30号道岔受力分析与计算.docx

30号道岔受力分析与计算.docx

《30号道岔受力分析与计算.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《30号道岔受力分析与计算.docx（55页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

30号道岔受力分析与计算

摘要

为适应我国铁路运输全面提速和重载铁路发展的需要，轨道结构需要加强和改进，铺设跨区间无缝线路是一种有效的途径。

无缝道岔是实现跨区间无缝线路的关键技术之一。

当道岔两端与区间长轨焊连在一起，道岔两端承受巨大的温度力,以及结构的不对称性和受力的不对称性，使得岔区的受力处于复杂状态。

随着轨温的升降，无缝道岔两端通过有关部件的传递，岔区无缝线路还将承受附加温度力的作用，同时道岔尖轨或可动心轨将产生较大的伸缩位移，道岔区钢轨承受的纵向力以及产生的位移，将影响到道岔的强度和稳定性以及行车的安全性。

本设计以30号无缝道岔为研究对象，在对无缝道岔的纵向力传递机理进行研究的基础上，基于有限单元法理论，应用有限元软件ANSYS建立无缝道岔有限元模型，进行纵向力与位移分析。

然后计算导出纵向附加温度力和纵向伸缩位移的数据，应用Excel表绘制纵向附加温度力和纵向伸缩位移的变化曲线图，从基本轨、导轨和心轨的不同方面进行分析，计算不同轨温变化幅度情况下各钢轨纵向附加力和纵向伸缩位移的变化，最后总结无缝道岔钢轨温度力和位移分布规律。

本文还对影响无缝道岔纵向力与位移的各种因素进行了分析，指出轨温变化幅度、扣件阻力及道床阻力是影响无缝道岔纵向力与位移的主要因素。

并分析了轨温变化幅度、扣件阻力及道床阻力对无缝道岔受力及变形的影响。

最后，根据计算结果，对无缝道岔的设计和铺设提出了一些建议。

关键词：

无缝道岔，有限元法，温度力，位移

Abstract

Inordertoadapttheneedsofrisingspeedrailwayandheavyhaulrailway,itisnecessarytostrengthenandimprovetrackstructure,theninter-districtCWRisaneffectiveway.Seamlessswitchistoachieveseamlesscrossbetweenoneofthekeylines.Whenturnoutsareweldedwithrails,theyareundergreattemperatureforce,thesymmetryofstructureandforcemakethebifurcationareastressincomplexstatus.Withtherailtemperaturefluctuation,seamlessturnoutrelaystheforcethroughrelevantparts,bifurcationareajointless-trackwillalsobeartheadditionalrole,atthesametime,turnoutwillproducelargeexpansiondisplacement,longitudinalforceanddisplacement,whichwillaffectthestrengthoftheturnoutandthestabilityandsafetyoftrain.

ThispaperregardNO.30seamlessturnoutasresearchobject,basedonthefiniteelementprincipleandstudyingonthetemperatureforcespassingprinciplesofcontinuousweldedturnoutswithmovablepointfrog,makesafiniteelementmodelbyusingANSYStoanalyzetheforcesanddeformation.andthencalculatethetemperaturederivedadditionallongitudinalforceandverticaldisplacementofthedataexpansion,additionalapplicationofExcelChartinverticalforceandverticaltelescopicdisplacementofthetemperaturechangecurve,fromthebasictrack,railandtrackminddifferentaspectsofanalysis,summarizedtheirchangingpatterns.Calculatethetemperaturechangerangeofdifferenttrackundertherailverticaldisplacementofadditionalforceandverticaltelescopicchangesandfinally,summarizeseamlessturnouttemperaturestressanddisplacementdistribution.

Thepaperanalyzesthefactorswhichaffectthelongitudinalforceanddisplacementofseamlessturnout,pointingoutthatrailtemperaturevariation,restrictingdevicearethemainpoints.Inaddition,theanalysisofwhatkindofimpactsthetemperaturevariation,fastenerresistancewilleffectontheseamlessturnoutstressanddeformation.Finally,somesuggestionsaboutdesignandlayingofseamlessrailwereputforwardaccordingtothecomputationalresults.

