[发明专利]基于纵横垂向空间耦合模型的高速铁路无缝道岔设计

说明书

技术领域

本发明属于铁道工程应用计算与设计技术领域，特别涉及一种基于纵横垂 向空间耦合模型的高速铁路无缝道岔设计方法。

背景技术

跨区间无缝线路是与高速重载铁路相适应的轨道结构，是高速铁路必须采 用的关键技术。由于高速铁路列车速度较高，对道岔的受力、变形以及几何形 位的要求均较普通无缝道岔更严格，因此需要更加完善的高速铁路无缝道岔设 计方法。当轨温变化幅度较大时，高速铁路无缝道岔各项横向变形量较大，可 能超过限值。这将有可能影响到列车高速通过道岔时的行车安全性和旅客舒适 性。因此对于高速铁路无缝道岔而言，不仅需要进行常规的检算，还应检算尖 轨跟端处钢轨的横向变形。

近年来，国内很多学者对无缝道岔的受力与变形的计算理论开展了一些研 究工作。但是这些研究中的计算理论需要预先假定基本轨与导轨的相互作用关 系，视导轨与基本轨平行，忽略辙叉角的影响；假设限位器子母块贴靠时，两 者间由刚度相当大的弹簧连接、并基本上完全限制两者间的相对位移，这与实 际情况不完全相符；而且虽然考虑了道岔的纵向受力与变形，但是忽略了道岔 的横向变形，不满足高速铁路对钢轨横向几何形位的较高要求。

新建高速铁路无缝道岔的设计，要求一种建模思路清晰，操作简便，能够 准确反映高速铁路无缝道岔空间力学特性的计算与设计方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于纵横垂向空间耦合模型的高速铁路无缝 道岔设计方法，其特征在于，该高速铁路无缝道岔设计考虑了尖轨、心轨截面 的实际变化、限位器安装误差、牵引点之间的位移耦合以及钢轨的纵向位移对 轨距的影响等因素。此外，还考虑了行车方向对道岔尖轨、心轨尖端位移的影 响，和仅单侧有扣件的基本轨前侧部分实际情况；

在高速铁路无缝道岔温度力与位移的传递过程中，考虑对传力部件：钢轨、 扣件、轨枕、限位器、间隔铁和螺栓的影响，具体包括如下步骤：

(1)钢轨建模时，采用梁单元进行模拟，钢轨按实际截面属性进行建模， 考虑钢轨的截面积、惯性矩以及扭转弯矩这些参数，钢轨按照支承节点划分有 限长梁单元，全面考虑纵、横、垂向线位移及转角。在计算道岔尖轨横向变形 时，考虑尖轨的实际截面积和惯性矩的变化、牵引点之间的横向位移耦合以及 钢轨纵向位移对尖轨横向变形的影响，道岔尖轨与可动心轨前端可自由伸缩， 尖轨或可动心轨尖端位移为其跟端位移与自由段伸缩位移之和；

(2)道岔区的扣件采用非线性弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵、 横向阻力和垂向刚度，纵、横向扣件弹簧作用于钢轨支承节点上，可阻止钢轨 相对于轨道板或岔枕的纵、横向位移，扣件纵、横向阻力可按常量或变量形式 输入，扣件垂向刚度取扣件的支点刚度；

(3)有砟轨道的轨枕采用梁单元进行模拟，考虑轨枕的截面积、高度以及 惯性矩等实际参数，轨枕按照较小间距的支承节点划分单元，全面考虑纵、横、 垂向线位移及转角。道床的纵横向阻力采用非线性弹簧单元进行模拟，阻力值 取单位岔枕长度的阻力，可按常量或变量形式输入；道床垂向刚度用垂向弹簧 模拟，其值取道床支承刚度；

(4)限位器结构子母块为非绝对刚性构件，随着相对位移的不同，其阻力 也是非线性的，故尖轨跟端限位器结构采用非线性弹簧单元进行模拟，限位器 阻力值采用相关试验取得的数据；在计算尖轨钢轨横向变形时，考虑限位器子 母块在轨温变化时实际接触位置的最不利影响；

(5)翼轨末端以及辙岔跟端通过间隔铁结构固定，间隔铁结构采用非线性 弹簧单元进行模拟，间隔铁阻力值采用相关试验取得的数据；

(6)通过对道岔各个部件的模拟和组合，建立纵横垂向空间耦合的高速铁 路无缝道岔整体计算模型。

基于上述计算模型的设计方法的主要特点在于：道岔结构较为详尽，可按 实际情况考虑基本轨与导轨间的相互作用关系，各种阻力均可为非线性阻力， 取值可与实测值一致；考虑了限位器、间隔铁等部件的实际传力作用，并可详 细得出每一组限位器、间隔铁的受力；可计算不同尖轨跟端结构型式及各种工 况的无缝道岔的力学特性，并对道岔进行结构检算，进而得出满足各项控制条 件的可铺设轨温变化幅度范围；可对采用不同尖轨跟端结构型式的无缝道岔的 尖轨钢轨横向变形进行计算分析与比较；还可对限位器结构的铺设与养护维修、 扣件阻力的合理选择和翼轨末端间隔铁的合理布置方法等提供指导意见。

附图说明

图1为翼轨末端间隔铁单元模型图。