【铁道标准设计】客运专线42号无砟轨道无缝道岔参数分析

端结构 阻力 端位移 端位移 大附加温 限位器所受最 间隔铁所受最
型式 型式 /mm /mm 度力 / kN 大力 / kN
大力 / kN
图 2 翼轨末端间隔铁图示
( 1) 411761 161037 1761491
3组 ( 2) 411639 161037 1771396 限位器 (3) 411029 161013 1591919
采用上述客运专线 42 号无砟轨道无缝道岔有限 元计算模型 ,对不同扣件阻力和翼轨末端间隔铁数量 条件下道岔的力学特性的主要计算结果等进行了计算
收稿日期 : 2009209222; 修回日期 : 2010201205 基金项目 :国家自然科学基金项目 (50878018) ;铁道部科技研究开发计 划项目 (2008G0312I) 作者简介 :曲 村 (1983—) ,男 ,博士研究生 。
铁道标准设计 RA ILWA Y S TANDARD D ES IGN 2 01 0 ( 2 )
分析与比较 ,对客运专线 42号无砟轨道无缝道岔的设 计参数的选择提出建议 。
2 模型建立
211 模型主要部件组成 在客运专线 42 号无砟轨道无缝道岔的温度力传
递过程中 ,参与传力作用的主要有钢轨 、扣件 、限位器 、 间隔铁 、螺栓等部件 。对各部件利用有限元单元模型 分别进行模拟 。本文采用的参数根据文献 [ 1 ]选取 。 212 单元模拟
由表 1还可知 ,尖轨跟端隔枕跨设置 3 组间隔铁 结构时 ,相对扣件阻力型式 ( 1) :扣件阻力型式 ( 2)条 件下 ,基本轨最大附加温度力增大 2141% ,尖轨尖端 位移减小 0196% ;扣件阻力型式 (3)条件下 ,基本轨最 大附 加 温 度 力 减 小 4138% , 尖 轨 尖 端 位 移 减 小 0195% ;扣件阻力型式 ( 4)条件下 ,基本轨最大附加温 度力减小 1169% ,尖轨尖端位移减小 1171%。
2441567 2441568 2381488 2381488 2441571 2441568 2381488 2381488
图 3 客运专线 42 号无砟轨道无缝道岔有限元计算模型
3 扣件阻力影响分析
311 主要计算工况 本文研究在客运专线 42 号无砟轨道无缝道岔基
本结构不变的情况下 ,通过改变基本轨或里轨扣件纵 向阻力实现减小钢轨附加温度力 、尖轨尖端位移等主 要计算结果和增大允许可铺设轨温范围的可行性 。
表 3 不同翼轨末端间隔铁数量条件下道岔主要计算结果
尖轨跟 端结构 型式
翼轨末 端每侧 间隔铁 组数
尖轨 尖端 位移
/mm
心轨 基本轨 尖轨跟端 翼轨末端 翼轨末端 尖端 最大附 单组限位 单组间隔 间隔铁螺 位移 加温度 器所受最 铁所受最 栓相对错 /mm 力 / kN 大力 / kN 大力 / kN 动量 /mm
综上所述 ,扣件阻力型式 ( 3)较优 ,其尖轨和心轨 尖端位移较小 ,基本轨最大附加温度力 、尖轨跟端和翼 轨末端单个传力部件受力的最大值最小 。 313 可铺设轨温范围比较
以 ZK标准活载 (运行速度按 350 km / h考虑 )作 为检算条件确定可铺设轨温范围 ,荷载图示依据客运 专线相关规定选取 [ 11 ] 。各扣件阻力型式下 ,采用上述 2 种尖轨 跟 端 结 构 型 式 的 道 岔 的 可 铺 设 轨 温 范 围 见 表 2。
本文在已有的研究 [ 2～10 ]基础上进行进一步研究 , 采用商业有限元软件建立了客运专线 42 号无砟轨道 可动心轨无缝道岔有限元计算模型 。该模型的主要特 点是 :道岔结构详尽 ,考虑了限位器 、间隔铁等部件的 实际传力作用 ;各种阻力均可为非线性阻力 ,取值可与 实测值一致 ;可按实际情况考虑基本轨与导轨间的相 互作用关系 ; 并可详细得出每一组限位器 、间隔铁的 受力 。
(3)限位器结构采用非线性弹簧单元模拟 ,限位 器的纵向阻力参数依照室内试验确定 。模型中尖轨跟 端设置 3组限位器时如图 1 所示 ,图中仅显示与限位 器相连接的钢轨单元 。