Keywords:

Seamlessturnout，Finiteelement，Temperatureforce，Displacement

第1章概述

1.1引言

无缝线路是20世纪轨道结构进步的重要标志，20世纪90年代开始在我国推广应用。

无缝道岔则是实现跨区间无缝线路的关键技术之一。

无缝线路是把许多标准长度的钢轨焊接而成的长钢轨线路，也称焊接长钢轨线路。

它是当今轨道结构的一项重要新技术，世界很多国家目前都在大力发展。

与普通线路相比，由于无缝线路消灭了大量的接头缺陷，因此具有行车平稳、舒适旅客，同时轨道和机车车辆的维修费用减少，使用寿命延长，节约能耗等一系列优点。

为保证无缝线路的强度和稳定，需要了解长轨条内温度力的影响及其变化规律。

轨温的变化会使其自由放置的钢轨自由伸缩，夏天受热时它会伸长，冬天受冷时则会缩短，这也就是所谓的热胀冷缩。

将多根钢轨联结成轨道，一般每隔一段钢轨长度12.5m或25m就会有一个接头。

接头之间需要预留轨缝，一般6mm左右，为的是防止钢轨由于热胀冷缩产生的温度力而发生破坏。

一根长度为l的可自由伸缩的钢轨，当轨温发生变化时其计算公式

为：

（1-1）

式中

—钢轨的线膨胀系数，一般取值为

；

—钢轨长度，其单位为mm；

—轨温变化幅度，其单位为

。

为限制钢轨的自由伸缩，需把钢轨两端固定起来来约束它的自由伸缩，那么一旦轨温发生变化，钢轨便会受力，由于这个力是由轨温变化而引起的，故称为温度力。

简单点说，就是钢轨经锁定后，冬天温度降低时，钢轨要缩短，但受到约束也不能够缩短，内部便产生拉力；夏天温度升高时，钢轨要伸长，但受到约束不能够伸长，内部便会产生压力。

正因为钢轨被牢牢的锁定在了轨枕上，钢轨才能在受到较大的温度力时而不变形，这就是无缝线路的基本原理。

各种轨道结构的应用和发展，主要取决于运营的效果。

现代铁路为实现重载、高速运输而改善轨道结构而采取的各种措施中，超长无缝线路的发展与应用可以说是最佳选择。

为满足提速列车以及重载列车的需求，我国无缝线路的轨道长度是日益增长，出现了区间无缝线路和跨区间无缝线路两种。

区间无缝线路只是延长了焊接轨的长度，使其达到或是接近区间长度，在技术操作上基本上没有什么困难。

而跨区间的无缝线路则很不相同，他需要把道岔与无缝线路长轨条焊接在一起，从而使道岔的受力及变形发生一定的变化，这样的道岔也称之为无缝道岔，如图1-1所示。

无缝道岔作为发展跨区间无缝线路关键技术之一，其道岔始端及末端与两端的无缝线路实施胶接或焊接，当轨温发生变化时，道岔前后两端温度力处在不平衡状态，钢轨会产生附加温度力，并致使相关部件产生一定的纵向位移，当钢轨附加温度力及变形超过一定范围时便容易破坏无缝道岔的几何平顺性，并致使其结构部件的破损，从而降低旅客乘车的舒适性，甚至直接威胁行车的安全。

