有轨电车6号单开道岔刚度均匀化研究

沈彬然，孙宏友，徐井芒，王平

(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)

有轨电车6号单开道岔刚度均匀化研究

沈彬然，孙宏友，徐井芒，王平

(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)

应用有限元软件建立有轨电车6号单开道岔轨道刚度仿真模型，研究岔区刚度分布规律及其均匀化措施。研究结果表明，列车直向、侧向过岔时，在轨道的横向和纵向均存在较大的刚度不平顺。其中以辙岔区段不平顺幅度最大，转辙器部分次之，连接部分最小。根据所得规律提出有轨电车6号道岔刚度均匀化具体措施，与刚度均匀化之前对比发现，刚度均匀化之后列车直向和侧向过岔的最大里轨与基本轨刚度比均有所下降，直基本轨、直向里轨、曲基本轨、侧向里轨的刚度最大纵向变化率降低，轨道整体刚度不平顺有明显改善，可以满足有轨电车在站线或折返线的运输组织要求。

有轨电车 道岔 刚度均匀化 有限元

目前全球已经掀起了一股有轨电车复兴热潮，50多个国家、400多个城市在运营现代有轨电车。在国内，现代有轨电车也逐步得到了重视和快速发展。遂宁、新津、宁波、青岛等城市已开展有轨电车线路规划。共享路权地段道岔须采用埋入式结构、槽型轨，一般铺设6号、3号等小号码道岔，在岔区刚度、槽型轨转辙器和辙叉的形式、转换设备等方面与传统铁路道岔显著不同［1］。为满足列车过岔的舒适性和安全性，有必要对现代有轨电车槽型轨道岔刚度均匀性进行研究。

道岔区的轨道刚度是影响列车过岔舒适性、道岔部件使用寿命和养护维修工作量的基础参数。轨道刚度过大，列车过岔时轮轨相互作用剧烈，运行舒适性差，道岔部件应力增加，使用寿命降低;轨道刚度过小，道岔变形大，几何状态难以保持，养护维修工作量大［2-4］。轨道各部件刚度匹配不佳，难以使轨道结构在列车荷载作用下表现出良好的工作特性，不同运行条件下道岔存在一个合理的轨道刚度。对于合理轨道刚度的研究，国内外主要集中在区间轨道上［5-8］，对于岔区合理轨道刚度的研究较少，原因是道岔自身结构复杂，列车过岔时一股道上的轮载通过岔枕、垫板传至另一股道钢轨上，使另一股道上的钢轨具有帮轨作用。同时，道岔区存在基本轨、尖轨、翼轨及心轨等多种钢轨形式，其抗弯刚度各不相同。加上间隔铁等因素的影响，使得道岔区轨道刚度沿线路纵向分布不均匀。

本文采用有限元软件建立有轨电车6号道岔的计算模型，通过计算分析得到了有轨电车6号道岔刚度均匀化之前的轨道刚度分布规律，并提出具体刚度均匀化措施，使线路具有良好的刚度平顺性以满足列车行驶的需要。

1 有轨电车6 号道岔概况

有轨电车6号道岔不同于高速铁路道岔，该道岔结构为槽型轨道埋入式道岔，采用一体化构造的整体型转辙器，尖轨采用可更换形式以易于维护。垫板采用通长大垫板的形式，将底板与挡轨、滑床台板、铁座等焊接成整体。在滑床台板的扣压方式上，考虑到有轨电车的实际运营条件以及制造成本，采用了刚性扣压形式。考虑到转辙器内部的排水问题，在垫板对应各岔枕空当处分别设置排水孔，并与道床排水槽连接，将水直接排入储水井或市政管道，以满足排水要求。

有轨电车6号道岔采用固定型辙叉，轨下基础采用整体道床形式布置。道岔全长14 450 mm，前长4 226 mm，后长10 224 mm，导曲线半径为50 m，采用单圆曲线。道岔轨距均为1 435 mm，岔枕间距为600 mm，轨距测量点距轨顶面14 mm，曲股不设轨距加宽。道岔采用双层弹性分开式结构，轨下和板下均设置10 mm厚弹性垫层。其中板下垫层提供主要弹性，与轨下垫层串联，提供扣件系统的竖向刚度。轨下垫层采用普通橡胶，板下垫层采用发泡橡胶。该道岔容许通过速度直向为70～80 km/h，侧向＜20 km/h。有轨电车6号道岔的线形如图1所示。

