李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350)

朔黃鐵路無縫道岔縱向力分析與應用

李保龍

(朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350)

朔黃鐵路道岔采用75 kg/m鋼軌12號單開道岔，無縫道岔采用半焊式，側線未進行焊接或凍結，道岔轉轍器部位是無縫道岔結構受力最不利的部位，道岔基本軌承受縱向力較大，且尖軌易產(chǎn)生爬行。為分析無縫道岔在溫度力作用下的受力和變形規(guī)律，指導現(xiàn)場維修和管理作業(yè)，采用三節(jié)點力學模型和二次松弛法對無縫道岔溫度力和變形進行了分析，并結合線路實際問題，對重載鐵路無縫道岔提出改進和加強建議。

無縫道岔 縱向力 位移 養(yǎng)護維修

美國、加拿大、澳大利亞、南非、瑞典、巴西等國外重載鐵路的軸重普遍達到30 t以上，最大軸重達至40 t。從國際鐵路發(fā)展趨勢來看，提高軸重是重載鐵路提高運輸能力和運輸效率最有效的途徑之一［1］。提高既有鐵路尤其是煤炭運輸鐵路軸重是鐵路發(fā)展的趨勢。2011年朔黃鐵路開始進行30 t軸重線路設備改造與強化研究，并于2013年7月進行了30 t軸重貨物列車實車試驗，現(xiàn)已經(jīng)投入運營，朔黃鐵路2014年運量達到2.48億t。

朔黃鐵路上行線為重載線路，線路類型為跨區(qū)間無縫線路，鋼軌類型為75 kg/m鋼軌，具有大運量、高密度運營特點。采用的30 t軸重75 kg/m鋼軌12號單開道岔(以下稱12號道岔)是根據(jù)重載鐵路運輸需要研制的，可滿足軸重提高對軌道設備的綜合要求［2］。為分析無縫道岔在溫度力作用下的受力和變形規(guī)律，指導現(xiàn)場維修和管理作業(yè)，采用原蘭州鐵道學院許實儒教授提出的三節(jié)點力學模型和二次松弛法對無縫道岔溫度力和變形進行了分析，并結合線路實際問題，提出改進和加強建議。

1 計算模型的建立

鋪設道岔為75 kg/m鋼軌12號單開道岔，直線方向為固定區(qū)，側線方向為普通線路。計算模型見圖1。

假設尖軌與基本軌的聯(lián)結是固定的，不能相互位移，整個道岔共有3個節(jié)點，基本軌與導軌聯(lián)結的兩個轍跟部位用節(jié)點a和b表示，轍叉心用節(jié)點c表示。用δa，δb和 δc分別表示各節(jié)點的縱向位移，以向左為正。把節(jié)點a視為a1，a3和ac三個軌端的聯(lián)結點，用Pac表示作用在ac軌節(jié)a端的溫度力;用 δac表示 ac軌節(jié)a端的位移;其余依次類推。ac軌節(jié)以道岔導曲線的弦線表示。曲股和直股兩根鋼軌長Lac和Lbc均包括轍叉前長，兩者相差很少，近似取值1 700 cm，轍叉角ɑ為4°45'49″，cosɑ≈1。

圖1 計算模型

2 無縫道岔溫度力及位移計算

2.1 計算原理

按照超靜定結構力學松弛法原理，首先將各節(jié)點鎖住，既不允許各節(jié)點產(chǎn)生位移，求出此時各軌溫度力。第一次松弛，將各節(jié)點約束松弛，節(jié)點左右受力不平衡，產(chǎn)生位移，道床縱向阻力發(fā)揮作用，各節(jié)點受力得以平衡，求得節(jié)點位移和各軌溫度力。第二次松弛，將尖軌跟部和基本軌之間的約束去掉，尖軌將產(chǎn)生相對于基本軌的位移，并引起各軌內(nèi)力重新分布［3］。

