基于有限元理论的小号码道岔转换分析

2014-12-25马晓川张梦楠徐井芒

铁道建筑 2014年3期

马晓川，王平，张梦楠，徐井芒

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

转换力计算是进行道岔转换设计的基础计算。设计上要求采用最少的牵引点实现尖轨和可动心轨的转换，牵引点转换力要求小于转辙机的额定功率，尖轨最小轮缘槽宽度要满足最小轮缘槽宽度要求。随着我国高速道岔的迅速发展，国内18号、38号以及42号道岔的设计已臻于成熟，小号码道岔的转换设计则有待进一步研究分析。本文以10号道岔为例，运用有限元理论，建立尖轨和心轨的有限元模型，研究滑床板摩擦系数、扣件横向刚度以及夹异物对道岔转换的影响。

图1 尖轨转换的有限元模型

1 尖轨和心轨转换计算模型

1.1 尖轨转换计算模型

以10号道岔为例，尖轨活动段总长11.797 m，扳动到正位时的密贴段长5.941 m，扳动到反位时的密贴段长5.941 m，尖轨跟端类型为弹性可弯。采用单点牵引，牵引点距尖轨尖端 0.538 m，牵引动程0.160 m。牵引方式采用联动内锁闭。使用有限元软件建立尖轨转换的有限元模型，如图1所示。

1.2 心轨计算模型

以10号道岔为例，心轨活动段的长度7.89 m，扳动到正位时的密贴段长0.884 m，扳动到反位时的密贴段长0.906 m，心轨跟端类型为尖轨斜接头式单肢弹性可弯。采用单点牵引，牵引点距心轨尖端0.187 m，牵引动程0.107 8 m。牵引方式采用联动内锁闭。使用有限元软件建立心轨转换的有限元模型，如图2所示。

1.3 模型单元类型

使用有限元软件建立尖轨和心轨转换计算的有限元模型时，模型中使用的单元类型如下:

1)尖轨和心轨是截面线形变化的欧拉梁，只在水平面内发生横向变形，采用二维梁单元(beam3)模拟。

2)扣件在计算模型中起横向阻力的作用，采用非线性弹簧单元(combin39)模拟。

3)考虑到间隔铁受剪力和扭转力的作用，采用二维梁单元(beam3)模拟。限位器子母块贴靠前，限位器不受力，当限位器子母块贴靠后，限位器开始受力，因此采用非线性弹簧单元(combin39)模拟。

图2 心轨转换有限元模型

4)尖轨或心轨与基本轨未接触时，相互之间没有作用力，当尖轨或心轨与基本轨密贴后，尖轨或心轨受到较大的密贴力，因此密贴弹簧采用非线性弹簧单元(combin39)模拟。

5)尖轨或心轨与顶铁未接触时，尖轨或心轨不受顶铁力，尖轨或心轨与顶铁接触后受到顶铁力，因此顶铁采用非线性弹簧单元(combin39)模拟。

2 尖轨转换影响因素分析

2.1 滑床板摩擦系数对尖轨转换的影响

滑床板摩擦系数 μ 分别取 0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25和0.30时，尖轨转换力的变化趋势如图3所示，尖轨不足位移的变化趋势如图4(横坐标原点指尖轨尖端)所示。

图3 尖轨转换力随滑床板摩擦系数变化趋势

图4 尖轨不足位移随滑床板摩擦系数变化趋势

由图3和图4可见，牵引点的转换力随滑床板摩擦系数的增大而增大，不足位移随滑床板摩擦系数的增大而增大;滑床板摩擦系数取0.25时，最大转换力达到4 008.1 N，小于转辙机的额定功率6 000 N，能够满足要求。不足位移达到7.755 mm，不足位移值偏大，可以通过设置反变形降低不足位移。因此采取措施降低滑床板的摩擦系数，如滑床板涂油或设置辊轮，能够有效降低尖轨转换力和减小不足位移。

2.2 跟端扣件横向刚度对尖轨转换的影响

尖轨跟端扣件横向刚度 K分别取25，50，75和100 kN/mm时，尖轨转换力的变化趋势如图5所示，尖轨不足位移的变化趋势如图6所示。

图6 尖轨不足位移随扣件横向刚度变化趋势

由图5和图6可见，尖轨转换力随扣件横向刚度的增大而略有减小，但变化幅度不明显;不足位移随扣件横向刚度的增大有所减小。因此，增大跟端扣件的横向刚度可以有效控制和减小尖轨的不足位移。同理，采取措施增大尖轨跟端横向刚度，如在尖轨跟端设置间隔铁，也能够有效控制和减小尖轨的转换力和不足位移。

2.3 夹异物对尖轨转换的影响

当牵引点处和牵引点后分别存在4，6和8 mm尺寸的夹异物，夹异物的位置分别是牵引点处、牵引点后1 m处、牵引点后2 m处和牵引点后3 m处时，牵引点的转换力变化如表1所示。＞6 000 N表示计算模型不收敛，扳动力远大于转辙机的额定功率6 000 N。

表1 夹异物对尖轨转换力的影响

由表1可见，夹异物的存在对于尖轨转换的影响很大，夹异物的尺寸越大，尖轨所需的转换力越大，夹异物位置距离牵引点越近，尖轨所需的转换力越大。牵引点后2 m处存在4和6 mm尺寸的夹异物以及牵引点后3 m处存在4，6和8 mm尺寸夹异物的情况，尖轨的扳动力满足要求(小于转辙机的额定功率6 000 N)，其他情况牵引点均会出现转换不到位的现象。因此在道岔转换时要定期清理异物，防止夹异物的存在造成尖轨转换不到位的现象。

3 心轨转换影响因素分析

3.1 滑床板摩擦系数影响

滑床板摩擦系数 μ 分别取 0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25和0.30时，心轨转换力的变化趋势如图7所示，心轨不足位移的变化趋势如图8(横坐标原点指心轨尖端)所示。

由图7和图8可见，心轨牵引点的转换力随滑床板摩擦系数的增大而增大，不足位移随滑床板摩擦系数的增大而增大。当滑床板摩擦系数取0.25时，心轨最大转换力是4 240.6 N，小于转辙机的额定功率6 000 N，满足设计要求。心轨不足位移是3.565 mm，不足位移值偏大可以通过设置反变形解决。采取措施降低滑床板的摩擦系数，如滑床板涂油或使用减磨滑床台，能够有效降低转换力，减小不足位移。

图7 心轨转换力随滑床板摩擦系数变化趋势

图8 心轨不足位移随滑床板摩擦系数变化趋势

3.2 跟端扣件横向刚度影响

心轨跟端扣件横向刚度 K分别取25，50，75和100 kN/mm时，心轨转换力的变化趋势如图9所示，心轨不足位移的变化趋势如图10所示。

图9 心轨转换力随扣件横向刚度变化趋势

由图9和图10可见，定位至反位心轨转换力随扣件横向刚度的增大而减小，反位至定位心轨转换力随扣件横向刚度的增大有小幅度的上升，不足位移随扣件横向刚度的增大而减小，考虑到定位至反位转换力高于反位至定位转换力，因此，增大扣件横向刚度可以有效地减小心轨转换力和降低心轨不足位移。同理，采取措施增加心轨跟端横向刚度，如在心轨跟端设置间隔铁，可以有效控制心轨的转换力和降低不足位移。