图1 有轨电车6号道岔线形

2 有轨电车6 号道岔轨道刚度计算模型与参数

2.1 计算模型

在道岔范围内，多种因素会影响轨道刚度分布，使岔区轨道刚度沿线路纵向分布不均匀，呈现很强的突变特性。具体来说，影响道岔轨道刚度的主要因素有扣压件及轨下胶垫、铁垫板及板下胶垫、钢轨类型、滑床台、间隔铁等。

在考虑上述影响因素的基础上，采用有限单元法建立无砟道岔轨道整体刚度计算模型。模型中将基本轨用等截面梁来模拟;尖轨和辙叉用变截面梁模拟;扣压件和轨下胶垫简化成线性弹簧;铁垫板模拟为等截面梁;板下胶垫模拟成线性弹簧;间隔铁模拟成短梁;转辙器处大铁垫板模拟成板。道岔区整体刚度计算模型将道岔按非共用垫板区、转辙器区、辙叉区、导曲线共用垫板区等部分进行区段划分来计算分析。

2.2 计算参数

本文计算中扣件系统刚度取为40 kN/mm，轨下胶垫刚度取为200 kN/mm，标准长度板下胶垫(指非共用铁垫板)刚度取为50 kN/mm，共用垫板下胶垫刚度根据其长度以标准垫板为基数线性增加。道岔中各轨型的弹性模量均采用206 GPa，泊松比为0.3。各种钢轨截面参数见表1—表3。

表1 尖轨主要特征截面参数

表2 锰叉主要特征截面参数

表3 基本轨截面参数

3 岔区刚度分布规律

表4中列出了刚度均匀化前岔区轨道整体刚度的最大值和最小值，并计算出纵向变化率和里基刚度比。均匀化前列车直向和侧向过岔轨道整体刚度分布规律计算结果如图2所示。

表4 刚度均匀化前轨道整体刚度计算结果

通过对以上计算结果的分析可以得到如下规律:

1)直基本轨的轨道整体刚度在转辙器部分较在其它区段大。这是由于在转辙器部分，基本轨和尖轨共用一块整体大铁垫板，并且铁垫板和板下胶垫的刚度较大。曲基本轨的整体刚度大小、分布规律与直基本轨大致相同。

2)间隔铁的存在导致刚度增大，这是由于间隔铁将两根钢轨联结到了一起，产生了帮轨作用。

3)直向和侧向里轨的刚度变化规律基本相同:辙叉部分刚度最大，转辙器部分次之，连接部分最小。转辙器部分刚度增大是由于共用大铁垫板板下胶垫刚度较大和基本轨的帮轨作用，辙叉部分刚度增大是由于板下胶垫和钢轨抗弯刚度增加所致。辙叉部分刚度变化主要是由辙叉心轨抗弯刚度和板下胶垫长度纵向变化引起的。

4)列车直向、侧向过岔时，在轨道的横向和纵向均存在较大的刚度不平顺，其中以辙叉区段不平顺幅度最大。

图2 轨道整体刚度分布

4 岔区轨道刚度均匀化措施

对于无砟道岔，部件刚度合理匹配一般是指扣件系统轨下胶垫刚度和板下胶垫刚度的合理匹配，两者的合理匹配应保证道岔各部件的受力状态良好，不致因某些部件的变形过大影响道岔其他部件的正常受力状态。由于道岔区基本轨下设有橡胶垫层，而尖轨直接落在滑床台上，若基本轨下橡胶垫层刚度过小，基本轨在轮载作用下产生的挠曲明显大于尖轨部分，造成线路出现动态高低不平顺，影响列车过岔舒适性和安全性。因此调节岔区轨道刚度主要通过调节轨下胶垫刚度来实现。

根据上述分析，采用的刚度均匀化措施为:所有轨下胶垫的刚度保持在200 kN/mm不变，将每1 m长标准垫板(非共用垫板)下的胶垫刚度设为102 kN/mm。对于共用垫板下的胶垫刚度，根据均匀化原则利用岔区轨道刚度有限元计算模型确定。