計算時，對節(jié)點a以左和節(jié)點c以右的區(qū)段，道床縱向梯度阻力r1為常量，每股鋼軌取91 N/cm。節(jié)點a處的道床縱向阻力p為91 N/cm，節(jié)點c處道床縱向阻力p'為131 N/m，而軌枕每側有兩根鋼軌，外側兩根基本軌的道床縱向阻力p1為91 N/cm，內(nèi)側兩導軌ac和bc的道床縱向阻力p2則為20 N/cm。

本文中，鋼軌溫度變化以朔黃鐵路途徑的肅寧地區(qū)為例，歷史最高軌溫 Tmax為61.1℃，歷史最低軌溫Tmin為－22.6℃。

2.2 節(jié)點鎖定時鋼軌溫度力計算

1)固定區(qū)鋼軌溫度力P0

道岔內(nèi)任何不能伸縮的鋼軌溫度力均等于固定區(qū)鋼軌溫度力 P0。以肅寧地區(qū)為例，鎖定軌溫28℃，Tmax－Tmin=83.7℃，壓應力溫差 Δt壓=33.1℃，拉應力溫差 Δt拉=50.6℃，75 kg/m 鋼軌截面積 F= 95.037 cm2。彈性模量E=210×109Pa。鋼軌溫度膨脹系數(shù) α=1.18×10－5/℃，以鋼軌升溫為例，P0= EFαΔt壓=23.55Δt壓=780 kN，即在固定區(qū)內(nèi)，溫度每變化1℃，單根鋼軌溫度力變化23.55 kN。

2)伸縮區(qū)鋼軌溫度力

在圖1中，所有鋼軌均處于固定區(qū)，只有側向c5，b6處于伸縮區(qū)。c5，b6的長度分別用Lc5和Lb6表示。根據(jù)道岔結構尺寸，取Lc5=2 895.4 cm，Lb6=5 252.4 cm。

假設夾板接頭阻力PH=550 kN，則 c5段鋼軌作用于節(jié)點c的溫度力P0c5=813 kN，b6鋼軌作用于節(jié)點b的溫度力P0b6=1 027 kN。

2.3 第1次松弛時各點溫度力和位移

變形相容條件:當約束放松時，節(jié)點a將產(chǎn)生位移δa，與節(jié)點a相聯(lián)結的各軌端亦將產(chǎn)生位移，并與δa相等，即δa=δa1=δa3=δac。ac段鋼軌作用于節(jié)點a的溫度力為ΔPac，假設其大小為P0的1/4，即

ΔPac=P0/4=195 kN

1)第一次松弛時各節(jié)點位移計算

式中:p為a端的道床縱向阻力;ΔPa1為a1軌節(jié)a端的溫度力變化量，ΔPa1=(P0－ΔPac)/2。

2)a1軌節(jié)a端的溫度力變化ΔPa1的影響范圍為

式中:p1為外側兩根基本軌的道床縱向阻力。

3)導軌ac的伸長量

式中:Cp為單位道床阻力平均值，取34 kN。4)節(jié)點c的位移計算

5)節(jié)點c的各軌端部力因已知δc4=δc5=δc，故有

6)導軌bc的伸長量

如圖2所示，由力的平衡條件得cb軌節(jié)b端的溫度力變化量ΔPcb=233 kN，ΔPbc=ΔPcb+Cp=267 kN。

圖2 節(jié)點c的閉合條件

7)節(jié)點b的位移和閉合條件

由以上的遞推分析已求得δb和ΔPbc，兩個數(shù)值需滿足節(jié)點b的閉合條件(圖3)。

圖3 節(jié)點b的閉合條件

如圖3所示，由力的平衡條件得P0+ΔPb2=P0－ΔPbc+P0b6－ΔPb6，由相容條件得 δb=δb6=δb2=δbc，從而有

2.4 第2次松弛時尖軌相對基本軌的位移

上述所求得的各鋼軌端部力是在假設尖軌跟部與基本軌完全固定的條件下得出的?，F(xiàn)在將這個約束去掉，首先分析尖軌跟部聯(lián)結部件完全不能傳遞縱向力的極端情況。以導軌ac為例，這時a端將向前位移，其端部力將釋放為0，如圖4所示。