图 1 尖轨跟端限位器图示
(4)翼轨末端以及辙岔跟端通过间隔铁结构固 定 ,间隔铁采用非线性弹簧单元模拟 。模型中翼轨末 端每侧设置 4组间隔铁时如图 2 所示 ,图中仅显示与 间隔铁相连接的钢轨单元 。 213 计算模型建立
上述计算条件下 ,翼轨末端设置不同数量间隔铁 时的道岔的主要计算结果见表 3。
递给基本轨的 ,因此翼轨末端间隔铁的数量对于上述 结果影响不大 。同样可知 ,不同的尖轨跟端结构型式 对翼轨末端间隔铁的受力和螺栓相对错动量基本上也 没有影响 。
当翼轨末端间隔铁的数量增加时 ,翼轨末端单组 间隔铁所受最大力有所降低 。当每侧间隔铁分别由 3 组增加至 4组和由 4 组增加至 5 组时 ,翼轨末端单组 间隔铁所受最大力分别降低 1915%和 1416%。
考虑以下 4 种扣件阻力变化型式 : ( 1 )基本轨和 里轨扣件阻力均采用标准阻力 ; ( 2 )基本轨扣件阻力 相对标准阻力增大 20% ,里轨扣件阻力采用标准阻 力 ; (3)基本轨扣件阻力采用标准阻力 ,里轨扣件阻力 相对标准阻力增大 20% ; ( 4)基本轨扣件阻力相对标 准阻力增大 20% ,同时里轨扣件阻力相对标准阻力也 增大 20%。
当时速 350 km 客运专线 42号无砟轨道无缝道岔 的基本轨和里轨采用不同的扣件阻力 ,或者翼轨末端 间隔铁数量发生改变时 ,道岔的尖轨尖端位移 、心轨尖 端位移 、基本轨附加温度力 、尖轨跟端和翼轨末端传力 部件的受力等都会有所变化 。如何正确合理地选择上 述道岔的设计参数 ,将直接影响到道岔的铺设质量 。
·线路 /路基 ·
客运专线 42号无砟轨道无缝道岔参数分析
曲 村 1 , 高 亮 1 , 陶 凯 2 , 乔神路 1
(11北京交通大学土木建筑工程学院 , 北京 100044; 21中国铁道科学研究院基础设施检测研究所 , 北京 100081)
摘 要 :为了满足客运专线建设的需要 ,我国研发了时速 350 km 客运专线 42号无砟轨道无缝道岔 。除了常规的各项检算 外 ,其他设计参数包括扣件阻力和翼轨末端间隔铁数量 ,也要 根据客运专线的要求进行检算 。建立了客运专线 42号无砟轨 道可动心轨无缝道岔有限元计算模型 ,对不同扣件阻力和不同 翼轨末端间隔铁数量条件下的道岔的主要力学特性等进行计 算分析与比较 ,对客运专线 42 号无砟轨道无缝道岔的设计参 数的选择提出建议 。 关键词 :客运专线 ; 无砟轨道 ; 42号无缝道岔 ; 扣件阻力 ; 间 隔铁 中图分类号 : U238; U21316 文献标识码 : A 文章编号 : 100422954 (2010) 0220043204
以尖轨跟端隔枕跨设置 3组不等间隙限位器结构 (限位值依次为 710、615、610 mm )和尖轨跟端隔枕跨 设置 3组间隔铁结构为例进行计算比较 。轨温变化幅 度取 60 ℃。 312 主要计算结果比较
各种扣件阻力型式下 ,采用上述 2 种尖轨跟端结 构型式的道岔的主要计算结果见表 1。
由表 1可知 ,尖轨跟端隔枕跨设置 3 组不等间隙 限位器结构 (限位值依次为 710、615、610 mm )时 ,相对 扣件阻力型式 ( 1) :扣件阻力型式 ( 2)条件下 ,基本轨 最大附 加 温 度 力 增 大 0151% , 尖 轨 尖 端 位 移 减 小 0129% ;扣件阻力型式 ( 3)条件下 ,基本轨最大附加温 度力减小 9139% ,尖轨尖端位移减小 1175% ;扣件阻 力型 式 ( 4 ) 条 件 下 , 基 本 轨 最 大 附 加 温 度 力 减 小 9103% ,尖轨尖端位移减小 1198%。
( 4) 401933 161013 1601547
( 1) 361184 161034 2801357
3组 ( 2) 351835 161037 2871108 间隔铁 (3) 351840 161013 2681073
( 4) 351565 161013 2751608
1451756 1471179 1331020 1341354 3021023 3021769 2911056 2971257
