有轨电车6号道岔尖轨跟端形式对尖轨转换的影响分析

马晓川，王 平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

有轨电车6号道岔尖轨跟端形式对尖轨转换的影响分析

马晓川，王 平

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

为研究有轨电车6号道岔尖轨跟端不同形式对尖轨转换计算的影响问题，基于变分形式的最小势能原理，建立尖轨转换的有限元仿真模型，研究了不同尖轨跟端形式对尖轨转换的影响规律。结论是不可更换尖轨平直接头焊接形式的尖轨跟端稳定性最好，但转换较困难；可更换尖轨带卡槽抖接头形式的尖轨，结构稳定性较好，但转换也较困难；可更换尖轨抖接头形式的尖轨，稳定性较差，但转换最容易。选用不同的尖轨跟端形式需配置不同功率的转辙机才能满足尖轨转换的要求。

有轨电车；道岔；尖轨跟端；有限元

现代有轨电车是一种设计新颖、经济实用的新型交通运输方式。有轨电车道岔系统作为有轨电车从一股轨道转入或越过另一股轨道的线路设备,是有轨电车轨道系统的重要组成部分［1]。现阶段有轨电车道岔尖轨跟端形式分为3种,分别是可更换尖轨斜接头形式、可更换尖轨带卡槽斜接头形式以及不可更换尖轨平直接头焊接形式。

有轨电车道岔转换设备设计选型时,首先需考虑转辙机自身功率能否满足尖轨转换的需要,而尖轨转换所需转换力与尖轨的跟端形式有直接关系,本文使用有限元仿真尖轨转换的过程,计算分析3种尖轨跟端形式对尖轨转换计算的影响,分析3种尖轨跟端形式的优缺点,以选择尖轨跟端合适的形式方案,为转辙设备选型提供理论支持。

1 尖轨跟端形式介绍

(1)可更换尖轨斜接头形式

尖轨跟端与导轨以斜接头的形式连接在一起,跟端侧边加一扣板约束,尖轨与导轨没有焊接在一起,结构形式如图1所示。

图1 可更换尖轨斜接头形式

(2)可更换尖轨带卡槽斜接头形式

尖轨跟端与导轨以斜接头的形式连接在一起,跟端侧边加一扣板约束,尖轨与导轨没有焊接在一起,尖轨跟端设置一卡槽,结构形式如图2所示。

(3)不可更换尖轨平直接头焊接形式

尖轨跟端与导轨以平直接头焊接的形式连接在一起,跟端侧边加一扣板约束,结构形式如图3所示。

图2 可更换尖轨带卡槽斜接头形式

图3 不可更换尖轨平直接头焊接形式

2 尖轨转换模型

(1)主要计算参数

轨距:1 435 mm,轨距测量点距轨顶面14 mm,曲股不设轨距加宽。

导曲线半径:R=50 m,采用单圆曲线。

尖轨采用相离半切线型,半切点在33.8 mm断面。

基本轨在密贴段范围进行2 mm刨切。

岔枕间距一般按600 mm布置,牵引点处岔枕间距加宽至650 mm。采用长岔枕形式,牵引点两侧设置短枕。岔枕按垂直于道岔直股布置,叉后设置扭转短枕。

道岔尖轨设一个牵引点,牵引点距尖轨尖端450 mm,距弹性可弯中心2700 mm。牵引点设计动程50 mm,尖轨尖端开口58 mm,尖轨转化的最小轮缘槽宽度为36 mm。

(2)尖轨计算模型

从弹性力学的角度分析,尖轨转换的位移边界条件由尖轨跟端约束以及尖轨与基本轨的相对位置决定,力的边界条件由牵引力、密贴力以及滑床台摩擦力决定。使用有限元软件建立尖轨转换的有限元模型［2- 7]如图4所示。

图4 尖轨转换的有限元模型

钢轨视为截面线性变化的欧拉梁,采用二维梁单元(beam3)模拟；扣件和扣板视为可提供横向阻力和横向扭转阻力的作用,采用(beam3)单元模拟；密贴段钢轨之间的相互作用采用非线性弹簧(combin39)单元模拟；牵引连杆连接曲尖轨和直尖轨,采用(link1)单元模拟。

3 尖轨转换结果及分析

根据有轨电车道岔尖轨跟端的3种形式,利用有限元软件分别建立了尖轨转换的有限元仿真模型,其他条件保持不变,可更换尖轨斜接头形式(形式一)、可更换尖轨带卡槽斜接头形式(形式二)以及不可更换尖轨平直接头焊接形式(形式三)3种尖轨转化结果如表1所示。

