道床纵向阻力变化对无缝道岔受力与变形的影响

时间：2024-07-28

王斌，陈嵘，王平

(西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

无缝道岔是跨区间无缝线路中的关键设备。在线路进行养护维修时，大机作业扰动道床，使道砟间的相互咬合和道砟与轨枕的接触状况均发生变化，从而导致道床纵向阻力下降。道床纵向阻力的下降，可能影响无缝道岔的正常使用，影响列车安全运行［1］。因此，有必要对道床纵向阻力变化时无缝道岔受力与位移进行分析。本文利用有限元软件建立无缝道岔模型，根据秦沈客运专线混凝土岔枕道床纵向阻力和济南铁路局大机维修和清筛后道床纵向阻力实测数据，对道床纵向阻力变化时无缝道岔受力与变形的特点进行计算分析。

1 计算模型

将一组无缝单开道岔前后一定范围内的轨道结构看作一个由钢轨、岔枕通过扣件、间隔铁和限位器联接起来的平面框架，道床阻力对框架结构进行约束。以扣结点、间隔铁和限位器的位置为节点，把钢轨离散化，钢轨弧段简化为直杆单元。按岔枕实际的尺寸、截面几何特性等将岔枕视作竖直平面内可弯的梁单元。扣件、间隔铁和限位器为非线性弹簧单元。假定无缝道岔在温度力作用下无横向力和横向位移，因此对岔枕施加垂直于线路方向的约束［2］。为了尽可能减小边界条件的影响，模型长度选取108 m，道岔两侧区间线路边界均在无缝线路的固定区。

2 计算参数

以60 kg/m钢轨12号可动心轨提速改进型无缝道岔为例进行计算分析。该道岔的结构特点为:混凝土岔枕，弹条Ⅲ型扣件，尖轨跟端设一组限位器，限位器子母块间隙7 mm，长心轨跟端与长翼轨间由4个间隔铁联结，短心轨为斜接头，跟端与翼轨间由3个间隔铁联结，直侧股钢轨均为焊接，单组道岔，道岔前后线路无爬行，铺设时道岔与区间线路锁定轨温一致。钢轨截面积77.45 cm2，弹性模量2.1×105MPa，线膨胀系数 11.8 ×10-6/℃［3］。

济南铁路局实测清筛作业前后线路道床纵向阻力值的变化见图1，其纵坐标表示每根枕的阻力值。秦沈客运专线混凝土岔枕纵向道床阻力与位移关系见图2。

图1 道床纵向阻力变化图

图2 岔枕纵向道床阻力图［5］

3 道床纵向阻力变化的影响

3.1 直侧股不同的道床纵向阻力

线路在清筛作业后，道床纵向阻力降低。由于道岔直股行车较多，侧股行车较少，因此直股道床纵向阻力恢复较快，达到甚至超过清筛前的道床纵向阻力，而侧股道床阻力恢复较慢，小于清筛前的道床纵向阻力。

计算如下三种工况:工况一，清筛前，直侧股道床纵向阻力相同，道床纵向阻力取图1中清筛前阻力值;工况二，清筛后运行一段时间，直股道床纵向阻力恢复至清筛前阻力值，而侧股道床纵向阻力小于清筛前阻力，取图1中运行一周时的阻力值计算;工况三，清筛后运行一段时间，直股道床纵向阻力提高至大于清筛前，取图1中一个月后的阻力值，侧股道床纵向阻力仍取运行一周时的阻力值。升温50℃无缝道岔受力和变形如表1所示。

