（载运工具运用工程专业论文）道岔轨下刚度平顺性与动态特性关系研究.pdf

摘要 摘要 轨道刚度是铁路轨道结构设计的重要参数，直接影响到列车能否平稳和安 全运行。我国传统的道岔区轨道刚度严重不均匀，随着铁路的快速发展，列车 运行速度不断提高，岔区的不均匀刚度势必会加剧轮轨系统动力响应，影响列 车运行平稳性，增大轨道部件动应力，缩短其使用寿命。因此，道岔区轨道刚 度平顺化是现代化铁路的运营要求。 本文通过建立6 0 堙所1 2 号单开提速道翁辙叉区的轨道刚度有限元计算模 型，全面考虑了辙叉区的结构特征，包括心轨的截面变化、间隔铁、滑床台和 共用铁垫板等部件以及心轨与轨下基础的传力方式，计算得到道岔辙叉区轨道 整体刚度的分布规律。根据计算所得的辙叉区轨道刚度分布规律提出辙叉区轨 道刚度的平顺化措施，进一步优化道岔辙叉区的轨道刚度。并在轨道刚度有限 元计算模型的基础上建立道岔辙叉区有限元动力模型，研究探讨了各参数变化 对辙叉区轨道结构动力特性的影响。 计算结果表明，轨道刚度在纵向和横向都存在严重的不平顺。辙叉区段基 本轨的整体刚度沿线路纵向变化不大，里轨的整体刚度沿线路纵向的变化较大， 从心轨尖端部位开始急剧增大，沿线路纵向共出现三个峰值，最大变化率约为 2 0 0 。本文通过合理设置板下胶垫的刚度，提出合理的平顺化方案。通过平顺 化前后的效果比较表明采用平顺化措施后可以使辙叉区段轨道整体刚度沿线路 纵向均匀变化，最大变化率减小为3 0 ，且该措施在实际实施过程中较易实现。 另外，本文选用了钢轨竖向位移，钢轨竖向加速度，轨枕竖向位移，轨枕竖向 加速度等动力学指标作为轨道动力学特性的评价指标，分别探讨了速度、轴重、 扣件垫板刚度、板下垫层刚度、道床地基垂向刚度对轨道动力响应的影响。 本文的分析结果说明合理设置岔区轨道刚度是改善道岔轨道刚度不平顺、 保证列车安全可靠运行的有效方法，通过探讨道俞辙又区轨道结构的动态特性， 为进一步从轨道动力特性优化的角度研究道岔区轨道刚度平顺性奠定了基础。 关键词：道岔，辙叉区，轨道刚度，有限元，平顺化，振动特性 a b s t r a e t a b s t r a c t t r a c kr i g i d i t yi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si nd e s i g n i n gr a i l w a yt r a c k ， w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c e st h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h er a i l w a yt r a i nr u n n i n g t h e t r a c kr i g i d i t yo ft r a d i t i o n a lt u r n o u t si no u rc o u n t r yi ss e r i o u s l yi n h o m o g e n e o u s w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l w a ya n dt h ei n c r e a s eo fv e h i c l eo p e r a t i o ns p e e d ，t h e i n h o m o g e n e o u sr i g i d i t yo ft u r n o u t sc e r t a i n l yw i l ls t r e n g t h e nt h ed y n a m i cr e s p o n s e o f w h e e l r a i ls y s t e m ，i n f l u e n c et h es t a b i l i t yo fv e h i c l e s ，i n c r e a s et h ed y n a m i cs t r e s so f t r a c kc o m p o n e n t sa n ds h o r t e nt h e i rs e r v i c el i f e s o ，t h eh o m o g e n i z a t i o no ft r a c k r i g i d i t yf o rt u r n o u t si sv e r yn e c e s s a r yi nt h eo p e r a t i o no f m o d e r nr a i l w a y af i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n a lm o d e lo ft r a c kr i g i d i t yf o rt r a i n f r o gs y s t e mh a s b e e nb u i l ta c c o r d i n gt o6 0 堙mn o 12s p e e d r a i s i n gs i n g l e - p o