60kg/m钢轨、12号固定岔心半焊无缝道岔应力分析及检算

赵宁宁 上海铁路局宁波工务段

随着社会经济的日益发展，铁路也在发展中不断跨越，在新设备、新技术不断运用于高铁建设的同时，既有线也在逐步地更新设备、自我提升，以取得更大的运力、运能来适应铁路的快速发展。新设备、新技术不断涌现，要求工务技术人员必须更深层次地了解、掌握新设备、新技术，做到知己知彼，百战不殆。

萧甬线为适应杭深线客运专线开通要求，将部分区段的正线道岔改铺为半焊式无缝道岔，实现跨区间无缝线路，增加了列车运行的平顺性，也使部分区段允许速度提升至160km/h。为进一步了解无缝道岔，现以萧甬线慈城站2#道岔为例，对60kg/m、12号固定岔心半焊无缝道岔的内部应力状态、位移、强度及稳定性进行分析检算。

1 设备概况

慈城站位于宁波市江北区慈城镇，该地区历史最高轨温62℃，最低轨温-8℃，铺设60kg/m钢轨无缝线路区段设计锁定轨温为32±5℃；动车车型为CRH1、CRH2型、普通客车为东风Ⅺ型，货车为东风Ⅳ型；混凝土Ⅱ型轨枕，1840根/km；Ⅱ型弹条扣件；碎石道床，道碴质量好，石碴饱满，道床断面大。正线道岔为限位器结构60kg/m、12号曲线尖轨、固定岔心直线单开半焊砼枕道岔。

2 应力分析

跨区间无缝线路，顾名思义，即在区间无缝线路的基础上，由无缝道岔将区间无缝线路长轨条焊联在一起，从而形成几十、几百千米的长轨条。跨区间无缝线路不但长轨条穿越站区，与道岔连焊在一起，而且道岔本身也为无缝道岔。跨区间无缝线路的受力与变形将在岔区发生变化，从图1可以看出半焊无缝道岔基本轨温度力是自行平衡的，而道岔里轨只在一端承受温度力，该力将使道岔里股钢轨产生伸缩位移，同时一部分力也将通过道岔有关联接零件传给基本轨形成基本轨附加力。

图1

平衡道岔里轨温度力 ，阻止道岔里股钢轨产生位移的作用力主要有以下几个方面：

2.1 辙根阻力Pm

辙根结构是道岔尖轨与基本轨之间的重要联接零件，所处位置相当于无缝线路的接头位置，慈城站正线道岔采用限位器结构，原则上限位器字母块不密贴，不限制钢轨伸缩，故辙根阻力Pm=0。

2.2 无缝道岔道床纵向阻力Pa与横向阻力Q

众所周知，道岔中岔枕长度各不相同，故每根枕木的纵向阻力也不相同，为计算及使用方便，采用单位岔枕长的道床纵向阻力作为计算参数(砼岔枕 γ0=32N/cm)，Pa=γ0l。

通过研究发现2.6m长岔枕横向道床阻力最小，偏于安全计算，均以2.6m长岔枕的横向阻力检查无缝道岔稳定性：

2.3 扣件推移阻力Pc与扣件阻矩M

当里轨发生位移时钢轨扣件将产生推移阻力，实验得知：Ⅱ型扣件扭矩达到120N·m时扣件推移阻力Pc=10.5KN/轨，钢轨与轨枕间的相互转角达0.004rad时，扣件阻距M=1020N·m。

2.4 基本轨附加力ΔP

里轨承受无缝线路温度力的同时，通过岔枕、扣件等联接零件逐点将温度力传递给基本轨，形成基本轨附加温度力，也就是说基本轨在承受两侧无缝线路温度力的同时还要承受附加温度力的作用。因此，在对道岔强度及稳定性进行检算前要求出最高及最低轨温时基本轨最大附加温度力。

2.4.1 各岔枕处基本轨附加温度力ΔPt

⑴岔枕的弯曲刚度阻力：道岔里轨通过四轨线岔枕的弯曲刚度来实现温度力的传递，受力情况如图2所示。

图2 四轨线岔枕受力示意图

式中f为岔枕里轨钢轨处弯曲矢度，可根据公式：

通过编程得出各岔枕里轨钢轨处弯曲矢度。

2.4.2 基本轨最大附加温度力

基本轨处于无缝线路固定区，当承受附加温度力时，固定区钢轨将产生拉压变形，由于固定区钢轨总长不能改变，因此拉、压变形应相等，互相抵消。由此在消除道床阻力后可画出每根岔枕传递给基本轨的附加温度力图（详见图3）：

