30号道岔受力分析与计算 - 图文

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

In order to adapt the needs of rising speed railway and heavy haul railway, it is necessary to strengthen and improve track structure, then inter-district CWR is an effective way.Seamless switch is to achieve seamless cross between one of the key lines. When turnouts are welded with rails, they are under great temperature force, the symmetry of structure and force make the bifurcation area stress in complex status. With the rail temperature fluctuation, seamless turnout relays the force through relevant parts, bifurcation area jointless-track will also bear the additional role, at the same time, turnout will produce large expansion displacement, longitudinal force and displacement, which will affect the strength of the turnout and the stability and safety of train.

This paper regard NO.30 seamless turnout as research object, based on the finite element principle and studying on the temperature forces passing principles of continuous welded turnouts with movable point frog, makes a finite element model by using ANSYS to analyze the forces and deformation.and then calculate the temperature derived additional longitudinal force and vertical displacement of the data expansion, additional application of Excel Chart in vertical force and vertical telescopic displacement of the temperature change curve, from the basic track, rail and track mind different aspects of analysis, summarized their changing patterns. Calculate the temperature change range of different track under the rail vertical displacement of additional force and vertical telescopic changes and finally, summarize seamless turnout temperature stress and displacement distribution.

The paper analyzes the factors which affect the longitudinal force and displacement of seamless turnout, pointing out that rail temperature variation,restricting device are the main points. In addition, the analysis of what kind of impacts the temperature variation, fastener resistance will effect on the seamless turnout stress and deformation. Finally, some suggestions about design and laying of seamless rail were put forward according to the computational results.

Key words: Seamless turnout，Finite element，Temperature force，Displacement

目 录

第1章 概述.......................................................................................................................... 1

1.1 引言.......................................................................................................................... 1 1.2 国内外无缝道岔的发展.......................................................................................... 3

1.2.1 国外无缝道岔的发展.................................................................................... 3 1.2.2 国内无缝道岔的发展.................................................................................... 8 1.3 无缝道岔计算理论的研究概况............................................................................ 12 第2章 无缝道岔结构及受力特点.................................................................................... 16

2.1 有限元软件(ANSYS) .......................................................................................... 16

2.1.1 有限元软件简介.......................................................................................... 16 2.1.2 有限元法简介.............................................................................................. 16 2.2 无缝道岔结构........................................................................................................ 17

2.2.1 无缝道岔结构型式...................................................................................... 17 2.2.2 无缝道岔结构特点...................................................................................... 19 2.2.3 无缝道岔受力特点...................................................................................... 19 2.3 无缝道岔温度力传递机理.................................................................................... 21

2.3.1 温度力传递机理.......................................................................................... 21 2.3.2 计算假定...................................................................................................... 21

第3章 无缝道岔模型与计算............................................................................................ 23

3.1 30号无缝道岔有限元模型的建立........................................................................ 23

3.1.1 边界条件假设.............................................................................................. 23 3.1.2 道岔结构部件模拟...................................................................................... 23 3.1.3 计算参数选取.............................................................................................. 25 3.1.4 道岔整体模型的建立.................................................................................. 27 3.2 计算结果及分析.................................................................................................... 28

3.2.1 整体计算结果.............................................................................................. 28 3.2.2 钢轨纵向位移计算结果.............................................................................. 29 3.2.3 钢轨温度力计算结果.................................................................................. 32

3.3 无缝道岔结构检算................................................................................................ 35

3.3.1 可动心轨伸缩位移检算.............................................................................. 35 3.3.2 可动尖轨伸缩位移检算.............................................................................. 36

第4章 计算参数对无缝道岔温度力与位移的影响分析................................................ 37

4.1 轨温变化幅度的影响............................................................................................ 37

4.1.1 不同轨温下各钢轨位移变化曲线对比...................................................... 37 4.1.2 不同轨温下各钢轨温度力变化曲线对比.................................................. 38 4.2 扣件纵向阻力的影响............................................................................................ 40

