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(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

在我國(guó)高速鐵路上使用的道岔尖軌多存在較大的轉(zhuǎn)換不足位移。不足位移會(huì)引起尖軌不密貼、頂鐵離縫偏大、軌向不良等病害，這些病害嚴(yán)重影響行車(chē)的安全性與穩(wěn)定性。近年來(lái)，陸續(xù)有學(xué)者運(yùn)用有限元軟件對(duì)道岔尖軌進(jìn)行仿真建模，分析摩擦因數(shù)、牽引點(diǎn)設(shè)置、密貼段剛度等因素對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換的影響[1-4]，但未對(duì)尖軌跟端軌底刨切對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換的影響進(jìn)行研究。本文基于有限單元理論，以60kg/m鋼軌18號(hào)單開(kāi)道岔尖軌為例，通過(guò)MIDAS/Civil和ANSYS軟件建立尖軌有限元仿真模型，研究尖軌轉(zhuǎn)換阻力組成及跟端工作邊軌底刨切對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換的影響。

1 尖軌模型

1.1 模型單元

尖軌采用二維變截面梁?jiǎn)卧狟eam 54模擬。將尖軌尖端、各特征截面、滑床板、牽引點(diǎn)、頂鐵、轍跟墊板設(shè)為梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)，使用MIDAS/Civil輔助計(jì)算各特征截面的截面特性數(shù)據(jù)。采用非線(xiàn)性彈簧Combin 39模擬尖軌與基本軌的密貼作用、頂鐵的限位作用、扣件系統(tǒng)對(duì)鋼軌的約束作用、滑床板及轍跟墊板對(duì)尖軌的支撐作用。

1.2 模型參數(shù)

1)尖軌扳動(dòng)時(shí)，尖軌的殘余應(yīng)力與扳動(dòng)力附加在尖軌上的應(yīng)力之和在鋼軌的抗拉強(qiáng)度之內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形積累現(xiàn)象[5]。因此，在尖軌扳動(dòng)過(guò)程中認(rèn)為尖軌材質(zhì)為彈性材料，其彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3。

2)根據(jù)滑床板潤(rùn)滑狀態(tài)及使用情況的不同，其動(dòng)摩擦因數(shù)在0.107～0.210[6]?？紤]滑床板磨耗腐蝕對(duì)滑床板摩擦因數(shù)的影響，尖軌與滑床板的摩擦因數(shù)取0.25。

3)扣件系統(tǒng)對(duì)尖軌有橫向約束作用，橫向剛度為25 MN/m；鐵墊板對(duì)尖軌有豎向支撐作用，鐵墊板豎向支撐剛度為50 MN/m；尖軌與基本軌密貼時(shí)的密貼剛度及頂鐵與尖軌軌腰接觸時(shí)的頂鐵剛度均取100 MN/m。

1.3 模型假定

1)尖軌有限元仿真模型如圖1所示。

圖1 尖軌有限元仿真模型

2)在尖軌豎向模型中，設(shè)置了一段鋼軌延長(zhǎng)段以模擬導(dǎo)軌對(duì)尖軌的影響；在尖軌扳動(dòng)模型中，尖軌扳動(dòng)時(shí)尖軌跟端在4組扣件之后的位移非常小，因此將尖軌跟端第4、第5組扣件的跨中位置假定為尖軌的剛性固定端。

3)在尖軌豎向模型中施加重力，求解出每個(gè)滑床板處的豎向支撐力。該支撐力與摩擦因數(shù)的乘積是各個(gè)滑床板作用于尖軌上的摩擦力。摩擦力作用方向與尖軌扳動(dòng)方向相反且不隨尖軌的位移而發(fā)生改變。

4)尖軌扳動(dòng)模型的初始狀態(tài)為與基本軌密貼狀態(tài)，然后將尖軌逐漸扳動(dòng)至各牽引點(diǎn)達(dá)到設(shè)計(jì)動(dòng)程的斥離狀態(tài)，再由斥離狀態(tài)扳回至密貼狀態(tài)。在整個(gè)扳動(dòng)過(guò)程中，各牽引點(diǎn)處的集中反作用力即尖軌各牽引點(diǎn)的扳動(dòng)力，尖軌扳動(dòng)前后的位置之差即尖軌不足位移。

