收稿日期:2002-05-30
基金项目:铁道部科技开发计划项目(2001G041)
作者简介:王平(1969-),男,教授,博士.
文章编号:0258-2724(2003)04-0371-04
不同结构无缝道岔的纵向力传递机理
王平
(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)
摘 要:分析、比较了固定辙叉、长翼轨可动心轨和短翼轨可动心轨3种辙叉型式、限位器及间隔铁2种辙跟型式的无缝道岔纵向力传递机理及其对无缝道岔各部件受力和变形的影响.研究表明,辙叉采用长翼轨可动心轨、辙跟采用限位器是一种较合理的无缝道岔结构.
关键词:无缝线路轨道;温度力;位移
中图分类号:V 213.6 文献标识码:A
Mechanism of Longitudinal Force Transmission of Welded Turnouts
with Different Structures
WANG Ping
(School of Civil Eng.,Southw est Jiaotong U niversity ,Cheng du 610031,China)
Abstract :T he regulari ty of longi tudinal force transmission of w elded turnouts w ith different types of frog and heel i s investigated,
and the effects of frogs and heels on the force and displacement of the parts of a welded turnout are discussed.T he types of frog and h eel dicussed include rigi d frog,long -w ing movable -point frog and short -w ing movable -point frog for the former and spacer block and spacing restricting device for the latter.T he research res ult shows that combination of the long -wing movable -point frog and the spacing res tricting device is a more reasonable structure of w elded turnouts.
Key words :jointless track;temperature force;displacement
目前,我国跨区间无缝线路中,无缝道岔的结构型式,按辙叉型式主要有固定型辙叉、长翼轨可动心轨辙叉和叉跟座式短翼轨可动心轨辙叉3种;按辙跟型式主要有限位器结构和间隔铁结构2种.辙跟与辙叉结构不同,无缝道岔纵向力的传递机理不同,因而各部件受力和变形规律差别较大.分析、比较不同结构无缝道岔的受力及变形规律,可以更好地指导无缝道岔的结构设计、铺设、养护及维修.
1 无缝道岔计算理论
基于有限单元法的无缝道岔计算理论[1],是一种通用性很强的方法,可用以分析不同道岔结构、道岔群的不同联结型式[2]、不同焊接型式[3]、线路爬行[4]以及铺设轨温差等对无缝道岔受力和变形的影响.
该计算理论的主要思路为:采用有限单元法,以岔枕支承点划分钢轨与岔枕单元,将节点位移及钢轨节点温度力视为变量.钢轨节点两端的纵向力与扣件纵向阻力平衡,钢轨2个相邻节点的位移差与该钢轨单元释放的温度力成正比,岔枕视为侧向支承于弹性地基上的有限长梁,其所受的扣件阻力与道床纵向阻力平衡.尖轨跟端限位器或间隔铁、长翼轨末端间隔铁是无缝道岔中重要的传力部件,计算中其阻力与钢轨相对位移的关系采用实测值,并将其视为作用于钢轨中部的集中力.
第38卷 第4期2003年8月 西 南 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF SOUTH WEST JIAOTONG UNIVERSIT Y
V ol.38 No.4Aug.2003
计算中考虑一定长度的无缝道岔轨道,并建立钢轨边界节点温度力与位移的协调关系.道岔前后无爬行时,端部节点的温度力F 0与位移u 0的关系为[4]
F 0=F t 2rEA u 0,
式中:F t 为固定区温度力;E 为钢材弹性模量;A 为钢轨断面积;r 为线路纵阻向阻力.
设温度压力为正,钢轨位移由岔后向岔前移动为正,则当岔后节点位移为负或岔前节点位移为正时,式中取正号,反之取负号.
将固定辙叉视为等截面特殊钢轨,辙叉阻力采用文献[5]的测试结果.由于我国还没有成熟的高锰钢辙叉与普通钢轨焊接技术,固定辙叉趾跟端一般采用冻接、胶接、哈克螺栓或施必牢螺栓等紧固件与普通钢轨联结,可以承受较大的纵向力,在无缝道岔温度力及位移计算中将它们视为焊接接头.固定辙叉趾跟端温度力为所联结的两钢轨温度力之和.在直侧股均焊接的情况下,假定固定辙叉趾端侧股钢轨温度力为未知量,补充固定辙叉跟端位移与相邻短心轨节点位移之间的协调关系,同时固定辙叉跟端位移与相邻长心轨节点位移之间也存在类似的协调关系,即可得到与固定辙叉联结的钢轨各节点的温度力与位移.
长翼轨可动心轨道岔中,翼轨末端为自由端,与心轨联结处受到间隔铁阻力的作用;心轨跟端也为自图1 间隔铁及限位器阻力F ig.1 Resistance of spacer block and spacing restricting device
由端,在翼轨联结处受到大小相等、方向相反的间隔铁阻力.
实测间隔铁阻力F 见图1(x 为心轨与翼轨的相对位移).
短翼轨可动心轨道岔中,翼轨末端为自由端,心轨跟端也
为自由端,在叉跟座处受到扣件阻力作用,该阻力同时作用在
长岔枕上,而未直接作用在导轨上.
尖轨跟端为限位器结构时,通常其子母块间存在约7mm
间隙,一旦子母块贴靠,将按图1所示实测阻力曲线提供限位
器阻力(对限位器,x 为与子母块联结的基本轨与导轨的相对
位移).该阻力直接作用在基本轨与导轨上,大小相等、方向相
反.
根据钢轨及岔枕各节点作用力平衡方程、力与位移的协调关系和边界条件,即可建立钢轨温度力与位移的非线性方程组,采用牛顿迭代法求解.
2 辙叉型式对比分析
选60kg /m 钢轨12号固定型提速道岔、60kg /m 钢轨12号可动心轨提速单开道岔、叉跟座式60kg/m 钢轨12号可动心轨单开道岔.假定均为混凝土岔枕、弹条 型扣件、单组道岔、无爬行、无铺设锁定轨温差、直侧股全焊接,轨温变化幅度55 ,辙跟为限位器结构,道床及扣件阻力均采用实测值.
2.1 不同辙叉型式无缝道岔受力及变形比较
3种辙叉型式无缝道岔各部件的受力及变形如表1所示;基本轨温度力F j ,里轨温度力F l ,基本轨伸缩位移Y j ,里轨伸缩位移Y l 分别如图2和图3所示(s 为距尖轨跟端的距离).
表1 无缝道岔各部件受力及变形比较
T ab.1 Fo rces and displacements of the parts of a welded turnout w ith different frogs
附加温度力及位移
长翼轨可动心固定辙叉短翼轨可动心最大附加温度力/kN
218.6264.9106.9附加温度力增幅/%
20.725.110.1直基本轨最大位移/mm
2.2 2.70.7曲尖轨尖端位移/mm
16.917.913.1曲导轨长翼轨末端位移/mm
-0.7--5.2长心轨尖端位移/mm
9.1-19.8限位器作用力/kN 75.3142.00.0
辙叉结构型式不同的无缝道岔,其基本轨和里轨温度力的分布差别较大.固定辙叉无缝道岔中基本轨的附加温度力最大,短翼轨可动心轨无缝道岔中基本轨的附加温度力最小,最大值出现在翼轨末端处,而不是尖轨跟端处.固定辙叉无缝道岔中限位器所受的作用力最大,长翼轨可动心轨无缝道岔次之,短翼轨372西 南 交 通 大 学 学 报第38卷