當導軌ac端部向前伸長時，扣結導軌的中間扣件將阻止其位移，此阻力將通過軌枕而傳給基本軌。這就相當于原來由跟部聯(lián)結部件集中承受的585 kN端部力，現(xiàn)在改由中間部件通過軌枕分散傳遞給基本軌［4］。

現(xiàn)假設c點位移為0，縱向阻力呈線性分布，縱向阻力主要是基本軌通過扣件—岔枕—扣件而傳遞的阻力。經(jīng)第2次松弛后，內(nèi)力重新分布，基本軌a1，a3和導軌ac的內(nèi)力圖參看圖4，圖中陰影部分即表示二次松弛后得到的內(nèi)力分布。由圖可以看出導軌減小的溫度力585 kN加給了基本軌(AB區(qū)段疊加至 E處)。在此情況下，導軌a端或尖軌跟部的位移量δ等于被釋放的溫度力除以EF，即

也就是說，一年內(nèi)尖軌跟部與基本軌相對位移的變化幅度有可能達到0.7 cm。這對跟部聯(lián)結螺栓來說還是可以承受的。

隨著軌溫升高，道岔基本軌上的附加縱向力逐漸增大［5］，在基本軌的轉轍器附近出現(xiàn)最大附加縱向力。在同一軌溫條件下，從轍叉跟端至尖軌跟端導軌的縱向力逐漸遞減，轍叉趾端和跟端的縱向力差等于轍叉的阻力。由以上分析可知，在尖軌跟端相對應的直、曲基本軌位置向尖軌尖端方向出現(xiàn)溫度力峰值，最大壓應力在975～1 109 kN，比固定區(qū)壓力增加了約66%，影響范圍在2.857～4.000 m。

圖4 尖軌跟部聯(lián)結部件不傳遞縱向力的情況(單位:kN)

3 無縫道岔運營中常見問題分析

3.1 無縫道岔轉轍部分

道岔是線路的薄弱環(huán)節(jié)之一，而道岔轉轍器部位是整個道岔結構受力最不利的部位，為確保無縫道岔結構的整體穩(wěn)定性，無縫道岔上的鋼軌扣件必須經(jīng)常保持緊固。在基本軌的外側應加強防爬鎖定，保持規(guī)定的螺栓扭力矩和道床飽滿密實，砟肩寬度和堆高相比其它部位適當增加。SC559道岔在轉轍部分的第1、第2牽引桿兩端的岔枕間設有岔枕聯(lián)結裝置，此裝置可保證牽引桿兩側軌枕的標準間距，既能防止牽引桿與岔枕發(fā)生相對位移，又能提高道岔整體框架剛度。在道岔日常管理當中要保證岔枕聯(lián)結裝置位置正確，作用良好。

在無縫道岔溫度力和位移分析當中，假設尖軌跟端和導軌的聯(lián)結處為固定節(jié)點，兩導軌為無縫線路中的固定區(qū)，尖軌處于自由伸縮狀態(tài)［6］。實際情況很難實現(xiàn)尖軌跟端的完全固定，同時尖軌在重載列車縱向力作用下也易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，日常維修當中應高度重視檢查尖軌的位移，特別是直、曲尖軌的不同步位移，加強轉轍部位各部螺栓的鎖定和聯(lián)結零件的齊全有效，以免影響道岔扳動的現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 無縫道岔凍結接頭