i n t e dt u r n o u t t h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a i n f r o gs y s t e ma r ec o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l yi nt h i s m o d e li n c l u d i n gt h es e c t i o nc h a n g i n go fp o i n tr a i l ，t h es p a c e rb l o c k ，t h es w i t c hp l a t e ， t h eb a s e p l a t ep a da n dt h em o d eo ff o r c et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt h ep o i n tr a i la n d f o u n d a t i o nu n d e rr a i l ，e t c b ym e a n so ft h em o d e l ，t h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t yo f t u r n o u t sh a sb e e no b t a i n e d ，o nt h eb a s i so fw h i c h ，h o m o g e n i z a t i o nm e a s u r ei sp u t f o r w a r dt of u r t h e ro p t i m i z et h et r a c kr i g i d i t yf o rt r a i n f l o gs y s t e m i na d d i t i o nt ot h e t r a c kr i g i d i t yc a l c u l a t i o n a lm o d e l ，ad y n a m i cc a l c u l a t i o n a lm o d e lf o rt h et u r n o u th a s a l s ob e e nb u i l tt od i s c u s st h ei n f l u e n c eo nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft r a c k s t r u c t u r eb yc h a n g i n gd i f f e r e n tk i n d so fr a i l w a yp a r a m e t e r s t h ec a l c u l a t i o n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a c kr i g i d i t yi nt h et r a i n f l o gs y s t e mi s s e r i o u s l yi n h o m o g e n e o u si nb o t hl o n g i t u d i n a la n dl a t e r a ld i r e c t i o n s t h et o t a lr i g i d i t y o fo u t e rr a i lc h a n g e sal i t t l ei nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o nw h i l et h a to fi n n e rr a i l c h a n g e sal o t as h a r pi n c r e a s eh a p p e n sa tt h eb e g i n n i n g o ft h ep o i n tr a i la n dt h e r ea r e t h r e ep e a kv a l u e st o t a l l y t h em a x i m u mc h a n g er a t eo ft o t a lr i g i d i t yr e a c h e su pt o 2 0 0 ah o m o g e n i z a t i o nm e a s u r eh a sb e e np u tf o r w a r di n t h i sp a p e rt h r o u g h a d j u s t i n gt h er i g i d i t yo fb a s e p l a t ep a dp r o p e r l y a f t e rt h er i g i d i t yh o m o g e n i z a t i o n w i t he a s yr e a l i z a t i o n ，t h et o t a lr i g i d i t yi nt r a i n f