一个典型的的铁路道岔轨枕系统采用十字交叉分析梁对比分析

一个典型的铁路道岔轨枕系统采用梁分析

摘要

一个在较低弹性模量下的简化十字交叉梁在用于铁路道岔轨枕的类比分析，本研究的目的是确定纤维复合材料应用于新兴技术下的铁路道岔轨枕时最优的弹性模量。有限元模拟表明，轨枕的弹性模量和轨枕支撑的弹性模量的变化，在道岔轨枕运行中有重要的影响。体积弹性模量从10MP增长到40MP时弯矩减少了15%，但是弹性模量在从1GP增长到10GP时弯矩增加了75%。在较低弹性模量且发生较大沉降的道砟上的岔枕的弹性模量和体积弹性模量的变化对岔枕的剪切力影响不太明显。在岔枕具有最大弯矩19kn-m和剪切力158kn时，另一种纤维复合材料的弹性模量是4GPa，从岔枕道砟的压力和最大垂直偏转考虑体积弹性模量

至少是20MPa。

1.简介

硬木为铁路轨枕修建和维修首选材料。近年来，铁路枕木硬质木材的价格越来越贵，质量越来越差。这个问题已经导致大部分铁路行业寻找新材料来代替木材。通过马纳洛等人进行的实验，硬木木材轨枕可以采用纤维复合材料来替代硬木。此外纤维复合材料可以在诸如道岔变得越来越大时发挥比硬木更好的作用。使用纤维复合材料时尤其需满足其刚度要求而不止是强度要求，纤维复合材料的成本比木材、钢铁、和混凝土等传统的材料要高，这对道岔选择材料和刚度具有很重要的意义，这可以使道岔达到最佳运行状态，既能满足强度要求，又能满足维护的要求。

道岔是铁路的一部分，火车通过道岔从原轨道进入另一轨道。铺设在道岔上的特殊轨枕称为道岔枕木，简称岔枕。道岔轨枕由不同长度和紧固位置的轨枕组成。由于对道岔轨枕的特殊性，其制造过程是不同的，这也使得他们的维护费用更昂贵。由于火车的穿越，道岔枕木会产生比干线枕木更复杂的载荷。因此，清楚的了解道岔的受力对设计一种纤维复合材料的轨枕具有十分重要的意义。然而，铁路道岔系统的复杂结构使得对道岔的分析比干线更加复杂。

经过实验证实了一些研究人员分析的铁路轨道为弹性地基梁，在这样的模型中，通过车轮负载的等效静荷载的分配来确定钢轨和道砟之间的作用。分配系数取决于轨距和轨枕间距的类型。Shaxin进行调查后认为研究有渣铁路基础时A3三维有限元分析比二维仿真更为准确。但是这种方法计算较为复杂。Kohoutek和campbell用二维梁模型进一步解释了路基轨枕各自的长度变化。在这种模型中能静态分析弹性地基上的不同长度、不同道砟和不同截面属性枕木的轨枕。Shokreih和rahmat研究了杨氏模量对铁路轨枕的影响。他们以轨枕为模型作为温克勒弹性地基基础梁的恒模。研究结果表明，当梁的弹性模量高于基础的模量时，改变杨氏模量的梁对轨枕影响不大，但是当梁的弹性模量低于基础的模量时，却有很大的影响。同样，shahuetal研究表明，轨枕的支撑模量可以显著改变轨道的施工，并且对轨枕的影响更大。Ticoalu进一步的调查显示使用较高的支撑模量可以减小道岔轨道弯矩。这些研究表明，对弹性地基梁的分析已被广泛应用且被认为是很适用于铁路结构分析。同时，这些研究还表明，梁的弯曲刚度和枕木的支撑模量直接影响铁路轨枕的运行。然而，上述研究只是利用有限元分析的单一的铁路轨枕。在道岔中至少有两套连续的轨枕连接在一起，因此需分析整个道岔系统，道岔枕木的作用应用一组轨枕来替代单一的轨枕，应考虑加入的轨枕的互相影响。