表1 3种尖轨跟端形式的尖轨转换结果

根据3种尖轨跟端形式的尖轨转换结果汇出转换力、不足位移和最小轮缘槽宽度的变化分别如图5、图6和图7所示。

图5 3种尖轨跟端形式的尖轨转换力变化

图6 3种尖轨跟端形式的尖轨转换不足位移变化

由3种有轨电车道岔尖轨跟端形式的转换结果比较可见,可更换尖轨斜接头形式的尖轨转换所需的转换力最小,不足位移最小,但最小轮缘槽宽度则相对较小；可更换尖轨带卡槽斜接头形式的尖轨转换所需的转换力次之,不足位移和最小轮缘槽宽度位于可更换尖轨斜接头形式和不可更换尖轨平直接头焊接形式之间；不可更换尖轨平直接头焊接形式的尖轨转换所需的转换力最大,不足位移最大,且最小轮缘槽宽度较大。

图7 3种尖轨跟端形式的尖轨转换最小轮缘槽变化

4 结论与建议

(1)从结构稳定性来看,不可更换尖轨平直接头焊接形式的尖轨跟端与导轨直接焊接在一起,因而稳定性最好；其次是可更换尖轨带卡槽斜接头形式的尖轨,尖轨跟端有卡槽固定,限制了尖轨跟端横向移动以及扭转,因此结构稳定性较好；最后是可更换尖轨斜接头形式的尖轨,尖轨跟端没有设置固定装置,因而稳定性较差。

(2)从尖轨转换分析结果来讲,最有利于尖轨转换的是可更换尖轨斜接头形式的尖轨；其次是可更换尖轨带卡槽斜接头形式的尖轨；最后是不可更换尖轨平直接头焊接形式的尖轨。

(3)若工程设计转辙机额定功率为1 500 N,则道岔尖轨的结构设计需采用可更换尖轨斜接头形式的尖轨；若采用可更换尖轨带卡槽斜接头形式的尖轨或采用不可更换尖轨平直接头焊接形式的尖轨,则道岔尖轨转辙机的额定功率至少应达到2 500 N才能满足转换条件。

参考文献：

［1] 王平.高速铁路道岔设计理论与实践［M].成都:西南交通大学出版社,2011.

［2] 沈长耀,王明治,蒋慧娟.弹性可弯尖轨扳动力计算［J].城市交通,铁道标准设计,1991(4):1-13.

［3] 薛美根,杨立峰,程杰.现代有轨电车主要特征与国内外发展研究［J].城市交通,2008(11):88-96.

［4] 蔡小培,李成辉,王平.滑床板摩擦力对尖轨不足位移的影响［J].中国铁道科学:2007(1):8-12.

［5] 井国庆,李成辉.18号可动心轨道岔不足位移的ANSYS仿真分析［J].铁道建筑,2007(4):108-110.

［6] 蔡小培.高速道岔尖轨与心轨转换及控制研究［D].成都:西南交通大学,2008.

［7] 蔡小培,李成辉.高速道岔心轨扳动力和不足位移控制研究［J].铁道学报,2008(4):48-51.

［8] 刘语冰.弹性可弯尖轨双牵引点的扳动力计算［J].铁道标准设计,1993(1):12-18.

［9] 锦州局彰武工务段技术室.道岔支距简易计算方法［J].铁道标准设计,1972(12):35-43.

［10]何乐平,李成辉.滑床台摩擦系数对双肢弹性可弯心轨扳动力及不足位移影响的计算分析［J].铁道建筑,2006(6):88-90.

［11]李向国,鲍怀义,岳渠德.提速道岔转换力计算机模拟研究［J].石家庄铁道学院学报,2002(9):53-55.

［12]高江宁.Translohr有轨电车轨道结构［J].城市轨道交通研究, 2012(10):98-101.

Analysis on Switching Force Influenced by Different Forms of Rear End of Switch Rail of Turnout No.6 on Tramway Track

MA Xiao-chuan,WANG Ping
(Ministry of Education's Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

To ascertain the influence on switching force caused by different forms of rear end of switchrail of turnout No.6 on tramway track,this paper established a finite element simulation model of the switch rail based on minimum potential energy principle,and researched the influence on switching force caused by different forms of rear end of switch rail.Then this paper come to the conclusions:(a)by contrast,the switch rail,which is with the rear end in the form of non-replaceable welded straight connector,has the best stability but is not easy to be switched；(b)the switch rail,which is with the rear end in the form of replaceable oblique grooved connector,has a better stability but is also not easy to be switched；(c)the switch rail,which is with the rear end in the form of replaceable oblique connector,has a worse stability but is most easy to be switched.Finally,it is suggested in this paper that different forms of rear end of switch rail should be matched with different powers of switching machine,so as to meet the switching force requirement of switch rail.

tramway；turnout；rear end of switch rail；finite element

U239.5；U213.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.009

1004-2954(2014)07-0038-03

2013-10-23；

2013-10-28

国家自然科学基金(51078320)

马晓川(1990―),男,博士研究生,E-mail:mxc_rw@163.com。