r o gs y s t e mh a su n i f o r mc h a n g ea n d a b s t r a c t t h em a x i m u mc h a n g er a t eo ft o t a lr i g i d i t yi sr e d u c e dt o3 0 a l s o ，t h ei n f l u e n c eo n t h et r a c kd y n a m i cr e s p o n s ei s d i s c u s s e d ，v a r y i n gw i t hv e h i c l es p e e d ，a x l el o a d ， r i g i d i t yo ff a s t e n e r , r i g i d i t yo fb a s e p l a t ep a da n db a l l a s tv e r t i c a ls t i f f n e s sa c c o r d i n gt o t h ed y n a m i ce v a l u a t i o ni n d e x e so fr a i lv e r t i c a ld i s p l a c e m e n t ，r a i lv e r t i c a la c c e l e r a t i o n ， s l e e p e rv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ta n ds l e e p e rv e r t i c a la c c e l e r a t i o n t h e a n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a ts e t t i n gt h et r a c kr i g i d i t yo ft u r n o u tp r o p e r l yi s a ne f f i c i e n tm e t h o dt oi m p r o v et h ei n h o m o g e n e o u sr i g i d i t yo ft u r n o u ta n d g u a r a n t e e t h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo fv e h i c l e t h er e s e a r c ho nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t r a c ks t r u c t u r eo ft u r n o u tw i l ll a yaf o u n d a t i o nt of u r t h e rs t u d yt h eh o m o g e n i z a t i o no f t r a c kr i g i d i t yf o rt u r n o u t k e yw o r d s ：t u r n o u t ，r a i l w a yt r a i n f r o gs y s t e m ，t r a c kr i g i d i t y , f i n i t ee l e m e n t ， h o m o g e n i z a t i o n ，v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：薅j 砭屠 州年f 月f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：唱磺屏 沙6 年月z - 1 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 铁路是交通运输的大动脉，对国民经济的发展起着十分重要的作用。我国 幅员辽阔，人口众多，经济发展不平衡，能源相对紧缺，必须发展动力大，占 地省，能耗低，污染少，安全可靠，经济舒适的交通运输工具。铁路在这方面 具有明显的优势。铁路与人民群众生活生产息息相关，铁路的主要目的是提供 快速、安全、舒适的运输通道。随着我国经济的迅猛发胀，使经济对于基础交 通设施的以来越来越大，国家也对铁路、公路等骨干基础设施越来越重视。 道岔是铁路轨道连接的重要设备，其功能同样是承受、传递由铁道车辆运 行引起的各种荷载及引导车轮在轨道上行驶。与普通轨道不同的是，在道岔范 围内轨道由一股分支成两股或多股，必须通过转辙器可动部件的转换为铁道车 辆提供转线的可能，在轨线平面交叉点设置构造较为复杂的辙叉以满足两向轮 缘通过的要求。由于这些构造特点，使得它具有纵剖面几何不平顺、轨下基础 非均匀弹性不平顺等特点，进而使得它与铁道车辆运行引起的相互作用较区间 轨道复杂，导致其部件使用寿命短、维修工作量大。因此，它既是轨道中的薄 弱环节，同时又是保证行车安全和控制列车过站速度的关键设备。 道岔在轨道中的重要作用不仅仅体现在它为铁道车辆实现线路的转换提供 了可能，还因为它在铁道运输业务中有着不可或缺的地位。