在这项研究中，一个考虑钢轨、轨枕、道渣和铁路路基对道岔影响的简单合理的结构模型正在不断完善中。这个模型还要考虑相邻的轨枕的作用。当列车穿越道岔时，还需考虑车轮荷载对轨枕的作用。具有不同弹性模量的枕木和支撑模量的变化对道岔枕木的性能进行了分析。此外，对于木岔枕，用纤维复合材料来替换原来的轨枕，来进行模拟实验。上述研究结果表明替换的复合纤维材料使得铁路道岔得到了优化。

2.铁路道岔的理论模型

铁路道岔由数个轨枕和钢轨组成。因此岔枕可以通过一个更为复杂的梁格模型进行分析。然而一直没有一个使用这种模型来分析铁路道岔的研究。一般对铁路道岔梁的研究是通过对板和桥梁的复杂结构的分析来进行的。Tanetal介绍了一种利用移动的车辆对桥梁的动力作用的车桥相互作用来对梁进行分析的梁格分析

法。桥梁结构是一个由几个纵向梁和横向梁单元组成的框架组件。其分析结果表明，模拟梁在精度移动的荷载作用下的反应达到了预期结果。在另一项研究中，eamon和nowak结合桥面梁格模型与固体元素来分析抗力的次要元素如蒙皮效应、桥梁和人行道对桥梁结构体系的承载能力障碍等。利用有限元模型发现简化的梁格模型极限承载力是在3%—6%，显著的降低了解决方案的时间。此外，fujikubo用梁板模型分析了线性和非线性的超大型浮体结构的水弹性的反应。在这个模型中，顶部和底部的浮式结构面板由矩形元件作为模型，隔离壁由梁单元作为模型。实验结果分析得，梁格应力分析法可以详细的分析结构的有效应力和结构的连续倒塌。最近，al saidyetal运用梁格分析法研究短跨度组合梁损坏时的整体变化。其分析结果表明，使用staad lll结构分析，梁格模型软件提供的结果比三维有限元分析的结果更为准确。上述研究表明，梁格系统因为其简单性而被广泛应用于分析复杂结构的研究中。因此，一个类似的模型，在这项研究中使用软件可调查铁路道岔枕木在运行中的各种参数的影响。铁路道岔系统的数学模型是由简单梁和弹性基础上的梁组成。

3.铁路道岔几何形状

16条右手道岔几何形状的标准1与现有的用60kg/m钢轨的澳大利亚铁路和昆士兰的窄轨距专线（1067mm）相一致，人们通常用澳大利亚铁路的几何形状作为标准。轨道中心间距为1137mm，轨枕中心间距为600mm。考虑到木岔枕的质量越来越差轨枕尺寸设置为230mm×150mm。轨枕支撑模型体积弹性模量的通用范围是约10—40MPa，结合设计垂直荷载因子，转动惯量（包括准静态和动态）大约是2.5。根据澳大利亚的铁路规范，轨枕的最大接触压力为750kpa。图1详细的介绍了轨道结构和道岔轨枕组件。

4.铁路道岔的有限元模型

一个简化的三维空间梁格模型由钢轨、枕木、道砟、和路基组成。有限元模型考虑了等距枕木一直支撑着钢轨。该模型共有107个轨枕包括10个过渡轨枕。当火车驶进和驶出道岔时过渡轨枕可以支撑车轮负载。Sadeghi提出当负荷点与枕木距离超过5到10米时车轮荷载的影响可以忽略不计。垂直于分叉轨道的轨枕铺设可以将轨枕增加两个标准长度。在该模型中，轨枕两端需加长0.58米。模拟轨道总长为61.8米，轨枕长度在2.3米到4.1米之间变化。Strand7有限元程序是用来模拟铁路道岔系统。铁轨和枕木被建模为一个在弹性地基上的十字交叉梁体系。为了简化建模过程省略了护栏（检查轨道）。检查轨道是一小段轨道置于主轨以保证车轮跟随列车不脱轨。检查轨道通常用于角度较小的曲线轨道，但并不对小角度道岔有较多要求。因此，对于一个1:16铁路道岔系统的性能检