无缝道岔的设计分析与应用

无缝道岔的设计分析与应用

庞士强谭海长郜现广

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中国铁路济南局集团有限公司设计所山东济南250000

摘要：无缝道岔是超长无缝线路的一个重要组成部分，它在承受无缝线路温度力作用的同时，还要承受侧向传递过来的附加温度力，故无缝道岔中的钢轨受力和位移量计算成为无缝道岔设计、铺设和养护维修中需要处理的核心内容。

关键词：超长无缝线路；无缝道岔；温度力；位移量

1引言

道岔功能是使机车车辆由一股道线路转向另一股道线路或跨越另一股道线路的轨道连接设备，它承受、传递由机车车辆运行引起的各种荷载和引导车轮轮对转向所产生的应力。在超长无缝线路上，无缝道岔是跨区间无缝线路的重要组成部分，道岔介于无缝线路固定区的基本轨不仅承受温度力，并承受导轨通过联结件、岔枕和扣件施加的纵向力。由于构造和受力的复杂性，因此是无缝线路中的薄弱环节。

2无缝道岔计算参数

无缝道岔岔内接头均被焊接或者胶结，当轨温升高或降低时，因道岔处于无缝线路固定区，随着轨温的变化，因其基本轨为无限长，导轨为半无限长，导轨在有限长的一端克服阻力而伸缩，相应放散部分温度力，并通过联结件和岔枕、扣件对基本轨施加纵向力，因而基本轨除承受温度力外，还承受导轨的作用而产生附加纵向力。

通过对无缝道岔基本轨、导轨、辙叉及其后部纵向力及位移受力计算及对道岔强度和稳定性检算，确保无缝道岔在超长无缝线路中满足各项规范、规定要求，保证无缝线路运营安全。

3无缝道岔计算模型

轨温升高或降低对无缝道岔的纵向力计算模型相似，考虑道岔温度力通过道床纵向阻力、岔枕水平抗弯刚度、钢轨扣件扭转阻力等，通过对无缝道岔受力计算，既保证其强度和稳定性，同时使道岔尖轨或辙叉活动心轨的伸缩位移处于规定数值内。

4算例及分析

60kg/m钢轨12号单开道岔：图号SC330，导轨长15.03m，尖轨尖端至基本轨始端距离为3.22m，尖轨跟端采用1副限位器。

4.1线路阻力

（1）Ⅲ型枕、弹条Ⅱ型扣件线路纵向阻力为11.7kN/m/轨，横向阻力为6.5kN/轨。

（2）12号道岔岔枕区段线路纵向阻力为14.2kN/m/轨，横向阻力为13kN/枕。

4.2限位器及辙叉阻力

限位器及辙叉阻力采用1333kN/m，其中限位器（长度范围0.45m）的子母块对中时的间隙按7mm计。

4.3钢轨及应许应力

采用60kg/m、U75V钢轨，允许应力［σ］=363MPa。

4.4无缝道岔受力检算

某地区的最高轨温Tmax=62.1℃，最低轨温Tmin=-23℃。12号无缝道岔设计锁定轨温范围均为26±3℃，最大温升幅度△Tumax=39.1℃，最大温降幅度△Tdmax=52℃。

4.4.1导轨、辙叉及其后部纵向力及位移

根据计算模型，限位器子母块对中时间隙为7mm，折减后按5mm放散量计算。

计算得到数值如表4-1。

4.4.2基本轨附加纵向力及位移

按表4-1取最大温降52℃时，限位器较大纵向力101.6kN作用于基本轨。

计算得到基本轨纵向力和位移可知，限位器子或母块的一侧受拉、另一侧受压，最大附加纵向力为50.2kN，作用范围△L=50.2/14.2=3.5m，基本轨纵向位移0.5mm。