道岔数量大、种类 多。道岔具有以下主要技术特征： l 、使用期限短。由于道岔结构本身的一系列特殊性，轨线刚度急剧变化， 轨下基础的弹性不均等，所有这些都决定了它存在着不可避免的几何不平顺， 从而导致轨线所受荷载复杂，变形量大，这也决定了它的使用期限短、养护维 修工作量大。 2 、过岔速度受限。由于道岔在尖轨、护轨、翼轨及固定辙叉叉心处存在轮 轨冲击，引起动能损失；导曲线半径通常不大并且不设置外轨超高和缓和曲线， 车辆无法平衡由此产生的较大的离心加速度；再者由于轨线刚度和轨下基础的 非均匀变化导致车辆与道岔的相互作用非常复杂。 第1 章绪论 3 、安全性低。各种轮轨的冲击存在，部件繁多而结构强度削弱等，都使得 各部件的变形与破损极大，从而导致车辆行驶安全性低。 4 、部件繁多。道岔结构本身除固有的特点外，部件特别繁多。以6 0 k g m 钢轨1 2 号单开提速道岔为例，连同岔枕，一组道岔的零部件总数达2 4 9 3 件。 长期以来，道岔与钢轨接头及曲线被称为轨道结构的三大薄弱环节。无缝 线路的发展以及曲线轨道的加强逐渐改善了轨道结构的工作条件，致使道岔成 为了铁路轨道的最薄弱环节，成为了限制行车速度的关键设备。 我国是世界上铁路运量、密度较大的国家之一，因此我国铁路道岔数量较 多，据1 9 9 7 年铁路提速前统计，我国铁路共有道岔1 4 万组，平均每l k m 线路 有道岔1 8 组，随着运量、密度的增加，这个比例还在一直增大。在以适应高 速、重载繁忙运输技术要求为中心的轨道结构现代化过程中，对道岔提出了要 求结构稳妥可靠、旅行平稳舒适、延长部件使用寿命及减小养护维修工作量等 方面的问题。总的来说，现代的道岔就是要在结构及养护维修标准各方面满足 高速、大运量条件下与铁道车辆相互作用的强度、稳定性和旅行舒适性要求。 在列车速度较低时，人们较多注意的是轨道几何形位的静态不平顺。随着列 车速度的提高和车辆轴重的增大，人们越来越意识到轨道刚度变化对轮轨作用 力、车辆和轨道部件振动的影响。轨道刚度是影响轨道振动与变形、列车运行 速度、列车运行安全性、平稳性以及轨道维修工作量的重要参数。良好轨道刚 度匹配，可降低轮轨之间的动力作用和使列车运行平稳。因此，必须改善道贫 结构，特别是随着我国铁路向重载、高速方向发展，对道岔区的轨下刚度均匀 化及道岔区轨道动力特性关系的研究，已成为了一件越来越重要的任务。 1 2 国内外道岔结构发展概述 1 2 1 道岔结构形式的发展 单开道岔是各种道岔中的主要形式，应用最为普遍。六十年代以前，双尖 轨式转辙器及固定式辙叉结构是世界各国铁路最主要的道岔形式，随着重载高 速铁路的发展，道岔结构形式发生了较大的变化，如轨线连接的可动辙叉结构 逐渐在取代固定式辙叉结构，而且在提高材质、采用新工艺以及解决转化密贴 等方面也取得了很大进展。道岔结构形式随铁路发展的变化主要表现在： 2 第1 章绪论 1 、转辙器 尖轨转辙器是目前世界各国铁路广泛使用的转辙器，它经历了由直线型尖 轨向曲线型尖轨发展，由普通线路钢轨刨制的尖轨向特种断面钢轨制造的尖轨 发展，由间隔铁辙跟设备、枢轴辙跟设备向弹性可弯辙跟设备发展，由爬坡式 尖轨向藏尖式尖轨发展。转换设备由联动内锁闭装置向分动外锁闭装置发展。 2 、辙叉 辙叉按其构造可分为固定辙叉、可动辙叉和弹簧辙叉。可动辙叉又可分为 可动心轨辙叉和可动翼轨辙叉。 固定辙又是由许多零件组合或铸造成整体的部件，由于这种辙叉稳定性强， 目前还是世界铁路现有道岔中广泛采用的结构形式，但固定辙叉中存在轨线中 断的有害空间，且设有护轨，列车过岔时对辙叉和护轨的冲击较大，因而对过 岔速度有较大限制。 可动心轨和可动翼轨辙叉由于心轨贴靠翼轨，能保持轨线的连续，减轻车 轮对心轨和翼轨的冲击，资料表明h ，可动心轨辙叉的正常使用寿命为固定式 高锰钢整铸辙叉的6 9 倍，甚至可以与同型钢轨保持一样的使用周期，因而目 前在高速铁路道岔中获得广泛应用。 弹簧道岔是在可动翼轨辙叉基础上改进的，无需与转辙器联动，依靠弹簧 装置复原，多用于单向行车较多的地点，我国对这种道岔曾有小量铺设。 3 、连接部分及其它结构 传统道葫的导曲线线型多采用的是圆曲线，由于缓和曲线型导曲线更能满 足行车平稳舒适性要求，目前高速铁路道俞中也有采用缓和曲线作导曲线的。 传统道岔的导曲线外轨是不设超高的，由于超高设置有利于提高侧向容许通过 速度，近年来在高速铁路道岔中有增设导曲线外轨超高的趋势。 由于轨底坡的设置能改善轮轨间的接触条件，减少病害的发生，道岔内设 置与区间线路一致的轨底坡也是目前铁路道岔的发展趋势。 道岔焊接是加强道岔结构的重要措施之一，采用无缝线路消灭接头的影响， 可提高行车平稳性和道岔的使用寿命。 4 、道岔号数 道分号数通常是以辙叉的号码表示的，它是道岔的主要特征之一。道岔号 数越大，辙叉角越小，导曲线半径也越大，侧向允许通过速度越高，故随着高 速行车的发展，世界各国都在广泛研制和采用大号码道岔。 第1 章绪论 1 2 2 我国道岔发展概况 道岔结构具有特殊性，几何不平顺较大，列车通过时会引起强烈的冲击和 振动，这种冲击和振动会成倍地恶化道岔的工作条件。随着我国铁路建设的发 展，道岔设计已成为了一项专门的技术。