1.4 模型優(yōu)化

由于摩擦力的存在，尖軌在扳動(dòng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微小的變形，扳動(dòng)最后階段即尖軌與基本軌密貼時(shí)，牽引點(diǎn)前某處先貼靠基本軌，若牽引點(diǎn)繼續(xù)扳動(dòng)，則須克服尖軌與基本軌變形而產(chǎn)生的較大的密貼反力。此時(shí)，牽引點(diǎn)的扳動(dòng)力會(huì)出現(xiàn)激增。

在實(shí)際線(xiàn)路中，由于道岔制造工藝、鋪設(shè)技術(shù)的限制，在道岔轉(zhuǎn)換過(guò)程中，尖軌與基本軌密貼段會(huì)存在一定的離縫[7-9]。

綜合考慮尖軌與基本軌的密貼要求及減少扳動(dòng)過(guò)程中激增段對(duì)整體數(shù)據(jù)的影響，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化措施為在尖軌扳回至貼靠狀態(tài)時(shí)，將尖軌3個(gè)牽引點(diǎn)與基本軌完全密貼，改為尖軌第1、第2牽引點(diǎn)與基本軌密貼，第3牽引點(diǎn)與基本軌存在0.2 mm的離縫。優(yōu)化前后尖軌各牽引點(diǎn)扳動(dòng)力如圖2所示。圖中，0—1為尖軌扳開(kāi)階段；1—2為尖軌扳回階段。

圖2 尖軌扳動(dòng)力

2 轉(zhuǎn)換阻力分析

尖軌在扳開(kāi)階段時(shí)所需克服的阻力主要是尖軌與滑床板間的摩擦阻力和尖軌彈性變形而產(chǎn)生的抗彎反力。尖軌在扳回階段時(shí)所需克服的阻力除上述2種阻力外，還包括尖軌與基本軌密貼時(shí)的密貼反力。

當(dāng)摩擦因數(shù)為0時(shí)，尖軌轉(zhuǎn)換只需克服尖軌彈性變形而產(chǎn)生的抗彎反力，且尖軌在轉(zhuǎn)換過(guò)程中所須克服的抗彎反力的大小并不會(huì)隨摩擦因數(shù)的變化而改變。摩擦因數(shù)分別是0和0.25時(shí)，尖軌各牽引點(diǎn)的最大扳動(dòng)力見(jiàn)圖3。

圖3 有無(wú)摩擦力情況下尖軌最大扳動(dòng)力

由圖2(b)與圖3可以發(fā)現(xiàn)：在滑床板摩擦因數(shù)為0.25時(shí)，牽引點(diǎn)扳動(dòng)力中用于克服抗彎反力的比例較小；第1牽引點(diǎn)最大扳動(dòng)力產(chǎn)生在密貼狀態(tài)時(shí)，其主要用于克服尖軌與滑床板的摩擦力和尖軌與基本軌的密貼反力；第2、第3牽引點(diǎn)最大扳動(dòng)力產(chǎn)生在斥離狀態(tài)時(shí)，其主要用于克服尖軌與滑床板的摩擦力與尖軌自身彈性變形而產(chǎn)生的抗彎反力。

3 跟端軌底刨切的影響分析

客專(zhuān)線(xiàn)道岔采用對(duì)尖軌跟端工作邊進(jìn)行單側(cè)軌底刨切的方式來(lái)降低尖軌的橫向剛度[10-11]。通過(guò)尖軌仿真模型對(duì)不同工況下尖軌的扳動(dòng)力及不足位移進(jìn)行計(jì)算，分析尖軌跟端工作邊軌底進(jìn)行不同寬度與長(zhǎng)度的刨切對(duì)尖軌轉(zhuǎn)換的影響。尖軌跟端工作邊軌底刨切如圖4所示。

