传力结构主要是间隔铁，其结构布置如图8所示。

通过间隔铁结构连接的心轨和翼轨，其相对位移与纵向力之间的关系也可以通过非线性弹簧单元进行表达。模型中，翼轨末端间隔铁弹簧单元如图9所示。

1.3 整体计算模型建立

市域快轨无砟轨道18号无缝道岔的有限元整体模型如图10所示。为消除模型边界对于计算结果正确性的影响，模型建立时两端再延长约60 m(100个扣件间距)的轨道结构。

2 基本轨焊接接头位置研究

2.1 主要计算工况

钢轨焊接接头强度普遍低于钢轨母材强度，因此焊接接头成为无缝道岔中受力的薄弱环节。为避免焊接接头承受较大的温度力，本节以扣件纵向阻力10 kN/组、温度变化幅度60 ℃为例进行计算分析，主要研究不同的基本轨焊接位置对于焊缝处受力的影响。

2.2 主要计算结果

在各种基本轨焊接接头位置条件下，尖轨跟端设置2组间隔铁结构时不同的基本轨焊接位置处所受温度力如表1所示；尖轨跟端设置2组限位器结构(间隙值为7.0 mm、6.5 mm)时不同的基本轨焊接位置处所受温度力如表2所示；尖轨跟端设置2组限位器结构(间隙值为8.5 mm、5.0 mm)时不同的基本轨焊接位置处所受温度力如表3所示。其中，表中0.00 m处，基本轨焊接位置与尖轨跟端位置相同，焊接位置前移为“+”，后移为“-”。 增幅百分比是指焊接接头位置移动后承受的温度力与0.00 m位置承受的温度力比较增加的幅度。

2.3 主要计算结论

由表1～表3中的计算结果分析可知：无论尖轨跟端传力结构采用间隔铁还是限位器，采用限位器时是否考虑安装误差，目前的设计方案，即基本轨焊接位置与尖轨跟端位置相同时焊接接头所受到的温度力最小，安全性最有保证。

3 扣件阻力参数研究

3.1 主要计算工况

本节主要研究如何通过改变基本轨和里轨(包括尖轨和心轨，下同)扣件纵向阻力实现减小基本轨附加温度力、尖轨尖端位移和尖轨跟端及翼轨末端单个传力部件所受最大力。本部分主要以下述几种扣件阻力为条件进行计算和分析：基本轨和里轨扣件阻力均取1倍设计阻力值(A)；基本轨扣件阻力取1.2倍设计阻力值、里轨扣件阻力仍取1倍设计阻力值(B)；基本轨扣件阻力取1倍设计阻力值、里轨扣件阻力取1.2倍设计阻力值(C)；基本轨和里轨扣件阻力均取1.2倍设计阻力值(D)。

表1 尖轨跟端设置2组间隔铁结构时不同的基本轨焊接位置处所受温度力

表2 尖轨跟端设置2组限位器结构(间隙值为7.0 mm、6.5 mm)时不同的基本轨焊接位置处所受温度力

表3 尖轨跟端设置2组限位器结构(间隙值为8.5 mm、5.0 mm)时不同的基本轨焊接位置处所受温度力

3.2 主要计算结果

在各种扣件阻力型式条件下，尖轨跟端不设传力结构时不同扣件阻力型式主要计算结果如表4所示；尖轨跟端设置2组限位器结构(间隙值为7.0 mm、6.5 mm)时不同扣件阻力型式主要计算结果如表5所示；尖轨跟端设置2组间隔铁结构时不同扣件阻力型式主要计算结果如表6所示。

表4 尖轨跟端不设传力结构时不同扣件阻力型式主要计算结果

表5 尖轨跟端设置2组限位器结构(间隙值为7.0 mm、6.5 mm)时不同扣件阻力型式主要计算结果

表6 尖轨跟端设置2组间隔铁结构时不同扣件阻力型式主要计算结果

3.3 主要计算结论

由表4～表6中计算结果分析可知：当基本轨扣件阻力或里轨扣件阻力增大时，整个道岔结构更加稳固：尖轨跟端传力部件位置处与基本轨之间的相对位移减小，尖轨传递给基本轨的附加力有所减小，造成基本轨承受的附加温度力相应减小，尖轨跟端单个传力部件所受到的最大力也相应减小；心轨与翼轨之间的相对位移也有所减小，造成翼轨末端单个传力部件受力均有所降低。因此，扣件阻力型式C较优，其尖轨尖端相对位移减小，有利于控制尖轨尖端的卡阻现象；传力部件受力最大值减小，有利于避免螺栓断裂。

4 结论与建议

本文通过建立市域快轨无砟轨道18号无缝道岔有限元仿真模型，对选取不同的道岔基本轨焊接接头位置及扣件阻力参数条件下的主要计算结果进行了计算和分析。

通过分析计算结果得到以下结论：

(1) 无论尖轨跟端传力结构采用间隔铁还是限位器，采用限位器时是否考虑安装误差，目前设计方案中采用的基本轨焊接位置与尖轨跟端位置相同即为最佳位置，焊接接头处于该位置时所受到的温度力最小，安全性最有保证。

建议无缝道岔基本轨焊缝设置在尖轨跟端位置处，以保证无缝道岔焊缝的安全性。

(2) 当基本轨扣件阻力或里轨扣件阻力增大时，整个道岔结构更加稳固：尖轨跟端传力部件位置处与基本轨之间的相对位移减小，尖轨传递给基本轨的附加力有所减小，造成基本轨承受的附加温度力相应减小，尖轨跟端单个传力部件所受到的最大力也相应减小；心轨与翼轨之间的相对位移也有所减小，导致翼轨末端单个传力部件受力均有所降低。尖轨尖端相对位移减小，有利于避免尖轨尖端的卡阻现象；传力部件受力最大值减小，有利于避免螺栓断裂。

建议在设计时不要盲目减小道岔扣件阻力：在条件允许时，尽量增大尖轨和心轨的扣件纵向阻力，以利于整个道岔结构保持稳固，更好地控制无缝道岔的受力与变形。