地铁用9号无缝道岔计算及限位器间隙设计

柴 文 博

(中铁宝桥集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

1 概述

60 kg/m钢轨9号单开道岔是地铁线路中常用的道岔型号，多用于正线及折返线。该型号道岔前长一般为13 m左右，后长为15 m左右，全长在27 m～30 m之间；尖轨采用60AT1钢轨制造，跟端设置弹性可弯段，转辙器设置两个牵引点；辙叉多采用固定型高锰钢辙叉。道岔轨下基础为混凝土整体道床或碎石道床，为适应无缝线路的要求，岔内多采用冻结接头，并在尖轨跟端与基本轨之间设置限位器以传递温度力。

本文以某地铁用60 kg/m钢轨9号单开道岔为例，分别计算道岔轨下基础为碎石道床和整体道床的情况下，限位器间隙为7 mm和10 mm时的道岔温度力及位移随轨温变化情况，为地铁用60 kg/m钢轨9号无缝道岔的设计提供参考。

2 计算条件

某地铁用60 kg/m钢轨9号单开道岔前长12.57 m，后长15.73 m，全长28.3 m，导曲线半径200 m；尖轨长10.684 m，跟端采用限位器式传力机构，辙叉为高锰钢整铸辙叉；道岔采用Ⅱ型弹条扣件，轨下基础有混凝土整体和碎石道床两种。

利用有限元软件ANSYS建立60 kg/m钢轨9号单开道岔的计算模型如图1所示，其中钢轨的弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比0.3，线膨胀系数11.8×10-6/℃；混凝土岔枕的弹性模量为34.5×109Pa；钢轨和岔枕采用Beam188单元模拟，扣件、道床阻力、限位器均采用Combin39单元模拟，为充分消除边界效应的影响，道岔模型前后各加长50 m。

在建模及计算时，道岔区Ⅱ弹条扣件的纵向阻力特性按表1取值[1]。由于区间线路和道岔扣件系统的轨下部分刚度不同，从而导致相同类型的扣件产生不同的纵向阻力，道岔两端普通无缝线路部分扣件纵向阻力特性，当钢轨位移小于2 mm时取20 kN/mm，当钢轨位移大于2 mm时，钢轨和轨枕之间发生滑动，阻力不再变化[2]。

表1 道岔扣件纵向阻力

碎石道床的纵向阻力特性按表2取值，整体道床的纵向阻力视为无穷大。

表2 道床纵向阻力

限位器的纵向阻力特性按表3取值[3]，表3中相对位移是指限位器子块和母块接触后基本轨与尖轨的相对位移，在此之前限位器的阻力为零。

表3 限位器阻力特性

3 计算结果及分析

对建立的60 kg/m钢轨9号地铁无缝道岔模型，分别计算轨下基础为碎石道床和混凝土整体道床，限位器间隙为7 mm和10 mm时，不同轨温变化条件下，道岔基本轨最大温度力、尖轨尖端位移、限位器间隙变化及温度力等无缝道岔参数。

3.1 碎石道床计算结果

当轨下基础为碎石道床时，计算限位器间隙分别为7 mm和10 mm时，在不同轨温变化量下，基本轨内部最大温度力如图2所示，尖轨尖端位移、限位器间隙变化如图3所示，限位器所受温度力如图4所示。图3中限位器间隙大于7 mm或10 mm后的数值表示限位器处尖轨与基本轨之间的相对位移。

根据计算结果，在轨下基础为碎石道床的情况下，限位器设计间隙为7 mm时，限位器子母块在轨温变化量为40 ℃时相互接触；设计间隙为10 mm时，子母块在轨温变化量为50 ℃时相互接触。在轨温变化量为40 ℃之前，两者基本轨最大温度力、尖轨尖端位移一致。在限位器子母块接触前，基本轨内最大温度力、尖轨尖端位移、限位器间隙随轨温变化的趋势基本呈线性，当限位器子母块接触后呈非线性变化。随着轨温变化量的增加，限位器间隙为7 mm时 的道岔基本轨内最大温度力、限位器所受温度力均比限位器间隙为10 mm时的大，尖轨尖端位移和限位器处尖、基轨相对位移则相对较小。

3.2 整体道床计算结果

轨下基础为整体道床的情况下，限位器间隙分别为7 mm和10 mm时，基本轨内部最大温度力，尖轨尖端位移、限位器间隙变化，限位器所受温度力如图5～图7所示。

由图5～图7可以看出，当轨下基础为整体道床时，不同限位器间隙下，基本轨最大温度力、尖轨尖端位移、限位器间隙变化、限位器温度力随轨温变化的规律与碎石道床时一致。

与碎石道床的计算结果相比，限位器间隙7 mm时，子母块在轨温变化量为45 ℃时相互接触；间隙10 mm时，在轨温变化量为60 ℃时相互接触。同时，各计算值均小于碎石道床的情况。这是因为整体道床比较稳定，计算时忽略了道床的纵向变形，道岔在轨温变化时，钢轨伸缩不会带动道床产生位移，相对碎石道床，钢轨伸缩时不需要克服道床阻力带动岔枕移动，仅需克服扣件系统的纵向阻力。因此，基本轨内最大温度力、尖轨尖端位移、限位器间隙及温度力均比碎石道床时的计算结果小。

4 结论

1)以尖轨尖端位移作为限制条件时，采用7 mm间隙的限位器与10 mm间隙限位器相比，能适应更大的轨温变化幅度，但同时，道岔基本轨、限位器所受温度力相对增大，在应用于碎石道床时，需考虑辙跟部位较大的温度力对道岔稳定性的影响[4]。

2)在转换设备适应尖轨伸缩量允许的条件下，采用10 mm间隙的限位器具有较小的温度力，安全性较高。

3)在道岔轨下基础为整体道床的情况下，采用7 mm和10 mm间隙的限位器，均比轨下基轨为碎石道床能够适应更大的轨温变化幅度。

4)限位器间隙的选择还应考虑限位器子母块相接处时的轨温变化幅度，综合考虑本文计算的限位器子母块接触时的轨温变化幅度，对于碎石道床60 kg/m钢轨9号单开道岔，当轨温变化幅度小于100 ℃时，宜采用7 mm间隙限位器，大于100 ℃时，宜采用10 mm间隙限位器；对于整体道床60 kg/m钢轨9号单开道岔，轨温变化幅度在120 ℃以下，宜采用7 mm间隙限位器，120 ℃以上宜采用10 mm间隙限位器。