重载铁路12号固定辙叉道岔轨道刚度变化分布研究

孙加林，刘 磊

(中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

轨道刚度是影响轨道振动与变形的重要参数之一，国内外对轨道刚度问题非常重视，进行了大量轨道刚度合理值及部件刚度合理匹配关系的研究。道岔区是轨道刚度发生突变的主要区域，轮轨冲击荷载对道岔结构的破坏程度与轨道刚度有着密不可分的联系。道岔使用寿命短、零部件损坏严重，主要原因就是由于轨道刚度不满足要求致使轮轨相互作用加剧而造成的。

本文拟结合道岔区复杂的轨道结构特点，分析影响轨道刚度的因素，建立道岔区轨道刚度仿真计算模型，对道岔区轨道刚度的分布变化规律进行研究。

1 道岔区轨道刚度影响因素分析

根据弹性地基梁理论轨道刚度主要取决于钢轨抗弯刚度和支点刚度，轨道刚度K计算

式中，EI为钢轨抗弯刚度，对于60 kg/m钢轨，EI=6.76×1012N·mm2;u为钢轨基础弹性模量，等于钢轨支点刚度D与轨枕间距l的比值。

钢轨支点刚度包括扣件系统刚度、轨枕刚度和道床支承刚度。对于混凝土轨枕线路，由于混凝土轨枕自身刚度很大，挠曲系数接近1，因此，无论是理论分析还是实际应用都可以忽略混凝土轨枕的挠曲变形，将其视为刚体。这时，钢轨支点刚度D可由扣件系统刚度D1和道床支承刚度D2表示

扣件系统刚度由扣压件与轨下胶垫刚度并联，然后与板下胶垫刚度串联得到。道床支承刚度一般采用半根轨枕的道床支承刚度，由于道砟颗粒的离散性，道床刚度不易控制，一般约为100～140 kN/mm，但如果出现板结等病害后，刚度会显著增大。

一般区间轨道刚度理论同样适用于道岔区，但又有所区别:①道岔区转辙器尖轨和辙叉心轨采用变截面钢轨。②两根钢轨共用铁垫板，当轮载作用钢轨压迫铁垫板下移时，铁垫板上的非轮载作用钢轨会限制铁垫板的下移，从而起到帮轨的作用。③道岔区轨枕长度不一，道床支承刚度换算为支承线刚度。④基本轨与尖轨、心轨与翼轨通过间隔铁、顶铁等部件联结后形成一个框架体系，多根钢轨共同承受车轮荷载作用，产生部件辅助刚度。

2 道岔区轨道刚度仿真模型

2.1 钢轨模型(见图1)

基本轨为60 kg/m钢轨，钢轨的弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，质量密度为7 698 kg/m3。尖轨采用矮型特种断面钢轨(简称AT轨)刨切制成，依靠其被刨尖的一端与基本轨密贴，将列车引入正线或侧线方向。为了保护尖轨不被车轮轧伤，在轨头下颚轨距线以下作1∶3的斜切，使尖轨尖端藏于基本轨的轨距线下，形成藏尖式结构。

2.2 扣件系统模型(见图2)

在模型中，钢轨扣件为连接在钢轨底和铁垫板之间的无质量线性弹簧，刚度为扣压件和轨下胶垫的并联刚度，板下胶垫模型通过联结铁垫板和轨枕节点的弹簧单元形成。

2.3 轨枕模型

图1 钢轨仿真模型

图2 扣件模型

轨枕混凝土强度等级C60，弹性模量E为36 GPa，泊松比 μ为 0.2，质量密度为2 500 kg/m3，枕底宽为300 mm，顶宽为260 mm，高为220 mm，道床对轨枕的支承线刚度约为76.9～107.7 kN/mm/m，模型截面如图3所示。道岔区轨枕长度各不相同，参照设计图纸，仿真模型共有轨枕63根，轨枕长度和数量如表1所示。道岔区轨道刚度仿真计算模型主要包括钢轨变截面模型、扣件系统刚度模型和轨枕模型，道岔区轨道刚度仿真计算模型见图4。

图3 轨枕截面

表1 轨枕长度和数量

图4 道岔区轨道刚度仿真计算模型

3 计算结果与分析

利用已建立的道岔区轨道刚度仿真计算模型，分别计算道岔直向轨道刚度和侧向轨道刚度。根据道岔结构的特点，将计算结果按照转辙器、连接部分和辙叉区进行分析，仿真计算统计结果如表2所示。

3.1 转辙器区计算结果分析

转辙器是引导机车车辆沿主线方向或侧线方向行驶的线路设备，由两根基本轨、两根尖轨、各种联结零件及道岔转换设备组成。转辙器部分计算刚度见图5。由分析可知转辙器部分两根基本轨、两根尖轨的轨道刚度分布规律总体一致;基本轨刚度变化不大，刚度值主要分布在80～100 kN/mm;轨道刚度横向不平顺，尖轨刚度大于基本轨，原因是基本轨和尖轨共用铁垫板，对尖轨有帮轨作用，并且尖轨为变截面钢轨;轨道刚度最大值为128.2 kN/mm，位于尖轨变截面终点处。

3.2 连接部分结果分析

连接部分是转辙器和辙叉之间的连接线路，包括直向连接线和侧向连接线(亦称为导曲线)。直向连接线由直向基本轨和直向里轨组成。侧向连接线由侧向基本轨和侧向里轨组成，平面形式为圆曲线。连接部分计算刚度见图6。由分析可知，连接部分起点处基本轨和里轨共用铁垫板，帮轨作用使轨道刚度增大，随着导曲线延伸，基本轨与里轨分离，帮轨作用逐渐减小，此后轨道刚度在80～90 kN/mm之间。

表2 道岔各位置刚度仿真计算结果统计 kN/mm

图5 转辙器部分刚度

图6 连接部分刚度

3.3 辙叉区结果分析

辙叉由叉心、翼轨和联结零件组成，是使车轮由一股钢轨越过另一股钢轨的设备。辙叉部分刚度计算结果如图7所示。由分析可知，基本轨刚度为80 kN/mm，且变化不大;辙岔轨道刚度较大，主要是因为心轨与两翼轨有间隔铁联结，间隔铁使轨道之间有着较强的帮轨作用，辙岔轨道刚度最大值为162.2 kN/mm;轨道刚度沿线路纵向和横向不平顺问题均较为严重。

4 结论

1)转辙器尖轨和辙叉心轨采用变截面钢轨、共用铁垫板产生的帮轨作用及间隔铁联结时辅助刚度都会影响道岔区轨道刚度发生变化。

图7 辙叉部分刚度

2)直向轨道刚度与侧向轨道刚度分布规律基本相同，由于转辙器区基本轨和尖轨共用铁垫板，基本轨刚度转辙器区要大于连接部分和辙叉区;由于心轨与翼轨有间隔铁联结，里轨刚度辙叉区最大，转辙器次之，连接部分最小。

3)道岔区轨道刚度不平顺问题较为严重，包括沿线路方向的纵向不平顺以及基本轨和里轨刚度的横向不平顺，工程上易于实现的是通过合理设置胶垫刚度，改善道岔区轨道刚度的平顺性。

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