基于ANSYS的无缝渡线道岔有限元分析研究

叶庆发 ，唐进锋 ，尤瑞林 ，于 雷

（1.广州铁路（集团）公司综合计划处，广州510000；2 .中南大学土木建筑学院， 长沙410075）

无缝道岔是发展跨区间无缝线路的关键技术之一， 但道岔无缝化后, 道岔钢轨不仅要承受巨大的温度力，而且需承受由于里侧轨线一端承受温度力，另一端不承受温度力导致的温度力不平衡所引起的无缝道岔钢轨受力和变形位移的变化，这将直接影响道岔的强度和稳定性, 以及行车的安全。车站中道岔组合的受力与变形与单开道岔受力变形的区别主要体现在：

（1） 道岔的连接钢轨在每组道岔的传力过程中作用不同，使得岔区轨道的传力机理更加复杂；

（2）道岔连接时随着道岔之间夹直线长度的改变，道岔相互之间影响的程度不同，不能简单地简化为单开道岔进行分析计算；

（3）道岔的伸缩区相互影响，导致岔区轨道的温度附加力和伸缩变形的量值产生了变化，可能对轨道的强度和稳定性产生不利的影响。

鉴于以上因素，建立了组合道岔的通用有限元分析模型，以12号固定辙叉和9号固定辙叉为例，应用有限元软件对渡线道岔进行整体研究，分析组合道岔与单开道岔的区别，研究不同夹直线长度对无缝渡线道岔受力和变形的影响。

1 无缝（渡线）道岔计算模型

以目前我国普遍使用的固定辙叉单开道岔为例，其分析模型如图1。图中尖轨跟端为限位器结构。计算中各钢轨编号如表1，岔枕位置处直基本轨的节点定为坐标原点，X轴正方向沿直基本轨道岔分股的方向，Y轴正方向垂直于直基本轨（向上）。

表1 固定辙叉无缝道岔模型中钢轨编号

具体建模思路如下：

图1 固定辙叉单开无缝道岔计算模型

（1）将钢轨简化成与60轨截面相同的梁；钢轨按其实际岔枕的位置，通过坐标读入的方式建立钢轨节点，并通过离散的梁单元生成道岔中每股钢轨；在辙叉跟端通过导轨末端节点与心轨始端节点的耦合来模拟固定辙叉；

（2）将轨枕（岔枕）简化为梯形截面梁，建轨枕单元时在每股钢轨下生成轨枕节点，其余位置按0.1 m长度划分轨枕单元；

（3）在轨枕位置，连接对应钢轨节点和轨枕节点生成扣件弹簧单元；

（4）将轨枕的所有节点复制一次，在对应位置生成路基节点，连接路基节点和轨枕节点生成道床弹簧单元；

（5）转辙器跟端限位器，通过尖轨跟端节点与对应基本轨节点连接弹簧单元模拟。

模型中只考虑纵向变形，路基节点按固定端进行约束；轨枕两端按固定端约束；各股钢轨不考虑横向和垂向变形。渡线道岔以左侧的右开道岔为1号道岔，其1号岔枕位置处直基本轨的节点定为坐标原点，坐标轴的方向与单开道岔相同。右侧的道岔为2号道岔，其相应的钢轨编号以R’表示。渡线道岔的计算模型如图2。

图2 无缝渡线道岔计算模型

2 基本参数选取

无缝道岔温度力及位移计算中将用到的计算参数：钢轨重60 kg/m；钢轨截面积：A为77.45 cm2；各股钢轨的弹性模量：E为2.1×1011N/m2；钢轨线膨胀系数：α为11.8×10－6°C；岔枕间距：0.6m；岔枕型式：混凝土岔枕截面顶宽260 mm，底宽300 mm，高220 mm，对垂直轴的惯性矩为5.03×10－4m4，混凝土的弹性模量为34.5×109N/m2，道岔型式尺寸按标准图选取；道床纵向阻力取值采用常量阻力，以普通枕长2.6 m换算成岔区道床，纵向阻力[6]p为32 N/cm。扣件纵向阻力值按常阻力取为16 kN，限位器子母块间隙取为7mm。

2.1 12号无缝渡线道岔分析计算

12号渡线道岔中间夹直线长度取为12m，温差为40 ℃时，道岔基本轨和里轨的温度力图形如图3，基本轨、里轨位移图形如图4。由于渡线中的每一组道岔曲基本轨都与另一组道岔的里轨相连接，图中仅以一个名称表示。

图3 12号无缝渡线道岔钢轨的温度力图

图4 12号无缝渡线道岔钢轨的位移图

在站场中的无缝渡线道岔，两者之间有一定长度的夹直线，需要分析道岔之间不同夹直线长度对温度力和伸缩位移的影响。

当道岔之间夹直线长度从12 m增至24 m时，对道岔区轨道的温度力和伸缩位移的影响如表2，为了增强对比性，把夹直线长度为∞时（即单开道岔的情形）也加入到分析中。

由表2可以看出，与单组单开道岔相比，12号渡线的两组道岔的温度力是对称的，位移是反对称的；同单组单开道岔相比，对于两组12号固定辙叉渡线道岔，基本轨的最大附加拉力，最大附加压力、拉力的增幅、压力的增幅、尖轨尖端的位移以及相对位移基本都没有改变，且夹直线长度变化的影响不大。

表2 12号无缝渡线道岔夹直线长度的影响分析

2.2 9号无缝渡线道岔分析计算

9号无缝渡线道岔，中间夹直线长度取为12m，在温差为40 °C时，道岔基本轨和里轨的温度力图形如图5，基本轨和里轨位移图形如图6。

图5 9号无缝渡线道岔钢轨的温度力图

图6 9号无缝渡线道岔钢轨的位移图

当道岔之间夹直线长度从12 m增至∞时，对9号渡线道岔的道岔区轨道的温度力、伸缩位移的影响如表3。

由表3可以看出，与12号道岔相似 ，9号渡线道岔两组道岔的温度力是对称的，位移是反对称的；9号渡线道岔轨道的基本轨最大附加拉力、最大附加压力、拉力的增幅和压力的增幅与单组单开道岔相比有所减小，且随夹直线长度缩短而减小的幅度增加；与单组单开道岔相比，对于两组9号固定辙叉渡线道岔时，尖轨尖端的位移、以及相对位移改变不显著。

表3 9号无缝渡线道岔夹直线长度的影响分析

3 结束语

无缝渡线道岔中一组道岔的曲基本轨与另一组道岔的里轨相连接，由于两组道岔导轨的伸缩方向相反，两者相互作用可抵消一部分伸缩位移，曲基本轨的温度力减小，曲基本轨的最大伸缩附加拉力相对单组道岔时也相应减小；12号渡线道岔直基本轨的附加力值与单开道岔相比基本没有改变；9号渡线道岔直基本轨的附加拉力和附加压力较单开道岔有所减小，且夹直线长度越短，减小的幅度越大。

由于渡线的每一组道岔曲基本轨都是与另一组道岔的里轨相连接，因此其伸缩位移较大，所以对于渡线的曲基本轨的稳定性应该引起足够的重视；渡线的尖轨尖端伸缩位移随着夹直线长度改变的变化幅度不明显。

[1] 广钟岩，高慧安．铁路无缝线路[M] ．4版. 北京：中国铁道出版社，2005．

[2] 蔡成标，翟婉明，王其昌. 无缝提速道岔钢轨温度力与位移计算[J ] . 西南交通大学学报，1997， 32 （5） ：513 -517.

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