基于有限元理論的小號碼道岔轉換分析

馬曉川，王 平，張夢楠，徐井芒

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

轉換力計算是進行道岔轉換設計的基礎計算。設計上要求采用最少的牽引點實現尖軌和可動心軌的轉換，牽引點轉換力要求小于轉轍機的額定功率，尖軌最小輪緣槽寬度要滿足最小輪緣槽寬度要求。隨著我國高速道岔的迅速發展，國內18號、38號以及42號道岔的設計已臻于成熟，小號碼道岔的轉換設計則有待進一步研究分析。本文以10號道岔為例，運用有限元理論，建立尖軌和心軌的有限元模型，研究滑床板摩擦系數、扣件橫向剛度以及夾異物對道岔轉換的影響。

圖1 尖軌轉換的有限元模型

1 尖軌和心軌轉換計算模型

1.1 尖軌轉換計算模型

以10號道岔為例，尖軌活動段總長11.797 m，扳動到正位時的密貼段長5.941 m，扳動到反位時的密貼段長5.941 m，尖軌跟端類型為彈性可彎。采用單點牽引，牽引點距尖軌尖端 0.538 m，牽引動程0.160 m。牽引方式采用聯動內鎖閉。使用有限元軟件建立尖軌轉換的有限元模型，如圖1所示。

1.2 心軌計算模型

以10號道岔為例，心軌活動段的長度7.89 m，扳動到正位時的密貼段長0.884 m，扳動到反位時的密貼段長0.906 m，心軌跟端類型為尖軌斜接頭式單肢彈性可彎。采用單點牽引，牽引點距心軌尖端0.187 m，牽引動程0.107 8 m。牽引方式采用聯動內鎖閉。使用有限元軟件建立心軌轉換的有限元模型，如圖2所示。

1.3 模型單元類型

使用有限元軟件建立尖軌和心軌轉換計算的有限元模型時，模型中使用的單元類型如下:

1)尖軌和心軌是截面線形變化的歐拉梁，只在水平面內發生橫向變形，采用二維梁單元(beam3)模擬。

2)扣件在計算模型中起橫向阻力的作用，采用非線性彈簧單元(combin39)模擬。

3)考慮到間隔鐵受剪力和扭轉力的作用，采用二維梁單元(beam3)模擬。限位器子母塊貼靠前，限位器不受力，當限位器子母塊貼靠后，限位器開始受力，因此采用非線性彈簧單元(combin39)模擬。

圖2 心軌轉換有限元模型

4)尖軌或心軌與基本軌未接觸時，相互之間沒有作用力，當尖軌或心軌與基本軌密貼后，尖軌或心軌受到較大的密貼力，因此密貼彈簧采用非線性彈簧單元(combin39)模擬。

5)尖軌或心軌與頂鐵未接觸時，尖軌或心軌不受頂鐵力，尖軌或心軌與頂鐵接觸后受到頂鐵力，因此頂鐵采用非線性彈簧單元(combin39)模擬。

2 尖軌轉換影響因素分析

2.1 滑床板摩擦系數對尖軌轉換的影響

滑床板摩擦系數 μ 分別取 0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25和0.30時，尖軌轉換力的變化趨勢如圖3所示，尖軌不足位移的變化趨勢如圖4(橫坐標原點指尖軌尖端)所示。

圖3 尖軌轉換力隨滑床板摩擦系數變化趨勢

圖4 尖軌不足位移隨滑床板摩擦系數變化趨勢

由圖3和圖4可見，牽引點的轉換力隨滑床板摩擦系數的增大而增大，不足位移隨滑床板摩擦系數的增大而增大;滑床板摩擦系數取0.25時，最大轉換力達到4 008.1 N，小于轉轍機的額定功率6 000 N，能夠滿足要求。不足位移達到7.755 mm，不足位移值偏大，可以通過設置反變形降低不足位移。因此采取措施降低滑床板的摩擦系數，如滑床板涂油或設置輥輪，能夠有效降低尖軌轉換力和減小不足位移。

2.2 跟端扣件橫向剛度對尖軌轉換的影響

尖軌跟端扣件橫向剛度 K分別取25，50，75和100 kN/mm時，尖軌轉換力的變化趨勢如圖5所示，尖軌不足位移的變化趨勢如圖6所示。

圖6 尖軌不足位移隨扣件橫向剛度變化趨勢

由圖5和圖6可見，尖軌轉換力隨扣件橫向剛度的增大而略有減小，但變化幅度不明顯;不足位移隨扣件橫向剛度的增大有所減小。因此，增大跟端扣件的橫向剛度可以有效控制和減小尖軌的不足位移。同理，采取措施增大尖軌跟端橫向剛度，如在尖軌跟端設置間隔鐵，也能夠有效控制和減小尖軌的轉換力和不足位移。