纵观道岔的发展史，道岔的发展主要 是围绕着道岔的使用寿命和列车容许通过道贫的速度两方面的问题来展开。 长期以来，我国铁路由于结构落后，性能差，不适应铁路事业的发展。建 国以前，我国的道岔有相当数量的日、美、德等国的产品，直至5 0 年代还从波 兰、前苏联进口以缓解供需矛盾。我国自行设计、制造道岔始于5 0 年代中期， 一方面对标准道岔进行小改，旨在作力所能及结构加强，同时强化养护维修， 随时保持良好的轨下基础条件及几何尺寸，防止爬行；另一方面研制开发新型 道岔结构，为升级换代创造条件。 铁路道岔也具有种类繁多，尺寸混乱，结构薄弱等特点。最早所采用的道 岔如6 2 型、7 5 型。7 5 型道岔通用性较好，使用时间长，在铁路运输事业上发 挥过重要的作用。7 0 年代后期，我国开始生产5 0 k g m 及6 0 k g m 钢轨，以a t 型 新型道俞开始研制并投入使用。a t 型道岔直到1 9 9 2 年才通过鉴定，这种道岔采 用了a t 弹性可弯式曲线型尖轨、固定辙叉或可动心轨辙叉。8 0 年代以来，研制 出了具有8 0 年代初国际水平的新型道岔，为我国铁路道岔的现代化奠定了基础。 我国现在仍还处于一个更新换代的重要时期，为了加快道岔现代化的步伐，必 须广泛改进道岔结构，使之适应重量大、密度高、准高速的要求。在道分结构 和质量等方面，与国外工业先进国家相比，我们仍有许多差距，应继续开展道 岔结构、制造质量及养护等方面的科学研究和试验，研究应用道岔制造和养护 方面的新技术、新材料、新工艺及新设备，使我国铁路道岔的发展早日赶上世 界先进水平。我国从1 9 9 5 年开始在全国主要干线上进行了六次大规模的提速， 对轨道结构进行了重大的技术改造。用提速道岔来替代原有的普通道岔，用以 提高列车的过分速度。有关单位在1 9 9 6 年研制成功6 0 k g m 钢轨1 2 号提速道岔 并迅速大量上道，为我国铁路主要干线提速拉开了序幕，6 0 k g m 钢轨1 2 号提速 道俞有可动心轨式和固定辙叉式两种结构。提速道岔是在总结已有道岔的成功 经验，充分吸收国际先进技术的基础上研制出来的。它在平面线形、部件结构、 制造工艺以及铺设养护方面都有突破，具有良好的性能。从1 9 9 6 年至1 9 9 8 年 短短的3 年时间中，全路铺设了5 0 0 0 余组提速道岔，6 0 k g m 钢轨1 2 号单开提 4 第1 章绪论 速道岔至1 9 9 9 年底提速道岔上道总数为6 7 6 7 组。 因此，维护好提速道岔，提高其运用质量，是铁路提速、创造较大社会效 益和经济效益的重要保证措施。 1 2 3 国外高速道岔发展概况 道岔高速化是目前世界各国道岔发展的共同趋势。世界各国也都通过改善 道岔的结构来提高过岔速度。 目前，国外发展研制的道岔分为两类：一类是适应直向高速行车的道岔； 另一类是直向和侧向都容许高速通过的大号码道岔。随着高速列车的发展，为 实现更高的侧向通过速度，世界各国都在广泛研制和采用大号码道岔。例如， 法国的u i c 6 0 轨t a n o 0 1 5 4 单开道岔( 相当于6 5 号) ，直向容许速度2 6 0 - - 3 0 0 k m h 、侧向为2 2 0 k m h ；德国采用u i c 6 0 轨，1 1 2 号道岔直向通过速度为 2 0 0 k m h ，侧向通过速度6 0 k m h ；1 1 4 道贫侧向容许速度为8 0 k m h ，1 1 8 5 号 道俞直向容许速度为2 5 0 k m h ，侧向通过速度l o o k m h ，道岔全长6 4 8 1 8 m ，1 2 6 5 号道岔侧向通过速度为1 3 0 k m h ，道岔全长9 4 3 3 m 。以上道岔均为曲线型辙叉， 有固定式和可动心式。日本6 0 k g m 轨1 8 号单开道岔，相应的直向和侧向容许 通过速度为2 5 0 k m h 及7 0 k m h ；英国的道岔辙叉号数是t a n o 0 1 4 5 ( 相当于6 9 号) ，容许通过速度为直向3 0 0 k m h 、侧向2 5 0 k m h 。美国的最大辙叉号数为1 4 0 r e 轨2 4 号对称道岔，可弯型尖轨，通过速度为1 4 2 k m h ，全长6 3 m 。我国修建的 秦沈客运专线j 下线铺设了1 8 号和3 8 号两种道岔，其中3 8 号道岔容许通过速度 为直向2 5 0 k m h 、侧向1 4 0 k m h ，并且已开展了高速铁路大号码道岔的设计和研 究。 国外提速道岔近年来着重研究旨在提高容许通过速度的导曲线线型、尖轨 冲击角、尖轨与基本轨的平面连接方式、轨距尺寸、护轨缓冲部分及辙叉翼轨 的平面形式等问题。例如，国外铁路传统道岔的侧线多采用圆曲线，而法国用 于渡线的u i c 6 0 轨t a n o 0 1 4 5 道岔的侧线平面形式采用单支三次抛物线；瑞士 铁路在u i c - 5 4 e 1 ：2 5 ( 相当于2 5 号) 道岔中采用螺旋型曲线；英、意也有采用 缓和曲线作导曲线的道岔设计。 随着铁路向重载高速方向的发展，道岔结构相应发生了较大变化。首先是 可动辙叉结构取代存在有害空间的固定式辙叉结构。其次在提高材质、采用新 第1 章绪论 材料、新工艺以及在解决转换密贴等方面取得了进展。