温度作用下42号无砟道岔的受力与变形有限元分析

杨东升，王树国

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

温度作用下42号无砟道岔的受力与变形有限元分析

杨东升1，王树国2

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

利用ANSYS建立客运专线42号无砟道岔模型，计算分析大温差条件下的道岔受力与变形特点，同时讨论了转辙器跟端结构形式对道岔受力与变形的影响。计算结果表明:通过设置限位量合适的限位器可控制道岔钢轨的温度力与纵向位移，保证转辙器正常转换;在最大年轨温差较小的地区，尖轨跟端可不设传力结构，这样有利于道岔温度力的放散;尖轨跟端设置间隔铁时，须检算间隔铁部件和基本轨的材料强度是否满足要求。

42号道岔 有限元计算 温度力 道岔变形

无缝道岔需满足承受最大年轨温差100℃的使用条件，且道岔可动部件在纵向可自由伸缩，但伸缩量过大会影响转辙机正常工作，因此对无缝道岔在特定温差下的受力与变形进行分析具有现实意义。本文采用ANSYS 14.0对客专线42号无砟道岔(图号(07)006)的温度力及变形进行有限元分析，并对比不同转辙器跟端结构形式对道岔钢轨受力与变形的影响。

为方便表述，本文中道岔外轨指由基本轨—导轨—护轨基本轨构成的长轨条，道岔里轨指由尖轨—导轨—翼轨—心轨构成的长轨条。

1 道岔模型建立

铺设于跨区间无缝线路的道岔基本轨处于固定区，承受巨大的温度力，道岔里轨的约束较少导致相对位移量较大。为模拟这种困难条件，道岔模型前后需要分别连接100 m的区间无缝线路模型。模型只考虑42号无砟道岔本身的温度力与变形，忽略无砟轨道轨下基础的变形，因此假设道岔铺设于连续刚性基础上，模型只需要考虑钢轨部件、扣件、限位器和间隔铁。

1.1 钢轨单元模拟

钢轨在温度作用下主要产生纵向力和纵向位移。本次计算模型使用beam188梁单元模拟钢轨，该单元有2个节点，每个节点有6个自由度，适合线性大角度转动和非线性大应变问题。打开大变形选项可使beam188的应力刚化，计算模型更容易收敛。42号道岔属于大号码道岔，导曲线圆曲线半径为5 000 m，故可将梁单元简化为直线，从而减少建模工作量。道岔直向和侧向钢轨的6个接头，分别与100 m长的区间线路连接形成跨区间无缝线路。

1.2 联结部件模拟

采用combin39非线性弹簧单元，通过设定不同参数(combin39的广义“力—变形关系曲线”)来模拟扣件、限位器和间隔铁。在建模时，设置多个单自由度的弹簧单元，对同一结构或节点施加多个弹簧单元，以实现对结构多方向的约束。combin39在单自由度情况下自由度方向完全受 K3关键字控制，与 i，j节点的相对位置无关，因此不需要考虑弹簧单元的位置与方向。

在模型中，基本轨、导轨、翼轨、区间钢轨通过扣件连接在刚性基础上，道岔区扣件间距按照岔枕实际间距布置，区间钢轨扣件按照600 mm间距布置。尖轨和心轨属于可动部件，没有扣件的约束，尖轨在跟端连接限位器控制纵向位移，心轨则通过间隔铁与翼轨相连。

1.3 模型连接与荷载施加

温度荷载下道岔主要在纵向上变形，曲股钢轨会产生很小的横向变形，几乎不产生竖向变形。所以本计算模型可简化为平面问题，只需要考虑轨道平面上道岔部件的相互作用，模拟扣件的弹簧只需要提供X，Y轴向的平移约束和绕Z轴的转动约束，即建立3种单自由度的combin39单元，采用不同的实常数实现各自的功能。

转辙器部分采用限位器辙跟结构，限位器的自由伸缩量为 ±7 mm，客专线42号道岔单侧辙跟设置3组限位器。辙叉部分采用间隔铁连接，其中辙叉前端左右翼轨由3组间隔铁连接，辙叉跟端长短心轨分别与相应翼轨由4组间隔铁连接，长短心轨跟端由4组间隔铁连接。连接长短心轨的间隔铁全部胶结，即所有间隔铁承受相同温度力。道岔前后的钢轨单元与区间钢轨单元连接，区间钢轨单元只受扣件约束，自由端钢轨不受接头阻力约束。