表1 直侧股道床纵向阻力变化的影响

从表1结果可以看出，直侧股道床纵向阻力相同时，直曲尖轨相对位移为0.1 mm，两个限位器作用力也基本相等，所以钢轨位移和传力部件作用力基本上是对称的，间隔铁作用力不同是因为长短心轨处间隔铁数目不同所致。随着直侧股道床纵向阻力差距增大，整组道岔直侧股钢轨受力、位移及传力部件作用力的非对称性增大，直曲尖轨相对位移增大至0.5 mm，两限位器作用力相差较大。由于道岔全焊，在升温过程中两尖轨的最大相对位移为0.5 mm，远远小于导致尖轨失稳的两尖轨相对位移容许值5 mm［5］。这样，即使无缝道岔采用的是联动内锁闭结构，也不会因此导致曲尖轨侧拱。但这种直侧股不同的道床纵向阻力对直基本轨一侧限位器受力不利，工况三中直基本轨一侧限位器比曲基本轨处限位器作用力大45.7%，这是因为曲导轨下道床纵向阻力小，升温时，更多的力通过限位器传递给直基本轨。

在清筛作业后，应采取措施如加强捣固，使侧股道床阻力与直股恢复情况相近，以减小对岔区的不利影响。

3.2 捣固机捣固后不同道床纵向阻力

道床在捣固机捣固后可能存在以下三种不密实的情况:①轨枕下道砟槽，在镐头的接触处附近，道床顶面有近似“月牙”形的凸起，整个轨枕靠8个“月牙”支撑，枕底道床的其它部位则根本没有触动;②轨枕下道砟槽，由两边两条密实带夹着轨枕中间一条空虚带，整个轨枕靠两条高低并不一致的密实带支撑;③轨枕下道砟槽，在两个相对的镐头接触面之间及其附近道砟比较密实，在这个范围之外原道床基本没动或动得很少［6］。以上三种情况下，均会导致区间及岔区道床纵向阻力降低。

计算以下工况:工况一，捣固前;工况二，捣固后，岔区及区间线路道床纵向阻力折减到捣固前的80%;工况三，道床纵向阻力折减到捣固前的60%;工况四，道床纵向阻力折减到捣固前的40%。升温50℃无缝道岔的受力和位移如表2所示。

表2 升温50℃无缝道岔计算工况

由表2可见，由于捣固不密实引起的道床纵向阻力的降低，会导致直基本轨附加温度力和位移、曲尖轨位移、长心轨尖端位移明显增大。而且，道床捣固后密实程度越低、道床支撑轨枕面积越小，道床的纵向阻力越小，无缝道岔钢轨的附加温度力和钢轨位移就越大。限位器和间隔铁的作用力有所减小。由图3、图4可以看出，随着道床纵向阻力的减小，直基本轨附加温度力近似于线性增大，位移的增大幅度则随着阻力的减小而增大。

图3 升温50℃无缝道岔直基本轨附加温度力

图4 升温50℃无缝道岔直基本轨伸缩位移

在养护维修中需要对道床捣固办法进一步研究，加强捣固质量的检查，避免出现捣固后出现的“月牙”支撑、空虚带等降低道床纵向阻力的情况。尤其在岔区，岔枕长短不同，钢轨较多，道床的捣固工作应更加细致。

3.3 区间线路与岔区不同道床纵向阻力

计算以下工况:工况一，由于岔区与区间线路所采用的轨枕类型不同，岔区道床纵向阻力采用较小的阻力值，按图2中秦沈客运专线岔区阻力值取，区间线路采用图1中清筛前阻力值;工况二，岔区及区间线路都采取图1中清筛前阻力值;工况三，岔区采用清筛前阻力值，区间线路采用清筛前阻力值的60%。升温50℃无缝道岔受力和变形如表3所示。

表3 岔区及区间线路道床纵向阻力不同时的影响 m

由表3可见，岔区道床纵向阻力减小，基本轨附加温度力、心轨及尖轨伸缩位移有较大幅度增长，区间线路道床纵向阻力减小，道岔受力和变形的变化不大。因此，道岔区纵向阻力的减小对无缝道岔受力及变形影响较大，而区间线路道床纵向阻力减小对其影响较小。

在进行大机维修和清筛作业后，应提高岔区道床纵向阻力，防止岔区阻力减小引起道岔受力和位移的增大，影响道岔正常工作。