2.3 夾異物對尖軌轉換的影響

當牽引點處和牽引點后分別存在4，6和8 mm尺寸的夾異物，夾異物的位置分別是牽引點處、牽引點后1 m處、牽引點后2 m處和牽引點后3 m處時，牽引點的轉換力變化如表1所示。＞6 000 N表示計算模型不收斂，扳動力遠大于轉轍機的額定功率6 000 N。

表1 夾異物對尖軌轉換力的影響

由表1可見，夾異物的存在對于尖軌轉換的影響很大，夾異物的尺寸越大，尖軌所需的轉換力越大，夾異物位置距離牽引點越近，尖軌所需的轉換力越大。牽引點后2 m處存在4和6 mm尺寸的夾異物以及牽引點后3 m處存在4，6和8 mm尺寸夾異物的情況，尖軌的扳動力滿足要求(小于轉轍機的額定功率6 000 N)，其他情況牽引點均會出現轉換不到位的現象。因此在道岔轉換時要定期清理異物，防止夾異物的存在造成尖軌轉換不到位的現象。

3 心軌轉換影響因素分析

3.1 滑床板摩擦系數影響

滑床板摩擦系數 μ 分別取 0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25和0.30時，心軌轉換力的變化趨勢如圖7所示，心軌不足位移的變化趨勢如圖8(橫坐標原點指心軌尖端)所示。

由圖7和圖8可見，心軌牽引點的轉換力隨滑床板摩擦系數的增大而增大，不足位移隨滑床板摩擦系數的增大而增大。當滑床板摩擦系數取0.25時，心軌最大轉換力是4 240.6 N，小于轉轍機的額定功率6 000 N，滿足設計要求。心軌不足位移是3.565 mm，不足位移值偏大可以通過設置反變形解決。采取措施降低滑床板的摩擦系數，如滑床板涂油或使用減磨滑床臺，能夠有效降低轉換力，減小不足位移。

圖7 心軌轉換力隨滑床板摩擦系數變化趨勢

圖8 心軌不足位移隨滑床板摩擦系數變化趨勢

3.2 跟端扣件橫向剛度影響

心軌跟端扣件橫向剛度 K分別取25，50，75和100 kN/mm時，心軌轉換力的變化趨勢如圖9所示，心軌不足位移的變化趨勢如圖10所示。

圖9 心軌轉換力隨扣件橫向剛度變化趨勢

由圖9和圖10可見，定位至反位心軌轉換力隨扣件橫向剛度的增大而減小，反位至定位心軌轉換力隨扣件橫向剛度的增大有小幅度的上升，不足位移隨扣件橫向剛度的增大而減小，考慮到定位至反位轉換力高于反位至定位轉換力，因此，增大扣件橫向剛度可以有效地減小心軌轉換力和降低心軌不足位移。同理，采取措施增加心軌跟端橫向剛度，如在心軌跟端設置間隔鐵，可以有效控制心軌的轉換力和降低不足位移。

圖10 心軌不足位移隨扣件橫向剛度變化趨勢

3.3 夾異物尺寸影響

當牽引點處和牽引點后分別存在4，6和8 mm尺寸的夾異物，夾異物的位置分別是牽引點處、牽引點后1 m處、牽引點后2 m處和牽引點后3 m處時，心軌牽引點的轉換力變化如表2所示。＞6 000 N表示計算模型不收斂，扳動力遠大于轉轍機的額定功率6 000 N。

表2 夾異物對心軌轉換力的影響

由表2可見，夾異物的存在對心軌轉換有很大的影響，夾異物尺寸越大，心軌所需轉換力越大，夾異物距離牽引點越近，心軌所需轉換力越大。表中列出存在夾異物的12種情況，定位至反位牽引點的轉換力均＞6 000 N，心軌均不能轉換到位。因此，道岔需定期清理異物，以防止夾異物的存在導致心軌轉換不到位的現象。

4 結論和建議

本文以10號道岔為例，使用有限元的方法，分別建立了尖軌和心軌的轉換計算模型，分析了滑床板摩擦系數、扣件橫向剛度和夾異物對道岔轉換的影響，得出以下3點結論和建議。

1)尖軌和心軌的轉換力均隨滑床板摩擦系數的增大而增大，不足位移隨滑床板摩擦系數的增大而增大，為滿足設計要求，可以采取有效措施減小滑床板的摩擦系數，如設置輥輪、涂油、定期清理滑床板和使用減摩滑床臺等措施。

2)隨著尖軌和心軌跟端扣件橫向剛度的增大，尖軌和心軌的轉換力隨之減小，不足位移也隨之減小，因此通過增大扣件橫向剛度的措施可以有效減小尖軌和心軌的轉換力和不足位移。同時，采取措施增加尖軌和心軌跟端橫向剛度，如在跟端設置間隔鐵，可以有效控制和減小轉換力和不足位移。

3)夾異物的存在對尖軌和心軌的轉換影響非常大，特別是夾異物出現在尖軌或心軌牽引點附近時，將會直接導致尖軌或心軌轉換不到位，嚴重時影響行車安全，因此定期清理道岔中出現的夾異物是十分有必要的。

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