无缝道岔需满足承受最大年轨温差100℃的使用条件，因此道岔所承受的理论最大温差高出锁定轨温50℃。由于无缝线路锁定轨温随线路运行时间的增加而略有降低，所以对该模型施加55℃的温升荷载，ANSYS默认的环境温度为0，所以施加温度荷载时直接输入55即可。不考虑列车荷载，选择静态分析。

2 计算参数选取

2.1 梁单元参数

客专线道岔均采用60 kg/m钢轨，60 kg/m钢轨的弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，线膨胀系数α=1.18×10－5/℃。

由于beam188梁单元可采用任意多边形截面，因此可使用AutoCAD软件画出60 kg/m钢轨的实际截面，并保存为ANSYS可识别的图形文件。在建模过程中调用此图形文件，作为 beam 188梁单元的截面参数。采用这种建模方法，可避免钢轨模型建模时等效换算等工作。模型中轨道纵向为X轴方向，横向为Y轴方向。

2.2 弹簧单元参数

只需设置弹簧单元的3处参数即可满足建模需要:①设置弹簧单元为单自由度体系;②规定单自由度弹簧的变形方向;③赋予弹簧不同的实常数，自定义弹簧的力—变形曲线。

扣件、限位器、间隔铁的广义力—变形关系曲线如图1所示。

图1 计算时采用的力—变形关系曲线

3 计算结果分析

3.1 道岔钢轨温度力

根据有限元程序计算，可得到道岔各钢轨部件温度力，如图2所示。

由模型计算数据可知，42号道岔的直曲基本轨、左右里轨在相同温升作用下温度力的差值可以忽略不计。这主要是由于道岔号码较大而且是无缝焊接，侧向线路状态与直向接近，因此图2中没有区分左右轨。

由图 2(a)可知，无缝线路固定区的温度力为1 281.3 kN，基本轨温度附加力最大值为1 512.0 kN，基本轨温度附加力峰值出现于限位器前方。这是由于限位器将导轨的温度力传递到了基本轨上，引起了附加温度力与固有温度力叠加，出现了一个峰值。限位器后方，由于温度附加力方向与固有温度力方向相反，使得该区域的钢轨温度力减小，限位器承受的最大温度力为466.7 kN，变化幅度为36.4%，因此要注意对限位器区的道岔部件进行强度检算。

由图2(b)可知:里轨固定区的温度力与基本轨温度力接近，为1 278.3 kN。尖轨和心轨自由伸缩，温度力为0;尖轨跟端限位器承受温度力，使得温度力曲线产生突变，在翼轨跟端通过间隔铁传导心轨后长轨条的温度力，由于间隔铁全部胶结，共同承受温度力，因此温度力曲线在此处出现一段水平线，间隔铁承受的温度力为1 113.3 kN。

图2 升温55℃时42号道岔钢轨部件纵向温度力

3.2 道岔钢轨纵向位移

道岔各钢轨部件位移如图3所示。道岔左右相应钢轨部件纵向位移的变化趋势基本相同，这与道岔温度力的特点相互印证。

图3 升温55℃时42号道岔钢轨部件纵向位移

由图3(a)可知，基本轨纵向位移最大值出现在靠近尖轨尖端第1组限位器处(距道岔前端42.3 m)，最大纵向位移为0.85 mm(以指向岔前方向为正值)，第2组限位器处纵向位移为0.75 mm，第3组限位器处纵向位移为0.63 mm，3组限位器产生的位移值依次减小。由限位器引起的钢轨纵向位移影响范围集中在转辙器辙跟部分，其余部分的基本轨处于无缝线路的固定区，纵向位移基本为0。

由图3(b)可知，尖轨和心轨都处于自由伸缩状态，因此位移曲线斜率基本相同，尖轨尖端最大纵向位移为33.84 mm，心轨尖端最大纵向位移为13.82 mm，均满足《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》的要求。导轨处于无缝线路由伸缩区过渡到固定区的部分，靠近限位器一端存在7 mm的自由伸缩量，靠近辙叉的一端与翼轨连接，再通过间隔铁与心轨跟端的长轨条连接组成固定区，因此纵向位移量可视为0。翼轨跟端由于缺少钢轨接头阻力约束，会产生少量反向位移，但这部分位移对道岔结构影响较小。