道岔区钢轨结构复杂，为便于设计，可结合道岔结构按区段处理，板下胶垫刚度区段划分见表5。

表5 板下胶垫刚度区段划分

均匀化前后直向过岔和侧向过岔轨道整体刚度分布规律对比如图3所示。由图3可以看出，均匀化后轨道刚度平顺性有明显改善，均匀化效果较好。

图3 均匀化前后轨道整体刚度对比

表6给出了刚度均匀化后的整体刚度最大值和最小值，并计算出纵向变化率和里基刚度比。表7为均匀化前后轨道整体刚度、纵向变化率和里基刚度比。

表6 刚度均匀化后计算结果

表7 刚度均匀化前后计算结果比较

5 结论与建议

1)有轨电车6号道岔轨道整体刚度沿线路横纵向分布不均匀。辙叉部分刚度最大，转辙器部分次之，连接部分最小。采取刚度均匀化措施之前直基本轨、直向里轨、曲基本轨、侧向里轨的最大整体刚度分别为133.84，190.30，133.84，190.31 kN/mm，直基本轨、直向里轨、曲基本轨、侧向里轨的最大纵向变化率分别为170.79%，242.09%，171.28%，242.83%，直向过岔和侧向过岔最大里基刚度比分别为2.43，2.44。

2)为减少弹性垫层的种类和规格，将道岔按非共用垫板区、共用垫板区进行区段划分进行计算分析，分别给出了各段板下胶垫均匀化目标刚度值。共设置了2种单位长度刚度不同的板下胶垫，分别为102，60 kN/mm。为满足列车过岔运行的平顺性和舒适性要求，岔区刚度需要合理设置及均匀分布。通过计算分析可以看出经过刚度均匀化之后合理设置板下胶垫刚度，可使道岔轨道刚度沿线路纵向分布较为均匀，从而减缓轮轨动力相互作用，提高过岔安全性和舒适性，延长部件使用寿命。

3)有轨电车6号道岔采取刚度均匀化措施后直基本轨、直向里轨、曲基本轨、侧向里轨的最大整体刚度分别为100.82，130.80，100.82，130.80 kN/mm，直基本轨、直向里轨、曲基本轨、侧向里轨的最大纵向变化率分别为128.66%，167.66%，129.03%，167.66%，直向过岔和侧向过岔最大里基刚度比均为1.67。

［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］罗雁云，朱剑月.线路道岔轨下刚度改变对轮轨动力性能影响研究［J］.电力机车与城轨车辆，2004，39(5):9-12.

［3］刘学毅.轨道刚度影响分析及动力学优化［J］.西南交通大学学报，2004，39(1):1-5.

［4］陈小平，王平.无砟道岔轨道刚度分布规律及均匀化［J］.西南交通大学学报，2006，41(4):447-451.

［5］赵国堂.铁路轨道刚度的确定方法［J］.中国铁道科学，2005，26(1):1-6.

［6］陈小平，王平，陈嵘，等.高速车辆与道岔空间耦合振动特性［J］.西南交通大学学报，2008，43(4):453-458.

［7］姚力，颜华，蔡城标.遂渝线无砟道岔前后轨道刚度过渡段动力学设计［J］.铁道工程学报，2006(7):37-40.

［8］王平.道岔竖向刚度沿线路纵向分布规律探讨［J］.西南交通大学学报，1999，34(2):144-149.

Study on stiffness homogenization of No．6 simple turnout for tram

SHEN Binran，SUN Hongyou，XU Jingmang，WANG Ping
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T rack stiffness simulation model of tram No.6 single turnout was established by finite element software and the stiffness distribution law and homogenization measures of turnout area was studied.Research results showed that there are plenty of stiffness irregularities in the transverse and longitudinal direction of the track when trains pass turnout along straight and gradient direction，irregularity amplitude of frog section is maximal，irregularity amplitude of rail switch is second and connection part has the minimum amplitude.Stiffness homogenization measures of tram No.6 single turnout was put forward according to the law presented in this paper，maximum switch/stock rail stiffness ratio decreases after stiffness homogenization when trains pass turnout along straight and gradient direction，maximum longitudinal change ratio of straight stock rail，straight switch rail，lateral stock rail and lateral switch rail decreases，and overall stiffness of the track has improved significantly，which could meet the needs of transportation organization for the tram in the station or return line.

T ram;T urnout;Stiffness homogenization;Finite element method

U213.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.30

1003-1995(2015)12-0116-04

(责任审编李付军)

2015-06-24;

2015-07-11

国家杰出青年科学基金(51425804)

沈彬然(1992—)，男，硕士研究生。