孙加林

(中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京　100081)

随着我国重载铁路向大轴重方向发展，轨道结构必将承受更大的荷载，从而加快结构部件的破坏速度，使养护维修工作量、维修成本等增加。道岔区一直以来是轨道结构的薄弱环节，由于道岔结构存在固有不平顺和刚度不均匀等特点，使得道岔承受的动力作用更加严峻。在国内外重载铁路运营过程中，发现道岔区尖轨、心轨、护轨等处发生磨耗和掉块，可动心轨部位发生断裂以及其他诸多问题，这些问题中很大一部分都是由于道岔轨下刚度不满足要求致使轮轨相互作用力加大而造成的。为了减轻列车通过道岔时对道岔结构部件的动力破坏作用，国内外科研工作者一致认为首要任务应该是提高列车通过岔区时的平顺性，减少由于道岔结构本身所造成的动力附加作用。国内有关轨道整体刚度平顺性的研究较少涉及到道岔范围内，同时，在刚度计算参数、产品如何实施等方面还有待深化研究。因此，研究道岔区的刚度分布及均匀化措施对提高重载铁路道岔区结构部件使用寿命和车辆运行稳定性有重要意义[1]。

本文以重载铁路主型75 kg·m-1钢轨12号固定辙叉道岔为研究对象，建立了全长范围的有限元分析模型，研究重载道岔沿线路纵向的整体刚度分布特征，通过仿真比选，提出重载道岔区刚度均匀化技术方案；通过对均匀化前、后轮轨动力特性的现场实测，分析道岔区刚度均匀化对动力冲击作用的改善程度。

1　道岔刚度计算有限元模型

本文利用MIDAS软件建立75 kg·m-1钢轨12号固定辙叉道岔的三维全尺寸有限元模型。道岔基本轨采用75 kg·m-1钢轨，尖轨采用矮型特种断面钢轨刨制而成，跟部锻压成标准的75 kg·m-1轨断面，尖轨断面依次由矮向高、由窄向宽逐渐变化，直至变成完整的AT钢轨廓面。该模型充分考虑基本轨、尖轨、心轨及岔枕的材料及截面属性。尖轨、心轨均采用变截面梁单元模拟；岔枕按实际几何尺寸用梁单元模拟。道岔区钢轨支点刚度模拟为点与点之间的弹性连接；枕下基础弹性采用面弹簧支承模拟；辙叉固定心轨模拟为1个刚性框架结构共同参与变形，而心轨处则简化采用刚性连接模拟， 如图1所示。

计算模型在道岔全长范围内共建立了99根岔枕，其中包括在岔区前后两端分别建立的10根Ⅲ型轨枕。同时，为了简化模型，直向过岔时，曲尖轨前端不装扣件区域与直基本轨之间不会发生任何相互作用，故直向过岔模型中未建立曲尖轨前端；同理侧向过岔模型未建立直尖轨前端[1]。

图1　道岔三维有限元模型

2　道岔整体刚度分布特征

道岔区轨道的整体刚度组成比区间轨道复杂，一般由钢轨抗弯刚度、钢轨支点刚度、部件辅助刚度组成，由于道岔自身结构的特点，道岔区全长范围内轨道整体刚度是不均匀变化的[2]。利用建立的重载铁路12号道岔全长范围结构有限元分析模型，施加节点动力时程荷载(直向过岔速度为80 km·h-1、侧向过岔速度为45 km·h-1)，采用直接积分法进行仿真计算，得到道岔区全长范围内轨道整体刚度分布曲线。

2.1　直股轨道整体刚度

图2和图3为直股轨道整体刚度分布曲线。从图2和图3可以看出：重载铁路区间线路轨道的整体刚度大致为125 kN·mm-1，车辆从区间线路进入到道岔转辙器区域时，无论是直基本轨还是直里轨的整体刚度均呈上升趋势，转辙器部分刚度增大主要是由于共用板下胶垫的刚度较大和帮轨作用造成的，直基本轨的刚度在第28根岔枕处达到最大值177.7 kN·mm-1，较区间线路的轨道刚度最大相差52 kN·mm-1左右；直里轨的刚度在第22根岔枕处达到最大值190.6 kN·mm-1，较区间线路的轨道刚度最大相差65 kN·mm-1左右。直基本轨和直里轨的刚度在连接区域比较均匀，分别为135～140 和140～145 kN·mm-1。