4 尖轨跟端结构对道岔的影响

我国客专线系列道岔存在限位器、间隔铁和无传力部件3种尖轨跟端结构。为研究尖轨跟端结构和限位器限位量对道岔温度力传递机理和钢轨变形的影响，分5种工况进行了计算分析，结果如表1所示。

表1 不同尖轨跟端结构道岔的计算结果(温升55℃时)

由表1可知:

1)无尖轨跟端传力部件时，基本轨无位移，也无温度附加力，尖轨跟端处于自由伸缩状态，故尖轨跟端不设传力部件最利于温度力的放散。但由于没有限位装置，在温升55℃时，尖轨尖端的位移达到44.20 mm，不满足维修规则中“尖轨允许伸缩位移40 mm”的要求。因此，尖轨跟端无传力部件的道岔只能用于年轨温差较小的线路(经计算，允许最大升温幅度为46℃，允许最大降温幅度为47℃)。

2)采用限位器结构可有效减少尖轨位移，同时也会向基本轨传递部分温度力。根据不同限位量道岔模型的计算数据对比可知，限位量＜7 mm时，由于附加温度力过大引起基本轨纵向位移增加，导致限位器对尖轨的约束能力提升不明显;限位量＞7 mm时，尖轨伸缩量增加，同时温度附加力可明显减少。因此，限位器的限位量不宜＜7 mm，可根据现场铺设条件安装限位量较大的限位器。

3)尖轨跟端采用间隔铁结构，可明显减小尖轨伸缩量，但也会向基本轨传递较大的温度力，使基本轨的纵向位移增加。因此，设置间隔铁辙跟结构时需要检算间隔铁螺栓强度和基本轨强度。

5 结论

本文应用ANSYS建立了无缝道岔模型，分析了无缝道岔在温度变化条件下钢轨部件的受力与变形特征。通过对客专线42号道岔尖轨跟端结构的对比分析，得到以下结论:

1)设置限位量合适的限位器可控制道岔钢轨温度力的放散，限制尖轨的纵向位移，保证转辙器正常转换;

2)在平均年轨温差较小的地区(允许最大升温幅度为46℃，允许最大降温幅度为47℃)，尖轨跟端可不设传力结构，这有利于道岔温度力的放散;

3)设置尖轨跟端间隔铁结构时，需检算间隔铁部件和基本轨的材料强度是否满足要求。

［1］王树国，林吉生.大号码无缝道岔温度力和变形的有限元计算［J］.中国铁道科学，2005，26(5):68-72.

［2］王树国，顾培雄.客运专线无缝道岔受力与变形的影响因素研究［C］//铁路客运专线建设技术交流会论文集.北京:中国铁道学会，2005.

［3］高亮，曲村，陶凯，等.客运专线42号无砟轨道无缝道岔设计方法研究［J］.铁道学报，2011，33(1):76-82.

［4］中华人民共和国铁道部.TB/T 3302—2013 高速铁路无砟轨道道岔铺设技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2013.

［5］中华人民共和国铁道部.铁运［2012］83号 高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)［M］.北京:中国铁道出版社，2012.

［6］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2013.

Finite element analysis of force and deformation in No.42 ballastless turnout with temperature effect

YANG Dongsheng1，WANG Shuguo2
(1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081;2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

T he model of No.42 ballastless turnouts on passenger-dedicated line was established using ANSYS finite element software，stress and deformation characteristics of turnout under big temperature difference was analyzed，and the influence of different switch heel structure on the turnout stress and deformation was discussed.Research conclusions are that setting displacement restrictors with appropriate limit to control temperature force and longitudinal displacement of switch rail could ensure the normal conversion of switch，switch rail heels could not be set with power transmission structure in relatively smaller maximum annual rail temperature difference area，which is propitious to release switch temperature stress，if switch rail heel blocks are used as the anti-creep devices，material strength of blocks and stock rails should be tested in order to meet the requirements.

No.42 turnout;Finite element calculation;T emperature stress;T urnout deformation

U213.6;U238

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.29

(责任审编 李付军)

2015-05-04;

:2015-09-26

杨东升(1990— )，男，硕士研究生。

1003-1995(2015)11-0100-04