4.2.1 钢轨伸缩位移比较...................................................................................... 41 4.2.2 钢轨温度力比较.......................................................................................... 41 4.3 道床纵向阻力的影响............................................................................................ 43

4.3.1 钢轨伸缩位移比较...................................................................................... 43 4.3.2 钢轨温度力比较.......................................................................................... 44

总结与展望.......................................................................................................................... 46 致谢...................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献.............................................................................................. 错误！未定义书签。 附录 毕业实习报告............................................................................ 错误！未定义书签。

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[1]为：

?l???l??t （1-1）

式中 ?—钢轨的线膨胀系数，一般取值为0.0000118； l—钢轨长度，其单位为mm； ?t—轨温变化幅度，其单位为?C。

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[2]。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[3]。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[4]。

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[4]。

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1-6 VPM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(Balfour Beatty)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[4]。

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250 km/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码道岔中，还要解决双肢弹性可弯心轨结构设计、长大尖轨多点牵引时同步转换、长大尖轨自由伸缩的新型外锁闭结构设计等关键技术。

350km/h客运专线无缝道岔具有其下几个方面的特点[4]：

（1）与第二代使用的热锻成型特种断面翼轨不同，这次使用的是轧制特种断面翼轨，制造施工都教之前的简单，且材质均匀，有利于磨耗。

（2）为解决列车通过时经常存在的横向不平顺，并改善运营条件，该道岔心轨采用了水平藏尖结构。

（3）扣件系统刚度组成遵循“上硬下软”的设计原则，即轨下弹性垫层刚度较大，铁垫板下刚度垫层刚度较小。

（4）该道岔增加了两个大间隔铁在心轨跟端的长心轨与叉跟尖轨之间，以保证心轨与叉跟尖轨的可靠连接。

（5） 通过借鉴德国HRS外锁闭结构设计技术，研制了自调式外锁闭结构，同时在42号道岔中还进行了该新型锁闭装置的伸缩卡组试验和心轨伸缩卡组实验。

1.3 无缝道岔计算理论的研究概况

德国于1950年开始尝试将道岔与无缝线路焊接在一起,并于1982年发表了有关无缝道岔理论计算方面的论文,提出基本轨温度力峰值约为固定区温度力的1.2至2万倍。而法国在无缝道岔设计中该值采用1.4。九十年代,欧洲铁路联盟基于有限单元

法建立了较完善的无缝道岔计算理论[4]。

日本于1980年开始研究用16Cr-16Mn焊条的强制成型电弧焊接锰钢辙叉与普通钢轨,并在1985~1986年,改进了压屈试验装置,将两端固定总长为60m的道岔轨道通过电流加热进行试验,测出了道岔与无缝线路焊接成一体时所产生的纵向力分布。日本基于两轨相互作用原理进行计算,认为尖轨跟端附近出现纵向力峰，该峰值与固定区温度力的比值采用1.35较为合理。

我国对无缝道岔的研究起步相对较晚，一般认为上世纪90年代开始的，然而，根据我国铁路中长期路网规划，到2020年，我国将建成18000km的客运专线，所需高速无缝道岔达7000多组，针对如此大的需求，而我国无缝道岔又起步晚的状况，近些年来我国加速了对无缝道岔的研究[5]。

对于无缝道岔的研究，1996年，北京交通大学的范俊杰、耿建增等人通过有限元建立了与无缝道岔较为接近的力学模型[6]，如图1-14所示。该模型将轨道结构道岔前后看做是一个由钢轨、轨枕通过扣件连接起来的平面框架，同时通过对60kg/m

图1-14 无缝道岔计算力学模型图

钢轨的单开道岔的算例验证，该模型与试验结果基本吻合，这就为我国铺设无缝道岔提供了理论依据和计算依据。

2000年，范俊杰、谷爱军、陈岳源在《无缝道岔的理论与试验研究》[7]一文中又提出了另一种全新的无缝道岔理论：由于造成里轨产生伸缩位移和基本轨附加力的根本原因是道岔承受着巨大温度力造成的，所以我们可以通过计算得出里轨的伸缩位移，来了解限位器的接触状况、岔枕的弯曲变形等，进而可以分析获得基本轨附加温度力及道岔其它部件的受力情况。同时还进行了现场试验研究，所得出的现场实验数据与理论计算基本吻合，这样也为该理论的成立提供了强有力的证据。