4.5强度及位移检算

4.5.1限位器螺栓强度检算

限位器采用M24高强螺栓，螺栓剪力计算如下：

取T＇=50.2kN，d=24mm，则τ=111MPa。10.9s高强螺栓允许剪应力［τ］=415MPa，限位器螺栓强度满足要求。

4.5.2尖轨尖端纵向位移检算

式中，f0--尖轨跟端限位器处最大纵向位移，f0取=10.8mm。

fr--尖轨自由伸缩量，fr=α·△T·Lj，取线胀系数α=1.18×10-5/℃，最大温降△T=△Tdmax=52℃，尖轨长度Lj=12.48m，则fr=7.7mm。

fj--基本轨在尖轨尖端处的位移，fj=0。

尖轨尖端最大纵向位移△lmax=10.8+7.7=18.5mm。

上述检算结果表明：如果SC330道岔无缝化，则要求允许尖轨尖端的纵向伸长或缩短量应不小于18.5mm。

4.6锁定轨温检算

4.6.1允许温降计算

（1）计算参数

荷载类型：和谐机车_HXD3_轴重25t

过岔侧向速度50km/h

钢轨类型：60kg/m

截面参数考虑轨头垂直磨耗6mm

钢轨允许应力[σ]=363.0MPa

轨枕布置：1667根/km，曲线半径R=350m，支承刚度D=33kN/mm

速度系数α＝0.27，偏载系数β=0.15，横向水平力系数f=1.9，钢轨附加纵向力ΔP=0.0kN。

（2）计算结果

计算得到：综合动载系数Kd=（1+α+β）f=2.698，轨底动弯应力σd=177.1MPa，钢轨允许温降[ΔTd]=74.4℃。

4.6.2允许温升计算

（1）计算参数

道岔号码：12号

导曲线半径：350m

附加纵向压力：32.4kN/轨

钢轨制动应力：0MPa

钢轨类型：CHN60kg/m。

轨道横向阻力：Ⅲ型枕（B1667）、道床前期稳定阶段（Q3）轨枕横移2mm的单枕阻力R=10.0kN/枕，分布阻力r=16.7kN/m。

轨道初始变形：初始弯曲波长L0=7.2m，初始弯曲矢度f0=7.2mm，允许横向变形[f]=0.2mm。

（2）计算结果

采用不等变形波长理论，计算中考虑了无缝道岔钢轨纵向力不均匀性的影响，相当于8℃温度力。用不同的变形矢度f值进行叠代，计算得到：

1股钢轨允许压力[P]=1470.2kN，允许温升[ΔTu]=76.6℃，临界温升ΔTk=139.9℃，安全系数K=1.8。

4.6.3锁定轨温检算

最大温升ΔTum=39.1℃≤[ΔTu]最大温降ΔTdm=52.0℃≤[ΔTd]合格

4.7断缝检算

（1）计算参数

钢轨类型：60kg/m，钢轨温降△Td=52℃，有砟轨道，断缝允许值[λ]=8cm。

（2）计算结果

左侧断缝λ1＝2.2cm，右侧断缝λ2=2.2cm

断缝λ=λ1+λ2

=4.3cm≤[λ]合格

5结语

由以上理论分析和计算结果可以看出，在目前轨道条件下，站场可以通过铺设无缝道岔以适应高速和重载铁路发展的需要。通过对道岔强度和稳定性，及道岔尖轨或辙叉活动心轨的伸缩位移数值等检算和计算后，以达到铺设无缝道岔的技术标准要求。设计无缝道岔所需参数应根据道岔不同结构、尺寸、型号、运营条件等实测，以确保无缝道岔铺设和运营安全，达到节省投资和养护维修的技术经济效益。

参考文献：

[1]中华人民共和国铁道部.TB10015-2012铁路无缝线路设计规范.北京：中国铁道出版社，2013

[2]卢耀荣.无缝线路研究与应用.北京：中国铁道出版社，2004

[3]中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号文铁路线路修理规则.北京：中国铁道出版社，2006