例如，日本、西德、瑞 士、英国、美国、波兰等国的提速道岔设计均采用矮型特种断面尖轨。又如， 弹性可弯式尖轨跟端结构近年来在国外获得极为广泛的应用，特点是在尖轨跟 端设置普通线路钢轨接头，尖轨转换借助于切削轨底的可弯部分实现。再如， 日本、德国、英国、美国、瑞士等都在发展可动心轨辙叉，其在平面上消除了 几何不平顺，在剖面及纵断面上的几何不平顺则大为减少，从而极为显著地减 少了轮轨相互作用附加惯性力及垂直、横向振动加速度。 1 3 国内外道岔区轨道刚度研究概况 轨道刚度是影响轨道振动与变形、列车运行速度、列车运行安全性、平稳 性以及轨道维修工作量的重要参数之一，国内外对轨道刚度问题都非常重视， 对轨道刚度合理值及部件刚度合理匹配进行了大量研究。而道岔区段是轨道刚 度发生突变的主要区域之一，振动和冲击荷载对道翁结构破坏的程度与道岔轨 下刚度有着密不可分的联系。道岔的使用寿命缩短、零部件损坏严重，其中很 大一部分原因都是由于道俞轨下刚度不满足要求致使轮轨相互作用力加大而造 成的。在列车速度较低时，人们较多注意的是轨道几何形位的静态不平顺。随着 列车速度的提高和车辆轴重的增大，人们越来越意识到轨道刚度变化对轮轨作 用力、车辆和轨道部件振动的影响。良好的轨道刚度平顺性，可降低轮轨之间 的动力作用和提高列车运行平稳性。因此，为了满足铁路提速发展的需要、适 应铁路提速发展的步伐，提速道岔对道岔的轨下刚度也有了更高的要求。 1 3 1 国外道岔区轨道刚度概述【2 3 l 法国的一般线路和高速线路，大多采用有碴轨道。法国十分重视道碴质量， 期望从道床中得到更多的轨道弹性，道碴颗粒级配范围为3 5 5 5 m m ，粒径均匀， 这样的道床可为双块式轨枕轨道提供6 0 k n m m 的枕下基础刚度。道岔区钢轨与 岔枕间一般弹性垫层的刚度为2 5 0 k n m m ，设双层弹性垫层，基本轨轨下为 4 5 m m 弹性垫层，铁垫板下为6 m m 的弹性垫层，辙叉下设有9 m m 的弹性垫层。 法国俞区刚度组合如图1 1 所示，这种组合是在对轨下弹性垫层刚度与轨下基 础刚度组合优化后提出的。 6 第1 章绪论 铁垫板下6 m 弹性垫层 图1 1 法国道岔区轨道刚度组合示意图 德国白上世纪9 0 年代开始研制高弹性的扣件系统，并在道岔区推广使用， 道岔区扣件系统可为轨道增加1 7 5 3 0 o k n m m 的刚度，弹性主要由硫化橡胶垫 层提供。该扣件系统有两个重要作用，第一个作用是将钢轨与轨枕“隔离”，用 吸收能量的弹性材料吸收较高频率的振动，同时使更多的贫枕参与轮载的分配； 第二个作用是为道岔区提供均匀的弹性，通过调整内部结构使转辙器、导曲线 和辙叉等不同部位得到相近的轨道刚度。该扣件系统考虑了轨道振动频率的影 响，弹性特征曲线是折线形。德铁认为轨道弹性主要由钢轨和岔枕间的弹性垫 层提供，大体上遵循如下的应用原则：速度2 2 0 k m h 线路上的道岔区轨道刚度 控制在1 7 5 2 2 5 k n m m ，速度1 6 0 2 2 0 k m h 线路上的道岔区轨道刚度为 3 0 k n m m ，速度1 6 0 k m h 以下线路上的道贫区采用普通轨下橡胶垫层。 1 3 2 我国道岔区轨道刚度研究现状 我国道俞扣件系统的弹性以1 9 9 6 年提速道岔为分界点。1 9 9 6 年前的混凝土 岔枕道岔在转辙器、辙叉、护轨部位采用分开式扣件，仅铁垫板下设1 2 m m 厚的 橡胶垫板，道岔的其他部位采用不分开式扣件，轨下设1 0 m m 厚的橡胶垫板。1 9 9 6 年以后的各类道岔与1 9 9 6 年的提速道岔大体相同，均采用分开式扣件，轨下设 5 r a m 厚的橡胶垫板，铁垫板下设l o m m 厚的橡胶垫板。 国内有关轨道刚度的研究较少涉及到道岔范围内。文献 1 1 提出了固定辙 叉单开道岔和可动心轨单开道岔中每股钢轨支点弹性系数的计算模型及计算方 法，编制了实用计算程序，并对6 0 妇朋轨1 2 号固定辙叉式提速道岔和可动心 轨式提速道岔进行分析，给出了竖向刚度沿线路纵向的变化规律。其计算程序 7 第1 章绪论 考虑了岔枕传力的影响，没有考虑间隔铁、铁垫板、滑床台等影响因素。文献 2 2 建立了道岔轨道刚度有限元计算模型，计算了道岔铺设在无碴轨道上的整 体刚度，运用所建立的模型，探讨了均匀道岔轨道刚度分布的扣件刚度设置方 式。文献 2 3 通过对各种垫板组装后的刚度试验和结果分析，提出了道俞去扣 件刚度均匀化的建议；通过既有线提速道岔枕下基础刚度的现场测试和理论计 算以及钢轨支点刚度计算，分析了影响既有线道岔垂向刚度的主要因素，为道 分区轨道刚度均匀化改进提供依据。文献 6 5 研究了遂渝线无碴轨道综合试验 段区间和岔区轨道刚度特性，为提高列车过岔的舒适性及延长轨道结构的使用 寿命，提出了区间轨道和岔区轨道过渡段的设置及其设计。 图1 21 2 号单开提速道岔辙叉区图示 1 4 本文研究的主要内容 随着既有线提速和高速、重载运输的进一步发展，轨道合理刚度问题显得 越来越重要。高速铁路区别于一般铁路或重载铁路最关键的特点是对轨道平顺 性有严格的要求，如果轨道平顺性不良，将引起机车车辆剧烈振动，轮轨动作 用力增大，严重危害轨道和机车车辆部件，影响列车速度的提高，甚至引起列 车脱轨颠覆，危及行车安全。