通过对各个部件的模拟和组合 ,建立整组无缝道 岔的模型 。客运专线 42 号无砟轨道无缝道岔的有限 元计算模型如图 3所示 。
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·线路 /路基 ·
曲 村 ,高 亮 ,陶 凯 ,等 —客运专线 42号无砟轨道无缝道岔参数分析
表 1 各扣件阻力型式条件下道岔主要计算结果
尖轨跟 扣件 尖轨尖 心轨尖 基本轨最 尖轨跟端单组 翼轨末端单组
由表 2还可知 ,尖轨跟端隔枕跨设置 3 组间隔铁 结构时 ,相对扣件阻力型式 ( 1) :扣件阻力型式 ( 2)条 件下 ,最大轨温变化幅度不变 ;扣件阻力型式 ( 3)条件
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曲 村 ,高 亮 ,陶 凯 ,等 —客运专线 42号无砟轨道无缝道岔参数分析
(1)钢轨选用梁单元进行模拟 ,按实际截面属性 进行建模 ,考虑钢轨的截面积 、惯性矩及扭转弯矩等参 数 。钢轨按照支承节点划分单元 ,可全面考虑纵 、横 、 垂向线位移及转角 。在尖轨和心轨处建立变截面的单 元以考虑实际截面对结果的影响 。
(2)道岔区的扣件采用非线性弹簧单元进行模 拟 。可全面考虑扣件的纵向阻力 、横向阻力和垂向刚 度 。此外 ,还考虑了道岔基本轨前侧和翼轨前侧扣件 布置的实际情况 。
由此可见 ,增加翼轨末端每侧间隔铁的数量对其 受力与变形都是有利的 。考虑到翼轨末端间隔铁的布 置空间有限 ,建议仍采用当前方案 ,即翼轨末端每侧布 置 4组间隔铁 。 413 翼轨末端单组间隔铁受力比较
由上文中分析可知 ,尖轨跟端结构型式对翼轨末 端间隔铁的受力基本上没有影响 。因此 ,轨温变化幅 度为升温 60 ℃时 ,尖轨跟端采用隔枕跨 2组限位器结 构 (限位值依次为 710、615 mm )或隔枕跨 2组长大间 隔铁结构时不同间隔铁数量的道岔的翼轨末端各组间 隔铁受力见表 4。
4 翼轨末端间隔铁数量影响分析
411 主要计算工况 以钢轨升温 60 ℃时为例 ,计算尖轨跟端采用隔枕
跨 2组限位器结构 (限位值依次为 710 和 615 mm )和 尖轨跟端采用隔枕跨 2组长大间隔铁结构时的主要计 算结果 ,翼轨末端分别按每侧设置 3组 、4组和 5组间 隔铁考虑 。 412 主要计算结果比较
1 研究背景
跨区间无缝线路是与高速重载铁路相适应的轨道 结构 ,是客运专线必须采用的关键技术 。为满足客运 专线建设的需要 ,我国研究开发了时速 350 km 客运专 线 42号无砟轨道无缝道岔 [ 1 ] 。由于客运专线 42号无 砟轨道无缝道岔的铺设在我国尚属首次 ,因此对它的 各项设计参数需要进行深入的研究和分析 。
表 2 各扣件阻力型式条件下道岔源自文库铺设轨温范围
尖轨跟端结构型式 扣件阻力型式 最大升温幅度 / ℃最大降温幅度 / ℃
(1)
50
60
3组限位器
(2)
50
59
(3)
51
60
(4)
51
60
(1)
46
55
(2)
46
55
3组间隔铁
(3)
47
56
(4)
46
55
由表 2可知 ,尖轨跟端隔枕跨设置 3组不等间 隙限位器结构 (限位值为 710、615 和 610 mm ) 时 , 相对扣件阻力型式 ( 1) :扣件阻力型式 ( 2)条件下 , 最大轨温变化幅度不变或减小 1 ℃; 扣件阻力型式 ( 3 ) 条件 下 , 最 大轨 温变化幅度不变或增大 1 ℃;扣 件阻力型式 ( 4)条件下 ,最大轨温变化幅度不变或增 大 1 ℃。
·线路 /路基 ·
下 ,最大轨温变化幅度增大 1 ℃;扣件阻力型式 ( 4)条 件下 ,最大轨温变化幅度不变 。
综上所述 ,扣件阻力型式 ( 3)最优 ,其最大升温幅 度和降温幅度均最大 。 314 小结
经过比较分析可知 ,在本文所述参数条件下 ,在条 件允许时 ,可适当增大里轨扣件阻力 ,以利于控制无缝 道岔的受力与变形 。