尖軌跟端與導軌相聯(lián)的接頭和轍叉趾、跟部均采用凍結接頭［7］，并采用夾板和鋼軌軌腹粘結成一體的技術，確保其足夠的抗剪能力。凍結接頭阻力理論上可以達到2 500 kN，但在日常維修養(yǎng)護中往往由于安裝工藝不標準、接頭螺栓得不到定期復緊、接頭狀態(tài)不良等導致凍結失效，產(chǎn)生軌端位移，造成導軌非正常位移。凍結施工后3 d內(nèi)每天檢查軌縫，同時對接頭螺栓進行復緊，第7 d再進行檢查和復緊1次，1個月時再次進行檢查和復緊，并將檢查和復緊情況登入技術卡片。此后每月應對凍結接頭檢查軌縫、復緊螺栓，使螺栓扭矩保持在1 100 N·m，經(jīng)常保持凍結接頭處于完好狀態(tài)。

3.3 無縫道岔限位器

朔黃鐵路上行正線采用的主型道岔為 SC559，在第26～第27根和第30～第31根軌枕之間安裝限位器2組，尖軌跟端接頭在第28～第29根軌枕之間，兩組限位器分別對尖軌與基本軌和導軌與基本軌之間的相對位移進行了限制。在鎖定軌溫下，限位器的間隙應符合(7.0±1.5)mm的要求。限位器如有卡死的現(xiàn)象，將增加對基本軌的附加作用力，甚至影響基本軌的正常工作，因此在限位器間隙 ＜0.5 mm時應進行調(diào)整，并對道岔進行全面檢查，分析產(chǎn)生原因，恢復原有狀態(tài)，確保道岔受力均衡［8］。

3.4 無縫道岔絕緣接頭

朔黃線SC559道岔的絕緣接頭設置在連接部分的側股，其中導曲線上股設置為膠接絕緣接頭，則 ac段為固定區(qū);導曲線下股設置為凍結絕緣接頭，則 b6段為伸縮區(qū)［9］。接頭軌縫設置:膠接絕緣接頭按6 mm，其他接頭按8 mm。膠接絕緣鋼軌進行永久處理后，應嚴格掌握軌溫、膠接絕緣鋼軌長度和預留軌縫，確保處理后無縫線路鎖定軌溫不變。位于導曲線上的絕緣接頭，要及時打磨軌頭下顎出現(xiàn)的肥邊，當接頭處側磨達到輕傷標準時應更換鋼軌，以防止因軌頭下顎肥邊與夾板接觸而構成聯(lián)電故障［10］，小半徑曲線可使用曲股內(nèi)側專用膠接絕緣夾板。發(fā)現(xiàn)膠接絕緣接頭個別螺栓折斷或松動時，應及時更換并復緊，新更換螺栓扭矩應達到1 200 N·m，并在5 d內(nèi)復緊3次。

3.5 無縫道岔側線

側線和渡線應鎖定，鋼軌接頭宜焊接或凍結［11］，緊固扣件，朔黃線無縫道岔采用半焊式結構，側線沒有進行焊接或凍結，但要求鎖定75 m線路，困難情況下不應短于50 m。由于朔黃上行正線為跨區(qū)間無縫線路，下行正線為普通線路，若側線在近距離內(nèi)(不足50 m)有鄰線道岔，則應加強鄰線道岔的鎖定，否則對相鄰道岔受力有不利影響。

3.6 無縫道岔傷損軌料更換

朔黃鐵路SC559道岔轍叉采用貝氏體組合轍叉，轍叉趾、跟部與轍叉亦采用膠粘凍結接頭，接頭端部設玻璃鋼軌端片。由于朔黃鐵路運行以C70，C80為主的萬t列車，軸重在25 t以上，高密度、大運量和大軸重的列車對道岔部件的損害較大，導致尖軌和轍叉的更換較為頻繁，由于施工時間限制往往不能立即實現(xiàn)相關部位的凍結且不能恢復原鎖定軌溫，而是先以普通接頭夾板進行聯(lián)結，造成道岔內(nèi)的應力進行重新分配［12］。在更換過程中造成的無縫道岔鎖定軌溫不均或異常，應及時進行應力放散，恢復道岔原鎖定軌溫，并保持轍叉位置不變且膠粘凍結接頭不失效。尖軌和基本軌是配套供應的，因此若尖軌發(fā)生傷損，傷損的尖軌應與其基本軌同時更換。如單獨更換尖軌，更換前應校核尖軌的幾何尺寸，使之與基本軌配套，并及時進行基本軌和尖軌的順坡打磨?；拒墦p害不能繼續(xù)使用時，在切割拆除基本軌后，先換入軌端帶螺栓孔的基本軌，兩端用夾板和螺栓聯(lián)結，臨時恢復通車，然后安排換入軌端無孔的基本軌，用鋁熱焊或小型氣壓焊焊接，進行永久處理。