轨道高平顺性涉及面广，要求很高，是关系高速 铁路成败的关键性问题。道岔区是轨道刚度不平顺的突出地方，而国内有关轨 道刚度的研究一般只限于区间线路轨道，较少涉及到道岔范围内。这一方面是 由于以往列车运行速度不高，岔区轨道刚度不均匀分布对轮轨系统造成的动态 第1 章绪论 响应没有高速铁路那么剧烈；另一方面是由于在道翁区，轨道结构型式比区间 线路复杂，刚度的影响因素多，计算难度较大。随着我国铁路的快速发展，列 车运行速度不断提高，岔区不均匀刚度势必加剧轮轨系统动力响应，影响列车 运行平稳性，增大轨道部件动应力，缩短其使用寿命。因此，对道岔的轨道刚 度进行均匀化是十分有必要的。 本文的研究目的在于从系统的角度研究道岔辙叉部分轨道刚度平顺性和均 匀性问题及其动态特性关系的研究。以6 0 奴m1 2 号单开提速道岔为例，建立道 岔辙叉区的有限元计算模型，从理论上结合道岔辙叉部分轨下结构的受力和变 形特点，计算分析道岔辙叉区轨道整体刚度的分布规律以及各参数变化对辙叉 区轨道结构动力特性的影响，从原理上探讨道岔辙叉区轨道刚度的平顺化问题， 提出轨道刚度平顺化方案，进一步研究和优化道岔辙叉区的轨道刚度。平顺均 匀化道岔区的轨下刚度，可改善道岔区轨道结构沿线路横向及纵向的竖向刚度 不平顺，增加线路状态的均匀性，减少轮轨作用力、车体点头及侧滚运动，从 而减轻轨道结构及车体振动加速度，提高列车运行的平稳性能，增加列车通过 道岔时旅客的舒适度，进一步保证车辆的安全可靠性。因此，研究道岔区轨道 刚度平顺化问题，对我国铁路提速以及铁路运行安全性和稳定性有着重大的理 论意义和现实意义。 本文的主要内容包括： ( 1 )概述国内外道岔的发展及现状，简述国内外道岔区轨道刚度研究的 现状。 ( 2 ) 道岔区轨道结构及轨下刚度不平顺影响分析，主要分析了道岔的构 造及截面特征、道俞区内产生不平顺的原因以及轨道整体刚度与部 件刚度的合理取值范围。 ( 3 ) 道岔辙叉区有限元计算模型的建立和参数的选取，以我国6 0 堙m1 2 号单开提速道岔为例，建立道岔辙叉区有限元计算模型。 ( 4 )道俞辙叉区轨下刚度平顺化分析，简述轨道刚度的计算原理，通过 对1 2 号单开提速道岔轨道整体刚度的有限元计算分析，分别得到道 直向和侧向过岔两种情况下，道岔辙叉区基本轨和里轨整体刚度的 分布规律。并通过合理设置板下胶垫的刚度对道岔辙叉区轨下刚度 进行平顺化。经过方案比较，选取合理的平顺化方案，并进行刚度 平顺化前后的效果比较。 9 第1 章绪论 ( 5 ) 道岔辙叉区轨道结构动态特性参数影响分析，分析速度、轴重、扣 件垫板刚度、板下垫层刚度、道床地基垂向刚度等参数变化对岔区 轨道结构动力响应的影响，为进一步研究道岔区轨道刚度的动力学 优化奠定基础。 l o 第2 章道岔区结构及不平顺影响分析 第2 章道岔区结构及不平顺影响分析 2 1 道岔的构造四3 2 1 道岔的基本形式有三种：线路的连接、交叉、连接与交叉的组合。常用的 线路连接设备有各种类型的单式道岔和复式道岔；根据用途和平面形状，道岔 有以下几种标准类型：普通单开道岔、对称道岔、三开道俞、交分道岔、交叉 渡线等，由于本文主要仿真1 2 号单开道岔，因此重点介绍单开道岔。 单开道岔由转辙器、连接部分、辙又及护轨组成，其可动心轨式单开道岔 的结构如图2 1 所示。单开道岔以它的钢轨每米质量及辙叉号码区分其类型。 目前我国钢轨有7 5 堙肌、6 0 妇m 、5 0 k g m 、4 5 堙m 及4 3 堙m 等类型。道 岔号数有6 、7 、9 、1 2 、1 8 、2 4 及3 8 号等。 转辙部分 连接部分 辙叉部分 一l_、，_叫_l_、，l-、 基本轨 图2 1 单开道岔结构 ( 1 ) 转辙器 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、各种连接零件及道岔转换设备组成。 基本轨由标准断面的普通钢轨制成，主股为直线。通常，道岔中不设轨底 坡，为改善钢轨的受力条件，提速道岔中基本轨设有1 ：4 0 的轨底坡。基本轨除 承受车轮的垂直压力外，还与尖轨共同承受车轮的横向水平。为防止基本轨的 横向移动，可在其外侧设置轨撑。 尖轨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。尖 第2 章道岔区结构及不平顺影响分析 轨按平面形状分为直线尖轨和曲线尖轨两种。我国的大部分1 2 号及1 2 号以下 的道岔，均采用直线型尖轨。优点是制造加工简单，更换使用方便，左右开道 岔可以互换，缺点是这种尖轨的转辙角较大，列车对尖轨的冲击力大，尖轨尖 端易于磨耗和损伤。新设计的提速道岔和高速道岔采用曲线尖轨。这种尖轨的 冲击角较小，导曲线半径大，列车进出侧向比较平稳，利于高速通过，缺点是 制造复杂，前端刨切多，并且左右不能通用。曲线尖轨按照与基本轨的贴靠形 式可以分为：切线型、半切线型、割线型和半割线型。我国铁路主要采用半切 线型和半切线型。 ( 2 ) 辙又及护轨 辙叉由叉心、翼轨和连接零件组成。按结构类型分为固定辙叉和活动辙叉 两种。直线式固定辙叉又分为整铸辙叉和组合式辙又。