无缝道岔在温度力作用下的受力与变形的规律较为复杂，是进行无缝道岔设计、施工及维护的理论基础和主要难点，也是发展高速和重载铁路技术难点之一。

因此，进行铁路无缝道岔温度附加力与位移分析的研究在铁路轨道工程和我国客运专线及高速铁路建设中具有重要的理论意义和工程实用价值。

图1-1无缝道岔辙叉

可见弄清楚无缝道岔的受力和变形规律，以及无缝道岔的计算理论和设计方法，用于指导无缝道岔的设计、施工及维修养护，对我国无缝线路的发展有着重大意义。

为了适应我国铁路运输提速的要求，30号道岔已在1998年研制成功。

30号道岔大大提高了之前的侧向过岔速度，但是随着列车速度的提高，新的问题也随之产生，如轮轨间动力作用，机车车辆及轨道设备的使用寿命变短等

。

随着近年来提速道岔的快速发展，对道岔的改进工作也在同步进行，30号改进型可动心轨道岔也已研制成功。

本文以30号无缝道岔为研究对象，应用有限单元法，建立无缝道岔的计算模型，根据ANSYS中的单元特性，对钢轨、轨枕、道床、扣件、限位器及间隔铁等选择不同的单元进行模拟,并选取合适的计算参数，对30号无缝道岔进行温度力与位移的计算，研究无缝道岔钢轨温度力和位移的变化规律，并分析轨温变化幅度、扣件阻力、道床阻力等因素对无缝道岔受力及变形的影响。

1.2国内外无缝道岔的发展

1.2.1国外无缝道岔的发展

道岔高速化是目前世界各国道岔发展的共同趋势。

一些铁路系统较为发达的国家如法国、德国、英国、日本等在高速道岔这个问题上，已有了较为完整的设计方案

。

高速铁路对轨道结构有了更高的要求，高稳定性和高平顺性便是其中之一，因此世界各国200km/h以上的线路上都采用跨区间无缝线路，这样有利于消除钢轨接头对高速行车的影响。

1.国外高速铁路无缝道岔设计理念

（1）系统化的设计。

把电务和工务视为一体化系统，两者相互作用、缺一不可。

道岔各部件包括钢轨、轨枕、联结零件等之间的精密配合十分关键，这关系到高速道岔能否正常工作。

（2）保证行车舒适性。

高速道岔应当具有区间线路相同的行车舒适性。

（3）保证可靠的安全性。

道岔通常视为轨道的薄弱环节之一，安全性相对较低，高速度应当在安全的前提下去实现。

在高速道岔中，我们通常采取以下措施来保证其行车安全性：

检算速度通常比设计速度略高，通常高10%左右；采用可靠性高的锁闭、密贴检查装备；强化某些薄弱部分，像可动心轨等；采用科学合理的无缝道岔技术。

（4）保证无缝道岔的高平顺性和低维修性。

无论在设计、制造或是铺设、养护环节，高平顺性一贯都是其最最坚持的原则。

（5）以完善的道岔动力学计算为指导并配合实验分析。

2.德国的无缝道岔

德国高速道岔的研发是在20世纪80年代开始的，道岔导曲线采用复合圆曲线组合线型。

经过多年经验的积累以及深入研究，并配合实验和道岔各种仿真分析，德国形成了自己的一套模式，其中包括加强固定式心轨跟端结构、缓圆缓平面线性、锟轮式尖轨转换减磨措施、高弹性扣件等

。

由于德国开始使用的是有砟道床，初期道岔更换比较频繁，因此完善整体道床道岔的技术一直以来都是德国高速道岔的发展方向，目前德国BWG公司制造的高速无缝道岔的结构具有以下几个特点：

（1）转辙器跟端结构。

转辙器跟端采用限位器作为传力部件。

限位器安装在尖轨与基本轨的轨腰上，通过子母块的调节，将温度力从尖轨传递至基本轨。

这种结构一方面可以释放部分作用于基本轨上的温度力，防止轨道结构受力的过度不平衡；另一方面还可以将尖轨伸缩位移控制在允许范围内。

图1-2辙叉跟端结构

（2）心轨跟端结构。

德国可动心轨式无缝道岔为常翼轨跟端强化结构。

这种结构可将区间线路传递至心轨上的所有纵向力传递给翼轨，并可保持传递过来的线形，这样有利于保持轨道的平顺性，还可有效阻止道岔的爬行；同时可为可动心轨转换提供可靠的固定端，可以减缓转换过程中的不足位移。