圖4 尖軌跟端工作邊軌底刨切示意(單位：mm)

3.1 刨切寬度的影響

在確定尖軌跟端軌底刨切長(zhǎng)度為 3 600 mm 的前提下，用尖軌仿真模型分別計(jì)算對(duì)尖軌跟端工作邊軌底進(jìn)行不同寬度的刨切之后尖軌轉(zhuǎn)換時(shí)所需的扳動(dòng)力及轉(zhuǎn)換后的不足位移，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同刨切寬度下尖軌扳動(dòng)力及不足位移

由表1可知：隨著跟端軌底刨切寬度的增加，尖軌第1牽引點(diǎn)最大扳動(dòng)力基本不變，第2、第3牽引點(diǎn)的最大扳動(dòng)力隨之減小，最大不足位移隨之線(xiàn)性增加。

3.2 刨切長(zhǎng)度的影響

在確定尖軌跟端軌底刨切寬度為15 mm的前提下，用尖軌仿真模型分別計(jì)算對(duì)尖軌跟端工作邊軌底進(jìn)行不同長(zhǎng)度的刨切之后尖軌轉(zhuǎn)換時(shí)所需的扳動(dòng)力及轉(zhuǎn)換后的不足位移，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同刨切長(zhǎng)度下尖軌扳動(dòng)力及不足位移

由表2可見(jiàn)，隨著跟端軌底刨切長(zhǎng)度的增加，尖軌第1牽引點(diǎn)最大扳動(dòng)力與最大不足位移基本不變，第2、第3牽引點(diǎn)最大扳動(dòng)力略有減小，但減小幅度較小。

綜上分析可見(jiàn)，對(duì)尖軌跟端進(jìn)行軌底刨切可降低尖軌的整體量，從而減小尖軌在轉(zhuǎn)換過(guò)程中所受的摩擦阻力，但由于刨切的質(zhì)量所占尖軌跟端質(zhì)量較小，減小的摩擦阻力占總摩擦阻力的比例非常小。

增加尖軌跟端軌底的刨切寬度可在一定程度上降低尖軌跟端的橫向剛度，從而減小尖軌轉(zhuǎn)換時(shí)的抗彎反力；而增加尖軌跟端軌底的刨切長(zhǎng)度對(duì)尖軌跟端的橫向剛度影響較小。因此，尖軌跟端軌底刨切寬度取值的變化對(duì)尖軌的扳動(dòng)力與不足位移的影響較大；刨切長(zhǎng)度取值的變化對(duì)尖軌的扳動(dòng)力與不足位移的影響較小。

4 結(jié)論

通過(guò)建立客專(zhuān)線(xiàn)18號(hào)道岔尖軌有限元仿真模型，分析在有無(wú)摩擦力及不同尖軌跟端工作邊軌底刨切寬度及刨切長(zhǎng)度下尖軌扳動(dòng)力及不足位移。主要結(jié)論如下：

1)尖軌在貼靠基本軌時(shí)，由于尖軌與基本軌間會(huì)產(chǎn)生密貼反力，從而導(dǎo)致尖軌扳動(dòng)力激增。

2)尖軌第1牽引點(diǎn)最大扳動(dòng)力產(chǎn)生在貼靠狀態(tài)時(shí)，其主要用于克服尖軌與滑床板的摩擦力和尖軌與基本軌的密貼反力。

3)尖軌第2、第3牽引點(diǎn)最大扳動(dòng)力產(chǎn)生在斥離狀態(tài)時(shí)，其主要用于克服尖軌與滑床板的摩擦力和尖軌自身彈性變形而產(chǎn)生的抗彎反力。

4)增加尖軌跟端工作邊軌底的刨切寬度可降低尖軌轉(zhuǎn)換時(shí)的扳動(dòng)力，但不足位移會(huì)隨之增大。

5)改變尖軌跟端工作邊軌底的刨切長(zhǎng)度對(duì)尖軌扳動(dòng)力與不足位移的影響較小。