整铸辙又是用高锰钢浇 铸的整体辙叉，把翼轨和心轨浇铸成一个整体，具有较高的强度、良好的冲击 韧性，整体性和稳定性好。组合式辙叉由长心轨、短心轨、翼轨及间隔铁、垫 板等组成，这种结构零件多，养护工作量大，我国正线上很少采用。 固定辙叉存在“有害空间”，两根翼轨之间的最窄处称为辙叉咽喉。由咽喉 至实际尖端的距离，因轨线中断，车轮在此处对钢轨产生剧烈冲击，此空间称 为道岔的“有害空间”，道岔号数越大，辙叉角越小，有害空间越大。 可动辙叉保证了列车过分时轨线的连续，利用心轨可以摆动并与翼轨紧密 贴靠的特点，来达到消除固定辙叉上存在的“有害空间”，这种辙叉直股可以不 设置护轨，大大减少机车车辆通过时的冲击力，提高过岔容许速度及舒适度。 并且可以提高辙叉的使用寿命，显著减小养护维修工作量，但是结构比较复杂， 其长度一般比固定辙叉长。可动辙叉可以分为：可动心轨辙叉，可动翼轨辙叉 和其它形式的辙叉型式，可动心轨辙叉和可动翼轨辙叉通过翼轨和长心轨，短 心轨之间的密贴来共同承受车轮的荷载。 为保证车轮安全通过固定辙又的“有害空间”，必须在辙叉相对位置的两侧 基本轨的内侧设置护轨，借以引导车轮的正确行驶方向，使车轮轮缘进入适当 的轮缘槽，防止车轮冲击叉心尖端或者爬上辙叉心轨尖端，对于可动心轨辙叉， 直股通常不设置护轨，侧股设置防磨护轨，可以防止心轨的侧面磨耗。目前我 国道岔的护轨类型主要有钢轨间隔铁型、h 型和槽型三种。 ( 3 ) 连接部分 连接部分是转辙器和辙叉之间的连接线路，包括直股连接线和曲股连接线， 1 2 第2 章道岔区结构及不平顺影响分析 曲股连接线一般称导曲线。铁路传统道翁的导曲线平面线型一般采用单圆曲线， 为提高侧向通过速度，满足提速以后舒适度的要求，国外大多数国家普遍采用 三次抛物线作为大号码道岔的基本线型，尤其是区间渡线，道岔采用抛物线后， 可直接连接而不用设央直线，不仅改善了列车运行的动力性能，而且解决了小 间距单渡线的夹直线问题。 在导曲线上设置少量超高【2 引，对防止反超高的出现和保持轨距以及减轻行 车摇晃等有利。但是由于道岔导曲线较短，没有足够的超高递减距离，因此一 般不设置超高。 设置轨底坡，对改善车轮与钢轨的接触条件，减少车轮对钢轨的横向推力 及增加线路的稳定是有利的。但是在道岔上设置轨底坡将使结构变得复杂，制 造加工量加大，所以我国“7 5 ”型和“9 2 型道岔均不设轨底坡。但是现在的 提速道岔和高速道岔普通设置l ：4 0 的轨底坡。 2 2 道岔的结构及截面特征【1 7 l 由于道岔结构比较复杂，建立道岔结构的合理分析模型是一项十分困难的 工作，本着抓住主要矛盾，忽略次要因素的原则，本文首先对道岔结构的一些 主要特点进行归纳，便于对其进行模型化。与区间轨道相比，道岔结构的主要 特点有以下几点： 区间轨道只有两根钢轨参与轮轨相互作用，而道岔区却有多根钢轨参与轮 轨间的传力，除直股或侧股的两根钢轨直接承受车轮荷载外，另两根钢轨及护 轨也通过轨枕的弯曲变形等而承受着作用力。 区间轨道可视为等截面的长梁，而道岔区的部分钢轨是变截面的长梁，如： 尖轨、长短可动心轨是变截面的长梁，固定辙又是断面不规则的受力件。在可 动心轨尖端附近的翼轨轨腰上，通常有补强板，与钢轨共同承受弯矩，因而钢 轨抗弯截面也是变化的。 一般情况下，区间轨道的钢轨可视为支承在等弹性的支点上，而道俞区内 的钢轨的支承弹性是不均匀变化的。两根尖轨及两根可动心轨只是根部固定在 岔枕上，其余部分与轨枕间是无扣件联结的，两者间的传力是单向的；在基本 轨及护轨设有轨撑的地方，支点的横向弹性会有变化；在两钢轨间距很小的地 方，有时扣件是同时扣紧两股钢轨的，因而这两股钢轨的支承弹性也会有所变 第2 章道岔区结构及不平顺影响分析 化等等。 与区间轨道不同，道岔区内轨枕的长度是不等的，因而岔枕的参振质量是 不同的。最长的岔枕通常为4 8 米，岔枕本身的弯曲变形不容忽视，将岔枕简 化为刚性质量块与实际情况有一定差距。 由于岔枕长度不一致，而且岔枕采用的是满支承方式( 区间轨道的轨枕中 间部分是掏空的) ，因而道床提供的竖向和横向支承弹性是随岔枕长度而变化 的。 由于岔枕支承方式不同予区轨道，而且各钢轨间距不是定值，因而道床的 参振质量块不易确定，而且也非定值。 道分区内存在不可避免的垂直不平顺，在车轮从道岔基本轨滚向尖轨或从 尖轨滚向基本轨的部位、在车轮从道岔翼轨滚向心轨或从心轨滚向翼轨的部位， 由于藏尖式尖轨尖端及心轨尖端有降低值，因而存在竖向不平顺。在固定辙叉 区还存在轨线中断的部位。 在道贫平面上，由于尖轨、翼轨及护轨缓冲段的存在，水平面上不可避免 在又存在水平冲击角。 道岔导曲线没有外轨超高，因而列车侧向容许速度恒低于直向容许速度。 导曲线的线型常为圆曲线型，两端末设缓和曲线段，列车侧向通过道岔为动态 曲线通过。 道岔区内部件的相互作用中存在着许多非线性的环节，如：尖轨或可动心 轨与分枕间竖向力的传递中，当尖轨或可动心轨跳起时，它们与岔枕间无竖向 作用力；尖轨与基本轨或可动心轨与翼轨的密贴区域内，两者共同承受着车轮 荷载，两者之间存在有非线性的力的传递；在间隔铁式辙跟结构中，或在传递 纵向力的长翼轨结构中，由间隔铁联结的两根钢轨具有相同的线位移，因而，