王 斌，陳 嶸，王 平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

無縫道岔是跨區(qū)間無縫線路中的關(guān)鍵設(shè)備。在線路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修時(shí)，大機(jī)作業(yè)擾動(dòng)道床，使道砟間的相互咬合和道砟與軌枕的接觸狀況均發(fā)生變化，從而導(dǎo)致道床縱向阻力下降。道床縱向阻力的下降，可能影響無縫道岔的正常使用，影響列車安全運(yùn)行［1］。因此，有必要對道床縱向阻力變化時(shí)無縫道岔受力與位移進(jìn)行分析。本文利用有限元軟件建立無縫道岔模型，根據(jù)秦沈客運(yùn)專線混凝土岔枕道床縱向阻力和濟(jì)南鐵路局大機(jī)維修和清篩后道床縱向阻力實(shí)測數(shù)據(jù)，對道床縱向阻力變化時(shí)無縫道岔受力與變形的特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。

1 計(jì)算模型

將一組無縫單開道岔前后一定范圍內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)看作一個(gè)由鋼軌、岔枕通過扣件、間隔鐵和限位器聯(lián)接起來的平面框架，道床阻力對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束。以扣結(jié)點(diǎn)、間隔鐵和限位器的位置為節(jié)點(diǎn)，把鋼軌離散化，鋼軌弧段簡化為直桿單元。按岔枕實(shí)際的尺寸、截面幾何特性等將岔枕視作豎直平面內(nèi)可彎的梁單元?？奂?、間隔鐵和限位器為非線性彈簧單元。假定無縫道岔在溫度力作用下無橫向力和橫向位移，因此對岔枕施加垂直于線路方向的約束［2］。為了盡可能減小邊界條件的影響，模型長度選取108 m，道岔兩側(cè)區(qū)間線路邊界均在無縫線路的固定區(qū)。

2 計(jì)算參數(shù)

以60 kg/m鋼軌12號可動(dòng)心軌提速改進(jìn)型無縫道岔為例進(jìn)行計(jì)算分析。該道岔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:混凝土岔枕，彈條Ⅲ型扣件，尖軌跟端設(shè)一組限位器，限位器子母塊間隙7 mm，長心軌跟端與長翼軌間由4個(gè)間隔鐵聯(lián)結(jié)，短心軌為斜接頭，跟端與翼軌間由3個(gè)間隔鐵聯(lián)結(jié)，直側(cè)股鋼軌均為焊接，單組道岔，道岔前后線路無爬行，鋪設(shè)時(shí)道岔與區(qū)間線路鎖定軌溫一致。鋼軌截面積77.45 cm2，彈性模量2.1×105MPa，線膨脹系數(shù) 11.8 ×10-6/℃［3］。

濟(jì)南鐵路局實(shí)測清篩作業(yè)前后線路道床縱向阻力值的變化見圖1，其縱坐標(biāo)表示每根枕的阻力值。秦沈客運(yùn)專線混凝土岔枕縱向道床阻力與位移關(guān)系見圖2。

圖1 道床縱向阻力變化圖

圖2 岔枕縱向道床阻力圖［5］

3 道床縱向阻力變化的影響

3.1 直側(cè)股不同的道床縱向阻力

線路在清篩作業(yè)后，道床縱向阻力降低。由于道岔直股行車較多，側(cè)股行車較少，因此直股道床縱向阻力恢復(fù)較快，達(dá)到甚至超過清篩前的道床縱向阻力，而側(cè)股道床阻力恢復(fù)較慢，小于清篩前的道床縱向阻力。

計(jì)算如下三種工況:工況一，清篩前，直側(cè)股道床縱向阻力相同，道床縱向阻力取圖1中清篩前阻力值;工況二，清篩后運(yùn)行一段時(shí)間，直股道床縱向阻力恢復(fù)至清篩前阻力值，而側(cè)股道床縱向阻力小于清篩前阻力，取圖1中運(yùn)行一周時(shí)的阻力值計(jì)算;工況三，清篩后運(yùn)行一段時(shí)間，直股道床縱向阻力提高至大于清篩前，取圖1中一個(gè)月后的阻力值，側(cè)股道床縱向阻力仍取運(yùn)行一周時(shí)的阻力值。升溫50℃無縫道岔受力和變形如表1所示。

