浅谈城市轨道交通道岔轨道横向刚度分布规律

王克平

摘要：城市交通轨道中对轮轨系统的合理匹配和列车动力的重要影响因素就是轨道的结构刚度，特别是对道岔轨道横向刚度的研究，能够对轨道结构刚度进行很好的优化，降低辙叉间的横向作用，提升列车转弯的速度和平稳度，从而提升列车的整体舒适度，在一定程度上降低了维修人员的工作量。本文利用有限元分析的方法建立实体9号固定辙叉道岔模型，对其各钢轨沿线的横向刚度进行有效计算，以此浅要分析道岔轨道横向刚度的分布规律。

关键词：城市轨道交通;道岔轨道横向刚度;分布规律

一辆列车在正常运行时，车轮和钢轨两部分之间会发生横向和纵向两种相互作用，也即列车轨道的刚度有两种，一种是列车运行线路的纵向刚度，另一种是垂直于线路方向的横向刚度。对于传统列车轨道结构的刚度研究中，研究工作者的工作重心大都集中于对道岔轨道沿线路方向的纵向刚度分布情况以及合理的均匀化措施的探究方面，研究成果显著;而对于道岔轨道结构的横向刚度分布规律的研究尚且处于探索阶段。但是值得肯定的是，对于道岔轨道横向刚度的数值进行科学合理的选择，能够很好的降低轮轨之间的相互作用力、能够有效改善道岔轨道的磨损。

一、 道岔区轨道刚度计算模型

通常情况下，轨道结构的刚度对整个列车轨道的几何形位、轨道的振动强度、工作人员对轨道的维修和保养工作以及运行中列车的舒适程度等都有着非常重要的影响。大量的实验显示出，当轨道结构的刚度太大时，轮轨之间的作用就会增加，结构振动力度就会提升，列车的平稳性就会被打破，从而影响列车的整体舒适程度;但当轨道刚度太小时，轨道结构就会变得比较薄弱，有列车行驶通过时，轨道中的变形就会越来越大，其轨道正确的几何形态就无法得到做好的确保，这会严重影响到工作人员对轨道的维修工作。因此对轨道刚度实施精准化的计算是非常有必要的。与普通正常轨道不同，道岔区中钢轨的截面、扣件等的长度、轨下垫板的刚度都是根据线路的变化而变化，且其中很多构件都会对道岔区轨道的刚度造成影响。如下图1所示，是一个单开道岔结构图。

二、 岔区扣件系统刚度

道岔轨道中的扣件结构一般情况下选择的都是双层的弹性开式构造，其中包含的部件包括：铁垫板、钢轨和铁垫板下部的弹性垫层、扣压件、固定螺栓等。

该岔区整体扣件体系表现的横向刚度的组成成分是：钢轨等效抗衡倾刚度和垫板横向刚度。影响钢轨等效抗衡倾刚度的因素是：横向力和垂直力的比值、两个力作用的位置、钢轨扭转支承的弹性系数、和抗扭刚度。而垫板的横向刚度又涉及钢轨和铁垫板下部垫层的横向抗剪刚度、螺栓的横向抗推刚度、和轨距块以及挡座的横向刚度。扣件系统模拟具体的横向刚度情况如下图2，其中KbH为螺栓合成横向刚度、KcH为扣压件横向剛度、K1H为轨下弹性垫层横向刚度、K2H为板下垫层横向刚度。

三、 岔区轨道横向刚度计算

（一） 道岔钢轨计算模型和参数

9号固定辙叉道岔的基本轨选用60kg/m的钢轨，钢轨具体的参数有：E（弹性模量）等于206GPa，（泊松比）为0.3，质量密度等于7698kg/m2，尖轨选用特种矮型断面钢轨制作而成。利用有限元方法建立模型进行分析时选择实体钢轨，这样有利于充分体现截面的变化和整体横向刚度之间的因果关系;能够使得对轮轨接触的位置和产生的作用力的方向获得较为真实的模拟效果，使刚度计算能更准确。

（二） 计算模型和参数确定

对于铁垫板、轨下胶垫、板下胶垫分别使用相等界面的梁模型和线性弹簧进行相等效果的模拟。参数设计分别为：轨下胶垫长度选择10毫米，刚度设置60KN/mm;板下胶垫长度设置为12mm，刚度为50KN/mm。

四、 岔区横向刚度分布计算结果

在利用有限元方法进行模拟计算之后，其轨道的侧向和横向整体刚度显示出沿线路方向的不均匀分布。其9号固定辙叉道岔中基本轨和非基本轨的刚度如下图2和图3所示。

在基本轨开始运行到转辙器区域时，它的横向刚度数值为32KN/mm，然后持续增加，到第20号轨枕区域，刚度数值陡增到43KN/mm，原因为该区域设置了间隔铁，将两个轨道连接成一个整体，这样其抗扭转惯性矩就会增加，则刚度也会变大，所以横向刚度也必然增大。

同时也发现，里轨在整个道岔轨道的转辙器第20号轨枕区域处的横向刚度也达到了很高的数值，出现这一情况的的原因和基本轨是相同的，都是因为有间隔铁的影响。而整个转辙器区域横向刚度的逐渐增加则涉及到尖轨和基本轨的较长时间贴合，转辙器的抗扭刚度不断增加，使得其横向刚度类似于基本轨的变化，也呈现出逐渐增大的趋势。最后关于里轨辙叉区域出现的最大横向刚度峰值，达到46KN/mm的原因是，辙叉中的岔心是有高锰钢铸成，其抗扭刚度要远远大于标准钢轨，所以陡增的抗扭刚度也引起了横向刚度的显著增加。整个有限元模拟分析计算的道岔轨道横向刚度数据结果将在下列表1中显示。

五、结束语

在上文的整个实验中，选择了当前城市轨道交通中比较常用的9号固定辙叉道岔轨道，以有限元分析模型的方式对其道岔轨道进行了横向刚度的计算。实验中显示出道岔轨道岔区在沿线路方向的各横向刚度呈现一定的规律分布着，主要的结论体现在下面两个方面。

①道岔轨道的扣件体系中，合成整个横向刚度成分包含两个分布，一个是钢轨的等效抗衡倾刚度，另一个是钢垫板的横向刚度。在整个轨道的其他条件均保持一致的前提下，扣件系统的横向刚度主要是由钢轨的等效抗衡倾刚度来控制的。引起钢轨发生变化的最大要素就是其截面出现变化，表现在整体的横向刚度是随着钢轨截面的抗扭惯性矩和抗扭刚度的不断增大而增大的。

②以9号固定辙叉道岔轨道为实验对象研究的城市轨道交通道岔的横向刚度表现为，沿着线路方向而呈现不均匀分布。整个横向刚度数值的变化中，轨道辙叉区域的横向刚度值最大，最小值出现在轨道连接部分，转辙器区域的横向刚度值居中。

参考文献：

[1]翟淼，刘伟.城市轨道交通道岔轨道横向刚度分布规律研究[J]. 四川建筑， 2017（3）：287-288.

[2]张艳平，姚力，刘大园.城市轨道交通线路道岔区轨道刚度分布特征及均匀化研究[J].城市轨道交通研究， 2014， 17（9）：29-34.

（作者单位：苏州市轨道交通集团有限公司运营分公司）