在无缝道岔的研究中，计算方法也是相当重要的。1996年，铁科院做了超长无缝线路道岔纵向力的计算报告；1998，马战国做了固定式道岔钢轨纵向力及位移量的分析；2002年，陈秀芳等应用广义变分原理对高速道岔结构体系进行了分析并于次年提出了基于广义变分原理的铁路无缝道岔计算理论；2003年，王平等进行了基于统一公示的无缝道岔稳定性分析。目前对于无缝道岔的研究，一种较为通用的方法是先通过有限元进行建模，再通过广义变分原理分析建立方程组，并用最速下降法进行求解，秦沈客运专线就是在这一方法最好的实验者。在马战国、郝有生、王红对秦沈客运专线38号无缝道岔纵向力分析及试验研究中，曾通过现场试验表明了该理论分析结果与实测结果的一致性[8]。

随着对高速的日益追求，尤其是近年来高速铁路的大量规划及修建，对大号码无缝道岔的研究也在加紧步伐。2005年王树国、林吉生通过建立有限元仿真模型来对大号码无缝道岔进行了研究分析[9]。该模型将钢轨简化为杆单元，轨枕视为平面梁单元，扣件、限位器、间隔铁及其他些接头当做非线性弹簧单元，并用足够数量的非线性弹簧单元来进行模拟研究，且整个有限元体只考虑温度力的作用。并得出了相应的结论：在轨温变化幅度同等的条件下，大号码无缝道岔的温度力与变形较之小号码无缝道岔都较大，其限位器承受的剪力也相应较大；无缝道岔的附加温度力也随着轨温的浮动程度大小而变大变小；半焊无缝道岔钢轨温度力及变形在数值上较全焊无缝道岔小，但其钢轨和轨枕的位移却较之复杂。目前对于42号和62号无咋轨道无缝道岔也进行了一定的研究，并通过建立可动心轨无缝道岔的有限元计算模型，对不同扣件和间隔铁条件下进行主要力学分析计算，对其无缝道岔的设计参数提出了建议。

随着高速铁路的快速发展，高架桥的铺设也日趋频繁，2010年开通的京沪高速铁路高架桥的比例更是达到了70%以上，开启了建造高架桥的新时代。所以对桥上的无缝道岔的研究也显得相当重要。桥上无缝道岔集中了无缝道岔无咋轨道和桥上无缝线路的特点和难点，虽然国内外对此都有过大量的研究，但许多都相对独立，2007年孙大新、高亮便结合两者的联系进行了系统的分析，和之前的研究一样，采用的有限元方法，只是这次建立的是桥上无咋轨道无缝道岔的伸缩力一体化模型。通过对扣件阻力、限位器间隔铁数量、轨温变幅等轨道结构参数的分析，找出了桥上无咋轨道道岔影响力各个主次因素，研究分析表明轨温幅度变化和扣件阻力的影响很大，而限位器、间隔铁阻力参数变化对结构的影响则居次要地位[10]。

近年来对无缝道岔组合效应也有了一定的研究，2004年徐庆元、周小林、曾志平、杨小礼等人建立了多组无缝道岔间的力学模型[11]，该模型将轨道结构看做一个由钢轨、轨道和道床连接起来的平面框架，通过模型的建立及其求解，得出了一些道岔组合效应的结论：道岔间不同的联接方式会导致受力与变形也不同，其间的组合效应更是不容忽视，位移的影响更甚；道岔效应还随着道岔组合数的增大而相应增大，但其增幅值会逐渐减少。

目前，对于无缝道岔计算理论还尚无统一的方法，代表性的方法有西南交通大学蔡成标教授提出的解析法，铁科院马战国研究员提出的两轨相互作用理论，兰州铁道学院许实儒教授提出的超静定二次松弛法，西南交通大学王平教授提出的有限单元法。纵观这些方法，有优点，也有其自身的缺陷和不足。