图3 基本轨附加温度力图

由温度力可得出：

n：参与传力的四轨线岔枕根数； a：岔枕间距；

i：辙跟后岔枕序号； Pm：辙跟结构阻力；

P0：伸缩区范围内基本轨单位道床纵向阻力平均值；

ΔPi：第i序号岔枕传力的附加应力：

通过编程可计算出轨温最高、最低时基本轨最大附加温度力：

3 位移、强度、稳定性检算

为确保无缝道岔结构的安全、稳定，我们需要在最高、最低轨温时对钢轨位移、强度、稳定性进行检算。

无缝线路最高轨温时钢轨温度力：

最低轨温时钢轨温度力：

3.1 位移检算

阻止道岔里股钢轨伸缩的主要因素有三个：道床阻力、扣件阻距、岔枕刚度。由于道岔枕木长度不同，为方便计算，将上述三种阻力均换算成单位当量阻力：

道床阻力P0、岔枕阻力Pa和扣件阻距Pb。其单位当量阻力P为：P=P0+Pa+Pb

Ⅱ型弹条扣件推移阻力Pc=10.5kN/轨，其作用在钢轨上的单位扣件推移阻力Pc=17.5N/mm，只有在P>Pc时钢轨才会产生位移。由于混凝土岔枕刚度较大，造成Pa值较大，P值常大于Pc，故假设混凝土岔枕道岔里轨伸缩区范围内单位当量纵向阻力为Pc。

半焊形式无缝道岔里轨所受的最大温度力为无缝线路温度力的一半，即Ptmax/2。当伸缩区长度l'小于道岔里轨辙跟至最后一根长岔枕的距离为lm时，即l'≤lm=28200mm时，钢轨仅受单位扣件推移阻力Pc影响，温度力图如图4-a所示；当 l'≥lm=28200mm时，超过l'范围时钢轨还将另外受到四轨线岔枕阻力P'影响，温度力图4-b所示：

图4 道岔里轨伸缩区内温度力图

假设最高、最低轨温时伸缩区长度l'均小于lm，即l'≤lm=28200mm，由温度力图可求得，最高、最低轨温时伸缩区长度分别为：

均小于lm，故假设成立。

里股钢轨在辙跟处产生最大伸缩位移分别为：

轨温最高、最低时尖轨最大伸缩量：

轨温最高、最低时尖轨尖端的最大伸缩位移分别为：

限位器子母块最大间隙7mm，温度最高或最低时限位器均不密实，尖轨尖端位移均未超过规范规定允许值20mm，故无缝道岔钢轨各处位移检算合格。

3.2 强度检算

轨温降低时道岔内部处于受拉状态，基本轨辙跟处除受到两侧无缝线路拉力外还受到最大温度附加拉力的影响，因此此处以东风Ⅺ型内燃机车时速160km/h为例对辙跟处钢轨强度进行检算。

3.2.1 钢轨静弯矩Mj

DFⅪ型内燃机车前后两转向架间的距离超过5m，影响可以忽略不计。两转向架各车轮轴距、轴重相同，且转向架中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轮的净重（112.8KN）、间距（2000mm）相同，因此只要计算Ⅰ、Ⅱ轮放在计算截面产生的不同的Mj，即可从中找出最不利轮位时的Mjmax，计算结果见表1。

表1 ΣPμ计算表

从计算可知引起ΣPμ最大的都是Ⅰ轮，Ⅰ轮为最不利轮位。最大静弯矩：

钢轨的刚比系数k=1.166×10-3。/mm 。

3.2.2 最大动弯矩Md

机车行驶时将受到各动力方面的影响，影响系数如下：

(2)偏载系数β：道岔处于直线段，故β=0；

(3)横向水平系数f：列车行驶时将产生微小的左右横向摇摆，取横向水平系数数f=1.25；

钢轨的最大动应力弯矩：

3.2.3 钢轨强度检算

在对钢轨进行强度检算时，需对动弯应力、温度应力、附加温度应力及附加制动应力等方面进行考虑。

基本轨动弯应力σd：

基本轨最大温度拉应力σt：

最低轨温时在辙跟处最大温度附加拉应力：

辙跟处基本轨总应力σ总：

焊接接头允许强度[σ]：

故动应力检算合格，无缝道岔钢轨强度符合规范要求。

3.3 稳定性检算

轨温升高时道岔内部处于受压状态，最高轨温时基本轨辙跟处除受到两侧无缝线路压力外受到最大温度附加压力对道岔的影响，需对最高轨温时辙根处稳定性进行检算。

此道岔位于直线段，即1/R=0；f=0.2cm，弹性处弯foe=0.3cm；塑性初弯fop=0.3cm；β=2；单根轨枕的横向阻力Q=87N/cm；安全系数K=1.25。

计算温度压力：

故温度压力检算合格，无缝道岔钢轨稳定性满足规范要求。

4 结束语

在日常工作中要加强无缝道岔的检查与养护，做好位移观测记录工作；做好薄弱地段的拆检工作；注意检查顶铁密贴性，避免顶铁不靠、顶死造成假轨距、突变点；注重道岔与道岔、道岔与线路的整体性，单元化管理；加强对各类数据的分析，时刻注意线路状况变化，确保列车以规定速度安全、平稳、不间断运行。