淺談城市軌道交通道岔軌道橫向剛度分布規(guī)律

王克平

摘要：城市交通軌道中對輪軌系統(tǒng)的合理匹配和列車動力的重要影響因素就是軌道的結(jié)構(gòu)剛度，特別是對道岔軌道橫向剛度的研究，能夠?qū)壍澜Y(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行很好的優(yōu)化，降低轍叉間的橫向作用，提升列車轉(zhuǎn)彎的速度和平穩(wěn)度，從而提升列車的整體舒適度，在一定程度上降低了維修人員的工作量。本文利用有限元分析的方法建立實體9號固定轍叉道岔模型，對其各鋼軌沿線的橫向剛度進(jìn)行有效計算，以此淺要分析道岔軌道橫向剛度的分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;道岔軌道橫向剛度;分布規(guī)律

一輛列車在正常運(yùn)行時，車輪和鋼軌兩部分之間會發(fā)生橫向和縱向兩種相互作用，也即列車軌道的剛度有兩種，一種是列車運(yùn)行線路的縱向剛度，另一種是垂直于線路方向的橫向剛度。對于傳統(tǒng)列車軌道結(jié)構(gòu)的剛度研究中，研究工作者的工作重心大都集中于對道岔軌道沿線路方向的縱向剛度分布情況以及合理的均勻化措施的探究方面，研究成果顯著;而對于道岔軌道結(jié)構(gòu)的橫向剛度分布規(guī)律的研究尚且處于探索階段。但是值得肯定的是，對于道岔軌道橫向剛度的數(shù)值進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，能夠很好的降低輪軌之間的相互作用力、能夠有效改善道岔軌道的磨損。

一、 道岔區(qū)軌道剛度計算模型

通常情況下，軌道結(jié)構(gòu)的剛度對整個列車軌道的幾何形位、軌道的振動強(qiáng)度、工作人員對軌道的維修和保養(yǎng)工作以及運(yùn)行中列車的舒適程度等都有著非常重要的影響。大量的實驗顯示出，當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)的剛度太大時，輪軌之間的作用就會增加，結(jié)構(gòu)振動力度就會提升，列車的平穩(wěn)性就會被打破，從而影響列車的整體舒適程度;但當(dāng)軌道剛度太小時，軌道結(jié)構(gòu)就會變得比較薄弱，有列車行駛通過時，軌道中的變形就會越來越大，其軌道正確的幾何形態(tài)就無法得到做好的確保，這會嚴(yán)重影響到工作人員對軌道的維修工作。因此對軌道剛度實施精準(zhǔn)化的計算是非常有必要的。與普通正常軌道不同，道岔區(qū)中鋼軌的截面、扣件等的長度、軌下墊板的剛度都是根據(jù)線路的變化而變化，且其中很多構(gòu)件都會對道岔區(qū)軌道的剛度造成影響。如下圖1所示，是一個單開道岔結(jié)構(gòu)圖。

二、 岔區(qū)扣件系統(tǒng)剛度

道岔軌道中的扣件結(jié)構(gòu)一般情況下選擇的都是雙層的彈性開式構(gòu)造，其中包含的部件包括：鐵墊板、鋼軌和鐵墊板下部的彈性墊層、扣壓件、固定螺栓等。

該岔區(qū)整體扣件體系表現(xiàn)的橫向剛度的組成成分是：鋼軌等效抗衡傾剛度和墊板橫向剛度。影響鋼軌等效抗衡傾剛度的因素是：橫向力和垂直力的比值、兩個力作用的位置、鋼軌扭轉(zhuǎn)支承的彈性系數(shù)、和抗扭剛度。而墊板的橫向剛度又涉及鋼軌和鐵墊板下部墊層的橫向抗剪剛度、螺栓的橫向抗推剛度、和軌距塊以及擋座的橫向剛度?？奂到y(tǒng)模擬具體的橫向剛度情況如下圖2，其中KbH為螺栓合成橫向剛度、KcH為扣壓件橫向剛度、K1H為軌下彈性墊層橫向剛度、K2H為板下墊層橫向剛度。

三、 岔區(qū)軌道橫向剛度計算

（一） 道岔鋼軌計算模型和參數(shù)