从第51根岔枕开始进入到辙叉区域，直基本轨和直里轨的刚度又开始呈上升趋势，直基本轨的刚度在第51～62根岔枕范围内保持在150～160 kN·mm-1，最大值出现在第62根岔枕处，为159.3 kN·mm-1，较区间线路的轨道刚度最大相差35 kN·mm-1左右；由于存在固定心轨的原因，直里轨的刚度在第51～58根岔枕范围内急剧增大，从170 kN·mm-1突增到285 kN·mm-1，较区间线路的轨道刚度最大相差160 kN·mm-1左右，从第59根岔枕开始减小，直至第79根岔枕位置降到125 kN·mm-1，与区间线路轨道刚度相当。辙叉部位刚度变大主要是由于辙叉下有大刚度垫板和辙叉钢轨抗弯刚度增加所致。

图2　道岔区直基本轨整体刚度分布曲线

图3　道岔区直里轨整体刚度分布曲线

2.2　曲股轨道整体刚度

图4和图5为曲股轨道整体刚度分布曲线。从图4和图5可以看出：曲股和直股轨道整体刚度的变化规律比较类似，只是在对应岔枕处刚度有少量差别。直轨和曲股的里轨刚度不均匀性较基本轨严重，辙叉区刚度不均匀幅值最大，转辙器次之，连接部分最小。

图4　道岔区曲基本轨整体刚度分布曲线

图5　道岔区曲里轨整体刚度分布曲线

3　道岔刚度均匀化技术措施

刚度均匀化是指通过合理设置弹性垫层的静刚度，并与部件刚度合理匹配，使列车通过时的轮轨动力相互作用减弱，并保持钢轨顶面挠度基本一致。合理的轨道刚度能提高列车运行的平稳性和旅客乘客的舒适性，改善轮轨相互作用，降低轨道结构振动强度，延长轨道部件使用寿命，减少养护维修工作量。岔区轨道刚度受众多因素影响，并且有些因素是不可避免的，比如间隔铁的影响，因此，即使对岔区轨道刚度进行均匀化处理，也难以使其保持在一条水平线上。但动力学分析表明，只要将刚度变化率控制在某一范围内，就能使刚度不均匀对行车的平稳性和旅客乘客的舒适性、轨道结构振动强度、轨道几何形位的影响很小。

道岔刚度中钢轨抗弯刚度以及间隔铁、轨下胶垫、板下胶垫和道床的支承刚度均可影响道岔结构的整体刚度，在这些影响因素中，钢轨和间隔铁在道岔结构设计中是不能随意改变的；轨下胶垫由于是扣件系统抗扭刚度的保证，也不能采用较低的刚度；改变道床刚度既不经济也难以实现；只有铁垫板下胶垫的刚度不仅可变范围大而且工程上容易实现，因此可通过合理设置板下胶垫的刚度实现道岔区轨道整体刚度的均匀化。通过大量的仿真计算，分析了区间线路在采用刚度为80 kN·mm-1的橡胶垫板情况下，弹性垫板支点刚度对道岔区轨道整体刚度的影响规律，最终确定了刚度均匀化方案：将转辙器尖轨区域的板下胶垫刚度从[240，250]调整到[160，180]区间，辙叉心轨区域的板下胶垫刚度从[150，160]调整到[120，130]区间[3-4]。

图6—图7给出了刚度均匀化前、后岔区直股轨道整体刚度分布对比结果，图8—图9给出了刚度均匀化前、后岔区曲股轨道整体刚度分布对比结果。由图6—图9可以看出：采用刚度均匀化方案后，基本实现了岔区的轨道刚度和区间线路的轨道刚度处于同一水平，基本上消除了由于道岔结构特点而存在的固有刚度不均匀。由于垫板刚度不能小于50 kN·mm-1，因此直里轨在固定心轨处还有较小的刚度差，但影响区域很小。