第2章 无缝道岔结构及受力特点

2.1 有限元软件(ANSYS)

2.1.1 有限元软件简介

ANSYS有限元软件包是一个集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场于一体的大型计算分析软件，因此它可广泛应用于铁路与公路交通、石油化工、国防军工、 航空航天、汽车工业、地矿、水利水电、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统等方面的科学技术研究。

软件主要包括三个模块：前处理模块，求解模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。其主要功能包括三大块：参数定义、实体建模和网格划分。

求解模块包括结构静力分析、结构动力分析、结构非线性分析、流体动力学分析、声场分析、电磁场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有优化分析及灵敏度分析能力。

后处理模块是将计算结果进行处理，将结果可以曲线、图表形式显示或输出，也可将结果以彩色等值线显示、矢量显示、梯度显示、立体切片显示、粒子流迹显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来。

软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

2.1.2 有限元法简介

有限元法的基本方法是将连续的结构离散成有限元单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看做是只在节点处相连的一组单元的集合体；同时选定函数的基本值作为基本未知量，并在每一个单元中假定一近似插值函数以表示单元场中函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的自由度问题。有限元法的分析过程大致可分为五个步骤：结构离散化、选择位移插值函数、分析单元的力学

图4-9 直基本轨温度力曲线对比

图4-10 曲导轨位移曲线对比

表4-2 不同扣件阻力下无缝道岔温度力和位移计算结果

无缝道岔设计参数 固定区温度力 基本轨最大温度力 基本轨最大附加温力 限位器所受剪力 间隔铁所受剪力 基本轨最大位移 限位器处基本轨位移

尖轨尖端位移 心轨尖端位移

单 位 kN kN kN kN kN mm mm mm mm

Ⅰ型 941.78 1300.5 358.72 275.28 176.74 5.20 9.77 25.95 4.40

Ⅱ型 948.85 1310.75 361.90 241.96 158.10 5.31 9.28 25.45 4.12

Ⅲ型 953.18 1318.31 365.13 218.64 145.13 5.39 8.97 25.14 3.95

从图4-7至图4-10、表4-2中我们可以得到以下结论:

（1）扣件纵向阻力的大小直接影响钢轨的伸缩位移和温度力，其值越大，基本轨伸缩位移也就越大，而尖轨心端、心轨心端的伸缩位移却相应减小，故扣件纵向阻力对导轨末端伸缩位移影响不显著。

（2）扣件纵向阻力越大，基本轨所受到的最大温度力越大，其最大附加温度力也越大；在扣件纵向阻力较小时，导轨温度力幅度较小，此时主要依靠限位器将温度力传递给基本轨；当扣件纵向阻力较大时，导轨温度力幅度也大，尖轨跟端限位器阻力则较小，此时主要依靠岔枕位移将温度力传递给基本轨，因而附加温度力较大。扣件纵向阻力对导轨末端温度力分布影响较小，即对间隔铁阻力影响较小。

（3）扣件纵向阻力越大，限位器及间隔铁所受作用力就越小。

综合比较，在保证钢轨强度的条件下，采用大阻力扣件，对无缝道岔的受力及变形均是有利的。

4.3 道床纵向阻力的影响

本节将取三种不同道床纵向阻力条件下的钢轨进行受力及变形的分析，其道床

纵向阻力分别为3.2kN/m、6.4kN/m和9.6kN/m。假设其他参数不变，轨温变化幅度取为50?C。

4.3.1 钢轨伸缩位移比较

在不同的道床纵向阻力下，其直基本轨位移及曲导轨位移分布如图4-11、4-12所示：

图4-11 直基本轨位移曲线对比

图4-12 曲导轨位移曲线对比

4.3.2 钢轨温度力比较

在不同的道床纵向阻力下，其直基本轨位移及曲导轨温度力分布如图4-13、4-14所示：

图4-13 直基本轨温度力曲线对比

图4-14 曲导轨温度力曲线对比

表4-3 不同道床纵向阻力条件下无缝道岔温度力和位移计算比较 无缝道岔设计参数 固定区温度力 基本轨最大温度力 基本轨最大附加温力 限位器所受剪力 间隔铁所受剪力 基本轨最大位移 限位器处基本轨位移