（3）扣件结构。

德国道岔一般采用Vossloh扣件，以保证扣件纵向阻力大于线路阻力。

为了减少伸缩位移，在结构设计中应尽可能的缩短尖轨与心轨自由伸缩长度，为适应尖轨跟端支距较小的情况，德国还专门开发了专用窄型扣件。

（4）锁闭结构。

德国目前使用的锁闭结构是德国BWG道岔公司生产的HRS钩型外锁闭结构。

应用HRS型外锁闭装置能较好的适应尖轨的伸缩，可以防止卡组现象的发生。

同时这种外锁闭结构还具有其它一系列优点：

尖轨防跳、精度高、维修工作量少、能较好的适应道岔爬行能力等。

图1-3德国道岔外锁闭结构

3.法国无缝道岔结构

法国是从1975年开始研发和制造高速道岔的，并于1981年完成第一代高速道岔的设计，该道岔当时使用的是木岔，运营时速达到270km/h。

第二代高速道岔采用的是混凝土岔枕，并创下了当时直向过岔速度50lkm/h的世界纪录。

目前，第三代道岔已出现在法铁的部分铁路上，运营时速300km。

并且第四代高速道岔也正在研发中

。

法国高速科吉富公司（Cogifer）制造的高速无缝道岔结构具有以下特点：

（1）转辙器跟端结构。

法国高速道岔间的传力早期都曾借助过间隔铁、限位器等部件，但后来就取消了。

其主要原因为：

无缝道岔轨道要求高平顺性，而这些传力部件在从尖向基本轨的传力过程中，易引起基本轨和尖轨变形，造成线路几何不平顺，因此无需设置传力部件来限制尖轨尖端的伸缩位移。

（2）心轨跟端结构。

与德国不同，法国可动心轨式无缝道岔为长翼轨跟端弹性结构，长短心轨是由60D钢轨连接组合而成的，短心轨始端距长心轨断面约有50mm，这样设计可减少整个心轨的长度。

心轨与翼轨间设置块间隔铁，由螺栓联接；两心轨间拼接使用螺栓紧固，跟端设置间隔铁；为保证各螺栓间承受的纵向力大致均匀，采用的是弹性设计，如图1-4所示。

图1-4法国道岔跟端结构

（3）扣件结构。

法国道岔扣件种类较多，采用的主要是Nabla弹片式扣件，这种扣件可以提供足够的扣件纵向阻力。

尖轨及心轨自由伸缩长度在结构设计过程中应尽量缩短，以其能够提供足够的扣件纵向阻力。

在尖轨跟端支距较小处，法国采用的是窄型Nabla扣件，如图1-5所示。

图1-5法国道岔扣件

（4）锁闭结构。

法国高速道岔尖轨采用一机多点牵引。

该外锁闭允许尖轨有较大的伸缩量，主其要依靠联接螺栓上的两个特殊垫片来实现适应尖轨横向锁闭和纵向伸缩的功能。

外锁闭设置在混凝土岔枕上，对工务的养护维修作业影响较小。

法国的可动心轨采用的是VPM外锁闭装置，检查器装置采用的是Paulve型钢轨，如下图所示：

图1-6VPM心轨外锁闭装置图1-7心轨状态检查器

4.英国无缝道岔的结构

英国保富公司（BalfourBeatty）制造的无缝道岔主要有固定型辙叉和可动心轨辙叉两种，在客货混运线路上有较好的应用经验，其最大设计轴重达到35吨，最高运行速度达250km/h，对世界上不少国家都曾有过出口。