图6　均匀化前、后直基本轨刚度分布对比

图7　均匀化前、后直里轨刚度分布对比

图8　均匀化前、后曲基本轨刚度分布对比

图9　均匀化前、后曲里轨刚度分布对比

4　轮轨动力作用改善

2013年4月24—29日，在大秦线阳原18号岔位对道岔进行道岔垫板更换，全部采用优化设计的板下热塑性弹性体微孔结构垫板和轨下热塑性弹性体垫板，期间更换了1～49号岔枕的板下垫板，33～49号岔枕的轨下垫板。2013年10月大修时又将50号后岔枕的垫板全部更换为热塑性弹性体微孔结构垫板。

为了验证道岔区刚度均匀化技术措施对减缓轮轨动力相互作用的改善效果，在更换弹性垫板前后分别进行动力测试，选取5个钢轨断面作为测试对象，其中转辙器部分设置3个(断面1～3)、连接部分1个(断面4)、辙叉区1个(断面5)，分别测试左右2根钢轨的轮轨垂向力以及钢轨垂向变形，具体测点的布置位置见表1[5-6]。

表1　测点布置位置

动力指标的测试方法如下。

1)轮轨垂向力

参照TB/T 2489—94《轮轨水平力、垂直力地面测试方法》，运用剪力法和轨腰压缩法测试列车直向过岔时典型断面的轮轨垂向力，并采用轮轨力标定架，根据试验列车以5 km·h-1的速度通过测试位置时所采集到的数据进行准静态标定和校核。

2)钢轨垂向变形

利用弹片式位移计测试典型断面的钢轨垂向变形，并采用塞尺现场进行标定。

现场安装的应变片和弹片位移计如图10和图11所示。

图10　轮轨力应变片布置

测试结果取10次相同速度级的平均值，表2和表3分别为刚度均匀化前、后C80型重车以38和53 km·h-1速度通过时轮轨垂向力的对比情况，表4为刚度均匀化前、后钢轨垂向位移的对比情况。

现场动力指标测试结果表明：采用刚度均匀化措施可以使道岔区的钢轨变形基本保持均匀变化，

图11　钢轨位移计现场布置

表2　C80型重车以38 km·h-1速度通过时轮轨垂向力

表4　刚度均匀化前、后钢轨的垂向变形

并且在整个道岔区域内均不同程度地减少了轮轨动力作用，其中里轨的轮轨垂向力最大减幅为28 kN(约17%左右)，发生在转辙器尖轨60 mm宽断面处，基本轨的轮轨垂向力最大减幅为26 kN(约16%左右)，发生在辙叉心轨前端断面处，这进一步证明了消除道岔区轨道刚度不均匀性对延长尖轨、心轨等的使用寿命有积极作用。

5　结　论

(1)由仿真分析得到的既有75 kg·m-1钢轨12号固定辙叉道岔的整体刚度分布曲线可知：岔区直股、曲股的轨道整体刚度分布情况基本相似，转辙器与辙叉区域均有较大的刚度不均匀存在，里轨较基本轨情况更为严重；道岔区里轨刚度的最大值为285 kN·mm-1，相对于区间线路的轨道刚度最大相差165 kN·mm-1，发生在辙叉第58号岔枕位置；道岔区基本轨刚度的最大值为178 kN·mm-1，相对于区间线路的轨道刚度最大相差57 kN·mm-1，发生在转辙器第28号岔枕位置。

(2) 综合考虑影响道岔区轨道刚度的结构部件作用特点，提出通过调整铁垫板下长大胶垫的刚度实现岔区轨道刚度均匀化的技术措施。

(3) 通过调整铁垫板下长大胶垫的刚度，可以使岔区的轨道刚度基本与区间线路的轨道刚度在同一水平，基本上消除了由于道岔结构特点而存在的岔区轨道固有刚度不均匀。

(4)采用刚度均匀化措施可以使道岔区钢轨变形基本保持均匀变化，并且在整个道岔区域内不同程度地减少轮轨动力作用，其中里轨的轮轨垂向力最大减幅为28 kN(约17%左右)，基本轨的轮轨垂向力最大减幅为26 kN(约16%左右)，进一步证明了消除道岔区轨道刚度不均匀性能够延长尖轨、心轨等的使用寿命。

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