表1 直側(cè)股道床縱向阻力變化的影響

從表1結(jié)果可以看出，直側(cè)股道床縱向阻力相同時(shí)，直曲尖軌相對位移為0.1 mm，兩個(gè)限位器作用力也基本相等，所以鋼軌位移和傳力部件作用力基本上是對稱的，間隔鐵作用力不同是因?yàn)殚L短心軌處間隔鐵數(shù)目不同所致。隨著直側(cè)股道床縱向阻力差距增大，整組道岔直側(cè)股鋼軌受力、位移及傳力部件作用力的非對稱性增大，直曲尖軌相對位移增大至0.5 mm，兩限位器作用力相差較大。由于道岔全焊，在升溫過程中兩尖軌的最大相對位移為0.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)致尖軌失穩(wěn)的兩尖軌相對位移容許值5 mm［5］。這樣，即使無縫道岔采用的是聯(lián)動(dòng)內(nèi)鎖閉結(jié)構(gòu)，也不會因此導(dǎo)致曲尖軌側(cè)拱。但這種直側(cè)股不同的道床縱向阻力對直基本軌一側(cè)限位器受力不利，工況三中直基本軌一側(cè)限位器比曲基本軌處限位器作用力大45.7%，這是因?yàn)榍鷮?dǎo)軌下道床縱向阻力小，升溫時(shí)，更多的力通過限位器傳遞給直基本軌。

在清篩作業(yè)后，應(yīng)采取措施如加強(qiáng)搗固，使側(cè)股道床阻力與直股恢復(fù)情況相近，以減小對岔區(qū)的不利影響。

3.2 搗固機(jī)搗固后不同道床縱向阻力

道床在搗固機(jī)搗固后可能存在以下三種不密實(shí)的情況:①軌枕下道砟槽，在鎬頭的接觸處附近，道床頂面有近似“月牙”形的凸起，整個(gè)軌枕靠8個(gè)“月牙”支撐，枕底道床的其它部位則根本沒有觸動(dòng);②軌枕下道砟槽，由兩邊兩條密實(shí)帶夾著軌枕中間一條空虛帶，整個(gè)軌枕靠兩條高低并不一致的密實(shí)帶支撐;③軌枕下道砟槽，在兩個(gè)相對的鎬頭接觸面之間及其附近道砟比較密實(shí)，在這個(gè)范圍之外原道床基本沒動(dòng)或動(dòng)得很少［6］。以上三種情況下，均會導(dǎo)致區(qū)間及岔區(qū)道床縱向阻力降低。

計(jì)算以下工況:工況一，搗固前;工況二，搗固后，岔區(qū)及區(qū)間線路道床縱向阻力折減到搗固前的80%;工況三，道床縱向阻力折減到搗固前的60%;工況四，道床縱向阻力折減到搗固前的40%。升溫50℃無縫道岔的受力和位移如表2所示。

表2 升溫50℃無縫道岔計(jì)算工況

由表2可見，由于搗固不密實(shí)引起的道床縱向阻力的降低，會導(dǎo)致直基本軌附加溫度力和位移、曲尖軌位移、長心軌尖端位移明顯增大。而且，道床搗固后密實(shí)程度越低、道床支撐軌枕面積越小，道床的縱向阻力越小，無縫道岔鋼軌的附加溫度力和鋼軌位移就越大。限位器和間隔鐵的作用力有所減小。由圖3、圖4可以看出，隨著道床縱向阻力的減小，直基本軌附加溫度力近似于線性增大，位移的增大幅度則隨著阻力的減小而增大。