固定型辙叉道岔又分为普通钢轨拼接式和高猛钢铸式两种。

可动心轨辙叉与德国相似，采用整体式叉心结构，底部锻造转换凸缘与转辙连杆相连。

英国的无缝道岔采用长翼轨结构，可较好的传递钢轨的纵向力，翼轨末端采用间隔铁连接，如图1-8所示

。

图1-8英国道岔辙叉

无论道岔号码如何，英国都设置相同数量的间隔铁，因为其认为各号码道岔传递至尖轨跟端的纵向力近似相等。

限位器结构与德国道岔相似，其数量与设置间隔铁时相同，目的均是为了保证能抵抗住钢轨纵向力，减少尖轨的纵向位移。

与德法不同，英国无缝道岔锁闭结构采用的为钩型外锁闭结构，具有锁闭能力强的优点，但也具有在锁紧状态下不易自由伸缩的的缺点。

5.日本无缝道岔结构

日本的无缝道岔研制较早，于1964年就开始研制18号高速道岔，1992年便成功研制了38号大号码道岔。

日本道岔中翼轨和心轨均采用高锰钢铸造结构，如图1-9所示，稳定性极好。

图1-9日本高速道岔辙叉结构

很多国家都通过与加强道岔结构将岔区钢轨与区间轨道焊接连成无缝长轨条，日本的设计思路则不同，日本是通过在车站咽喉区两端设置伸缩调节器来实现的，这样做的目的是使区间无缝线路的纵向力不会传递到道岔中。

因此，辙叉根部未采用长翼轨结构，心轨采用的是一根普通短轨，其伸缩位移较小。

同时尖轨跟端设置间隔铁结构，可在一定程度上限制尖轨的伸缩位移。

1.2.2国内无缝道岔的发展

我国无缝线路的发展经历了普通无缝线路、区间超长无缝线路、跨区间无缝线路三个阶段。

区间超长无缝线路的关键技术为胶结绝缘钢轨，跨区间无缝线路的关键技术则为无缝道岔。

伴随着我国铁路干线的多次提速，跨区间无缝线路及提速道岔技术得到了充分发展。

从1996年第一代提速道岔开始，我国在较短的时间里建立起了无缝道岔设计理论，通过加强改进结构及采用科学的维护技术，逐步解决了早期无缝道岔的一些问题，为我国六次提速改造线路全面推广应用跨区间无缝线路、新线一次铺设跨区间无缝线路、既有线轨道强化为跨区间无缝线路提供了强有力的技术保障。

我国无缝道岔的发展历程如下。

1．第一代提速道岔

20世纪90年代初，为了适应铁路提速的需要，针对我国既有的繁忙干线92型60kg/m钢轨12号单开道岔在设计、制造、养护中存在的问题，同时也为了适应跨区间无缝线路的铺设需要，铁道部组织提速道岔联合设计组，在总结以往道岔使用的经验上，对道岔进行了优化设计，其中包括尖轨、心轨等断面设计和线型设计，同时采用了混凝土岔枕和钢岔枕，改进了道岔加工工艺，提高了道岔的制造精度。

提速道岔与普通道岔相比，它提高了轨道的强度和稳定性，主要表现在:

提速道岔加大了自重、岔枕截面尺寸和承载能力，提高了道床纵、横向阻力以及岔枕抗弯刚度；轨下垫板得到加强，木岔枕垫板截面尺寸由原来的180mm×20mm加大到190mm×25mm，混凝土岔枕由转辙器向辙叉部位增大，整组道岔均设有轨下垫板；所有道岔钢轨均进行全长顶面淬火处理；采用Ⅱ型弹条分开式扣件，滑床板及护轨垫板的基本轨内侧用单弹片扣压，扣压力与Ⅱ型弹条匹配。