3.7 無縫道岔應力放散

無縫道岔應力放散應以每組道岔為一單元，除道岔之間的夾直線外，應力放散單元軌條不宜超過150 mm，道岔的中心位置保持不變，道岔直、曲基本軌應力放散應徹底準確且均勻［13］。應力放散后，及時將應力放散日期、時間、放散軌溫、重新鎖定軌溫記入技術檔案，并及時重設縱向位移觀測標記。放散后12 h內(nèi)粘貼好位移觀測標尺，對兩個單元軌節(jié)共用的觀測樁和觀測標尺保留在非放散單元，放散后1～4 d內(nèi)安排人員對各部分立螺栓進行復擰，確?？蹓毫_標。

4 結論

1)道岔轉轍器部位是整個道岔結構受力最不利的部位。在尖軌跟端相對應的直、曲基本軌位置向尖軌尖端方向出現(xiàn)溫度力峰值，最大壓應力在 975～1 109 kN，比固定區(qū)壓力增加了約66%，影響范圍在2.857～4.000 m。尖軌在重載列車縱向力的作用下也易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

2)尖軌跟端與導軌相聯(lián)的接頭和轍叉趾、跟部均采用凍結接頭，并將夾板和鋼軌軌腹粘結成一體，確保其足夠的抗剪能力，凍結接頭阻力理論上可以達到2 500 kN。

3)朔黃鐵路上行正線采用的主型道岔為 SC559，采用半焊式結構，側線沒有進行焊接或凍結。在第26～第27根和第30～第31根軌枕之間安裝限位器2組，尖軌限位器前后各25 m范圍內(nèi)基本軌扣件的扭矩一般在60～80 N·m。

4)道岔部件損害后，應及時進行應力放散，恢復道岔原鎖定軌溫，并保持轍叉位置不變且膠粘凍結接頭不失效。

5)無縫道岔應力放散應以每組道岔為一個單元，放散單元軌條不宜超過150 mm，放散后1～4 d內(nèi)對螺栓進行復擰，確?？蹓毫_標。

［1］張志方.30 t軸重重載鐵路軌道結構技術創(chuàng)新與發(fā)展［J］.中國鐵路，2014(3):12-15，20.

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Analysis and application of continuous welded turnout's longitudinal force for Shuozhou-Huanghuagang railway

LI Baolong
(Shuohuang Railway Development Co.，Ltd.，Suning Hebei 062350，China)

Shuohuang railway turnout used 75 kg/m Rail 12 simple turnout and continuous welded turnout was half welded style，lateral line of which has not been welded or frozen.T urnout switch is the most disadvantaged force part of continuous welded turnout structure，turnout basic rail bears a large longitudinal force，and switch rail is prone to creeping.In order to analyze the stress and deformation law of the continuous welded turnout under the action of temperature and guide field maintenance and management，temperature force and deformation of the continuous welded turnout were analyzed by using three node mechanical model and twice relaxation method，and improvement and suggestions for the continuous welded turnout of heavy haul railway were proposed by combining with railway line actual problem.

Continuous welded turnout;Longitudinal force;Displacement;M aintenance and repair

U239.4;U213.6

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.33

(責任審編 葛全紅)

2015-08-10;

:2015-09-10

國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00)

李保龍(1979— )，男，工程師，碩士。

1003-1995(2015)11-0116-05