9號固定轍叉道岔的基本軌選用60kg/m的鋼軌，鋼軌具體的參數(shù)有：E（彈性模量）等于206GPa，（泊松比）為0.3，質(zhì)量密度等于7698kg/m2，尖軌選用特種矮型斷面鋼軌制作而成。利用有限元方法建立模型進(jìn)行分析時選擇實體鋼軌，這樣有利于充分體現(xiàn)截面的變化和整體橫向剛度之間的因果關(guān)系;能夠使得對輪軌接觸的位置和產(chǎn)生的作用力的方向獲得較為真實的模擬效果，使剛度計算能更準(zhǔn)確。

（二） 計算模型和參數(shù)確定

對于鐵墊板、軌下膠墊、板下膠墊分別使用相等界面的梁模型和線性彈簧進(jìn)行相等效果的模擬。參數(shù)設(shè)計分別為：軌下膠墊長度選擇10毫米，剛度設(shè)置60KN/mm;板下膠墊長度設(shè)置為12mm，剛度為50KN/mm。

四、 岔區(qū)橫向剛度分布計算結(jié)果

在利用有限元方法進(jìn)行模擬計算之后，其軌道的側(cè)向和橫向整體剛度顯示出沿線路方向的不均勻分布。其9號固定轍叉道岔中基本軌和非基本軌的剛度如下圖2和圖3所示。

在基本軌開始運(yùn)行到轉(zhuǎn)轍器區(qū)域時，它的橫向剛度數(shù)值為32KN/mm，然后持續(xù)增加，到第20號軌枕區(qū)域，剛度數(shù)值陡增到43KN/mm，原因為該區(qū)域設(shè)置了間隔鐵，將兩個軌道連接成一個整體，這樣其抗扭轉(zhuǎn)慣性矩就會增加，則剛度也會變大，所以橫向剛度也必然增大。

同時也發(fā)現(xiàn)，里軌在整個道岔軌道的轉(zhuǎn)轍器第20號軌枕區(qū)域處的橫向剛度也達(dá)到了很高的數(shù)值，出現(xiàn)這一情況的的原因和基本軌是相同的，都是因為有間隔鐵的影響。而整個轉(zhuǎn)轍器區(qū)域橫向剛度的逐漸增加則涉及到尖軌和基本軌的較長時間貼合，轉(zhuǎn)轍器的抗扭剛度不斷增加，使得其橫向剛度類似于基本軌的變化，也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。最后關(guān)于里軌轍叉區(qū)域出現(xiàn)的最大橫向剛度峰值，達(dá)到46KN/mm的原因是，轍叉中的岔心是有高錳鋼鑄成，其抗扭剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，所以陡增的抗扭剛度也引起了橫向剛度的顯著增加。整個有限元模擬分析計算的道岔軌道橫向剛度數(shù)據(jù)結(jié)果將在下列表1中顯示。

五、結(jié)束語

在上文的整個實驗中，選擇了當(dāng)前城市軌道交通中比較常用的9號固定轍叉道岔軌道，以有限元分析模型的方式對其道岔軌道進(jìn)行了橫向剛度的計算。實驗中顯示出道岔軌道岔區(qū)在沿線路方向的各橫向剛度呈現(xiàn)一定的規(guī)律分布著，主要的結(jié)論體現(xiàn)在下面兩個方面。

①道岔軌道的扣件體系中，合成整個橫向剛度成分包含兩個分布，一個是鋼軌的等效抗衡傾剛度，另一個是鋼墊板的橫向剛度。在整個軌道的其他條件均保持一致的前提下，扣件系統(tǒng)的橫向剛度主要是由鋼軌的等效抗衡傾剛度來控制的。引起鋼軌發(fā)生變化的最大要素就是其截面出現(xiàn)變化，表現(xiàn)在整體的橫向剛度是隨著鋼軌截面的抗扭慣性矩和抗扭剛度的不斷增大而增大的。

②以9號固定轍叉道岔軌道為實驗對象研究的城市軌道交通道岔的橫向剛度表現(xiàn)為，沿著線路方向而呈現(xiàn)不均勻分布。整個橫向剛度數(shù)值的變化中，軌道轍叉區(qū)域的橫向剛度值最大，最小值出現(xiàn)在軌道連接部分，轉(zhuǎn)轍器區(qū)域的橫向剛度值居中。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張艷平，姚力，劉大園.城市軌道交通線路道岔區(qū)軌道剛度分布特征及均勻化研究[J].城市軌道交通研究， 2014， 17（9）：29-34.

（作者單位：蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司）