2.秦沈客运专线道岔

秦沈客运专线是中国铁路步入高速化的起点，可以说，秦沈客运专线是中国铁路的里程碑式的建筑。

它是中国自己研究、设计、施工的时速200公里的第一条快速铁路客运专线。

它的建设和投入运营，将带动中国铁路综合技术水平的大幅度提高，并将进一步加快中国铁路客运高速化的进程。

秦沈客运专线是我国第一条设计最高速度达250km/h的快速铁路，如图1-10所示，快速、舒适、安全地运送旅客是其主要特点。

要达到这一目标，对线路来说，必须确保轨道结构几何尺寸的高平顺性和稳定性，这就要求采用大号码道岔，秦沈客运专线采用18号与38号两种道岔。

图1-10秦沈客运专线道岔

在结构上及平面形式上，秦沈客运专线道岔具有如下特征：

（1）平面型式采用切线型尖轨。

（2）转辙器结构采用藏尖式结构，深度达到3mm,能够防止车轮对尖轨尖端的冲击。

转辙器跟端设置两队限位器，限位量分别为7mm和10mm。

（3）为适应跨区间无缝线路的设计，可动心轨辙叉采用长翼轨结构，短心轨跟端为滑动端式结构，长心轨跟端为弹性可弯结构。

（4）轨道部件采用Ⅲ型弹性扣件，基本轨外侧采用的仍是Ⅲ型弹性扣件，内侧则采用弹性扣压。

（5）转换系统。

心轨设有3个牵引点，尖轨设6个牵引点，每个牵引点上都设有一套外锁闭。

秦沈客运专线在取得高速度成就的同时，也遇到了一些问题。

其中卡阻现象就一度十分严重，在开通初期曾一度维持每月20多起的卡阻。

针对卡阻现象，采取了相应的的一些整治措施，其中包括增大锁钩与销轴的配合间隙、改进尖轨外锁闭的限位性能、去掉导向槽等。

目前，秦沈专线上使用的38号道岔进过多次改进试验后，卡组现象一大幅减少。

由此也可看出，采用可靠的锁闭结构，增强锁闭结构对道岔心轨及尖轨伸缩的适应能力，是大号码道岔的一项关键技术。

3．第二代提速道岔

为了满足高速对道岔的需求，尤其是第六次提速的到来，在秦沈客运专线的基础上，国内又分别研制了两种新型提速道岔，分别为SC325和CZ2516，通过速度均达到了200km/h。

在第一代提速道岔的研制过程中，由于技术上的不成熟，采用了切削型翼轨，这种结构强度较低，同时也由于当时的设计理论的掌握度不够，导致卡阻现象频发，由此造成维修工作量增加，加之尖轨平面线形不适应客货混运条件，造成尖轨侧磨严重。

秦沈客运专线道岔研制中优化了可动心轨辙叉翼轨结构，解决了翼轨因为轨底面切削强度不足和不能使用钩形外锁闭的缺点，如图1-11所示。

图1-11第二代提速道岔联结零件

新一代提速道岔每组道岔尖轨跟端设置两对限位器，同时增强限位器结构，这有利于减少限位器变形，提高传递温度力的能力。

根据现场对无缝道岔改造的经验，还同时设计了双间隔铁结构，这能更好地限制尖轨的纵向伸缩，如图1-12所示。

图1-12间隔铁

新一代提速道岔几年下来，目前使用状况还比较好，尚未发现之前无缝道岔中常见的卡阻、限位器变形的病害。

但同时也存在些不足，如道岔基本轨方向不平顺较难保持等。

4．250km/h客运专线道岔

为实现高速道岔的自主创新，铁道部组织进行了250km/h客运专线道岔的研制，如图1-13所示。

在消化吸收国外高速铁路先进的道岔理论与技术的基础上，总结了我国秦沈客运专线道岔以及提速道岔的经验和教训，重点围绕平面线形和尺寸、道岔整体和零部件结构、系统刚度、轨下基础、扣件系统、转换设备、制造精度、组装铺设等关键技术进行了试验与研究。

图1-13客运专线道岔

该道岔的主要特点为：

曲线线型采用半径为1100m的相离式单圆曲线；扣件系统采用Ⅱ型弹条扣件；长短心轨采用60D40制造，短心轨后端为滑动端，长短心轨间的连接采用切底式高强度螺栓；无碴轨道岔枕采用埋入式长岔枕；本次道岔研制制定了设计、制造、组装、运输、铺设等成套技术条件，使得道岔制造与组装精度得到提高，如图1-13所示。

5.350km/h客运专线道岔

铁道部于2007年组织开展了350km/h客运专线无砟轨道18号道岔及侧向允许通过速度160km/h的42号道岔的研制工作。

350km/h客运专线道岔以无砟轨道为基础，仅运行高速列车，对行车的平顺性与舒适性提出了更高的要求，因此一些尚未解决的问题变成了当务之急，如合理设置和匹配岔区轨道刚度、优化岔区轮轨关系设计、克服转换位移不足等。

而在侧向行车速度过高的大号