尖轨尖端位移 心轨尖端位移

单 位 kN kN kN kN kN mm mm mm mm

3.2kN/m 940.52 1324.91 384.39 244.40 156.41 5.77 9.77 25.95 4.36

6.4kN/m 948.85 1310.75 361.90 241.96 158.10 5.31 9.28 25.45 4.12

9.6kN/m 955.02 1300.8 345.78 239.86 159.37 4.92 8.88 25.05 3.93

由表4-3，图4-11至图4-14可以得出如下结论：

（1）道床纵向阻力在很大程度上影响着无缝道岔的整体位移，道床纵向阻力越大，基本轨纵向位移就越小，尖轨尖端、心轨尖端的伸缩位移以及与导轨间的相对位移也越小。

（2）道床纵向阻力越大，基本轨的最大温度力越小，其基本轨最大附加温度力也越小，这是由于当扣件纵向阻力达到一定程度时，为保证轨枕的受力平衡，需要将更多的温度力传递给基本轨。由上面的图表中还可看出，道床纵向阻力对道岔的导轨和心轨影响分布较小。

（3）道床纵向阻力越大，限位器和间隔铁的受力就越大，但影响的程度相对较小，这与钢轨的伸缩位移是相对应的。

综合看来，增大道床纵向阻力在控制导轨、尖轨的纵向位移及减小基本轨的受力是有利的。因此，我们在道岔的维修过程中宜增大的道床的纵向阻力。

总结与展望

1. 本文主要工作

(1) 介绍了无缝线路的基本情况，并简述了国内外的无缝道岔的发展状况及其各自发展特点，介绍了国内外对无缝道岔理论研究的一些基本情况。

(2) 介绍了无缝道岔的结构型式及其结构特点，并阐述了无缝道岔的受力特点，讲述了有限元法的基本原理，并对有限元法无缝道岔计算理论进行了认识分析。

(3) 通过对无缝道岔的简化模拟、单元类型的选取、计算参数的选取及边界条件的处理，建立了30号可动心轨无缝道岔模型，并计算分析了无缝道岔在轨温变化幅度50℃时的受力及变形，且得出了变化规律。

(4) 对无缝道岔在不同轨温、不同扣件纵向阻力、不同道床纵向阻力条件下分别进行了受力分析，并得出了其各自不同条件下钢轨的温度力及其位移变化规律。 位移结果分析：从前面对30号无缝道岔的分析计算可知，无缝道岔中基本轨、导轨、心轨的位移图有较大的区别，这与温度力图的变化是类似的。其中直基本轨与曲基本轨、直导轨与曲导轨、长心轨与短心轨的位移变化分布是比较相近的。基本轨在限位器附近的纵向位移达到最大值。

在轨温变化幅度为正值时，即温度升高时，基本轨的伸缩位移变化趋势为先增大后变小的凸起形状；导轨的伸缩位移变化趋势为趋近于线性的减小；心轨的伸缩位移为非线性减小的趋势。

通过对比10?C、20?C、30?C、40?C和50?C五种升温幅度情况下钢轨位移的变化规律，可以总结出，随着轨温变化幅度的增大，尖轨尖端及跟端、心轨尖端及跟端伸缩位移均在增大，而且增加的幅度随着轨温增大而增大。心轨心端伸缩位移明显要小于尖轨尖端，且增加幅度也要小于尖轨尖端，这主要时由于心轨跟端所受阻力更大所致。

通过对三种不同扣件下的位移分析，可以总结出，随着其扣件阻力的增大，基本轨伸缩位移也逐渐增大，而尖轨心端、心轨心端的伸缩位移却相应减小，故扣件纵向阻力对导轨伸缩位移影响不显著。

通过三种不同道床阻力条件下的位移分析，可以总结出，随着道床纵向阻力的增

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