圖3 升溫50℃無縫道岔直基本軌附加溫度力

圖4 升溫50℃無縫道岔直基本軌伸縮位移

在養(yǎng)護(hù)維修中需要對道床搗固辦法進(jìn)一步研究，加強(qiáng)搗固質(zhì)量的檢查，避免出現(xiàn)搗固后出現(xiàn)的“月牙”支撐、空虛帶等降低道床縱向阻力的情況。尤其在岔區(qū)，岔枕長短不同，鋼軌較多，道床的搗固工作應(yīng)更加細(xì)致。

3.3 區(qū)間線路與岔區(qū)不同道床縱向阻力

計(jì)算以下工況:工況一，由于岔區(qū)與區(qū)間線路所采用的軌枕類型不同，岔區(qū)道床縱向阻力采用較小的阻力值，按圖2中秦沈客運(yùn)專線岔區(qū)阻力值取，區(qū)間線路采用圖1中清篩前阻力值;工況二，岔區(qū)及區(qū)間線路都采取圖1中清篩前阻力值;工況三，岔區(qū)采用清篩前阻力值，區(qū)間線路采用清篩前阻力值的60%。升溫50℃無縫道岔受力和變形如表3所示。

表3 岔區(qū)及區(qū)間線路道床縱向阻力不同時(shí)的影響 m

由表3可見，岔區(qū)道床縱向阻力減小，基本軌附加溫度力、心軌及尖軌伸縮位移有較大幅度增長，區(qū)間線路道床縱向阻力減小，道岔受力和變形的變化不大。因此，道岔區(qū)縱向阻力的減小對無縫道岔受力及變形影響較大，而區(qū)間線路道床縱向阻力減小對其影響較小。

在進(jìn)行大機(jī)維修和清篩作業(yè)后，應(yīng)提高岔區(qū)道床縱向阻力，防止岔區(qū)阻力減小引起道岔受力和位移的增大，影響道岔正常工作。

4 結(jié)論

1)線路在清篩作業(yè)后，直側(cè)股道床縱向阻力的不同會導(dǎo)致全焊無縫道岔直側(cè)股受力和位移的不對稱。當(dāng)直股道床縱向阻力比清篩前大，而側(cè)股道床縱向阻力未恢復(fù)時(shí)，直基本軌一側(cè)限位器比曲基本軌處限位器作用力大45.7%，對直基本軌處限位器不利。因此，清篩作業(yè)后應(yīng)加強(qiáng)對側(cè)股道床的搗固，使阻力盡快恢復(fù)。

2)搗固機(jī)搗固不密實(shí)引起的區(qū)間及岔區(qū)道床縱向阻力降低，會引起道岔鋼軌位移和受力增加很大，直基本軌附加溫度力近似于線性增大，位移的增大幅度則隨著阻力的減小而增大。需要加強(qiáng)對搗固質(zhì)量的檢查和對搗固辦法的研究，尤其在岔區(qū)，岔枕長短不同，鋼軌較多，道床的搗固工作應(yīng)更加細(xì)致。

3)岔區(qū)道床縱向阻力的降低會使道岔鋼軌附加溫度力和位移有顯著增加，區(qū)間線路道床縱向阻力減小對其影響不大。在線路維修養(yǎng)護(hù)中，要提高岔區(qū)道床縱向阻力，以保證道岔正常使用。

［1］李成輝.軌道［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2005:34-38.

［2］王平，劉學(xué)毅.無縫道岔受力與變形的影響因素分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2003，24(2):58-66.

［3］王樹國，林吉生.大號碼無縫道岔溫度力與變形的有限元計(jì)算［J］.中國鐵道科學(xué)，2005，26(3):68-70.

［4］陳小平，王平，呂關(guān)仁.大型養(yǎng)路機(jī)械清篩和維修作業(yè)對道床阻力的影響［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(4):90-92.

［5］鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.道床質(zhì)量狀態(tài)參數(shù)及無縫道岔測試報(bào)告［R］.北京:鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2003:15-29.

［6］王平，劉學(xué)毅.無縫道岔計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2007:136-137.

［7］沈福元.道床質(zhì)量對小型液壓搗固機(jī)搗固質(zhì)量的影響及改進(jìn)意見［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，1985(4):187-190.