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摘要:针对曲线型伸缩调节器的结构特点及工作原理,本文根据列车过伸缩调节器时的动力特性对伸缩调节器的设置原则进行了讨论,并探讨了伸缩调节器在桥上合理的布置方式,供桥上无缝线路设计时参考。
关键词:钢轨伸缩调节器动力特性无缝线路
0 引言
浙赣线电气化改造工程K936+700~K944+500为株洲枢纽范围,速度目标值为80km/h。五里墩站(K937+517)新铺SC330混凝土枕提速道岔,固定辙叉。该道岔采用原专线4129道岔基本结构型式,直向通过速度≤120km/h,侧向通过速度50km/h。由于该道岔结构设计未考虑无缝道岔的铺设要求,而影响无缝道岔的使用要求很多,如道岔号码、道岔结构、铺设锁定轨温差、线路爬行、道岔群布置型式、夹直线长度、焊接型式等[1]。故需根据该道岔的具体情况进行分析。五里墩站道岔平面布置如图1所示。
下行线上3#和5#道岔为同向对接,夹直线长度12.5m;5#和11#道岔为异向顺接,夹直线长度104.45m;11#和18#道岔为同向对接,夹直线长度1061.392m;18#和14#道岔为异向顺接,夹直线长度39.014m;14#和8#道岔为异向对接,夹直线长度12.50m;8#和6#道岔为异向顺接,夹直线长度为12.50m。
道岔前后均铺设无缝线路,轨枕为Ⅲ型有挡肩轨枕,每公里配置根数为1667根,扣件采用弹条Ⅱ型扣件,道床采用Ⅰ级标准碎石道碴。
1 无缝道岔设计
无缝道岔采用道岔区全焊型式,即道岔区内直側股均焊接,道岔区后侧股不焊接。道岔前后直股钢轨与区间线路全部焊接,形成跨区间无缝线路。
1.1 锁定轨温的确定 彬江地区最高轨温61.6℃,最低轨温-9.2℃,设计锁定轨温为31℃,则最大升温幅度为35.6℃,最大降温幅度为45.2℃。
2 无缝道岔检算
2.1 检算内容 无缝道岔检算的主要内容为:无缝道岔强度和稳定性检算,无缝道岔中传力部件检算,尖轨伸缩位移检算。
2.1.1 基本轨强度
轨道强度应满足:σd +σt+σc +σf ≤[σ] (1)
式中,σd为钢轨弯应力,建议参考取值为133.6Mpa;若该处尖轨跟端存在鞍形磨耗,则这一取值最大可达到180 Mpa左右;
σt为钢轨温度应力,对60kg/m钢轨,轨温幅度每增加1℃时,该值增加2.43Mpa;
σc为制动附加应力,取为10 Mpa;
σf为钢轨附加温度应力;
[σ]为钢轨容许应力,对U71MN,该值取为357Mpa,对U71V,该值取为489Mpa。
2.1.2 高强螺栓强度 山桥厂所做的铁棒剪切试验表明[2],高强螺栓的极限剪切应力可达804Mpa,为保证限位器用螺栓剪切应力不超过容许屈服强度,并考虑1.25的安全系数,取[τ]=τs/1.25=33
0/1.25=264MPa。
此外,钢轨螺栓孔、限位器子母块螺栓孔及限位器部件的强度均应在容许范围内,为简化分析,以螺栓强度不超限为控制标准。
2.1.3 尖轨尖端与基本轨相对位移 该限值取为20mm,轨温幅度每增加1℃时,尖轨自由伸缩长度增加0.1331mm。
近几年跨区间无缝线路实践表明,爬行对无缝道岔的受力及变形影响极大,此外,残余应力的释放与调整还会造成锁定轨温的变化。按规定在100米距离内不得有10mm的爬行量。
2.1.4 岔前无缝线路稳定性
Pt+△Pmax≤[P]=P/K=P:1.3
2.2 计算参数 SC330为固定辙叉道岔,尖轨跟端为限位器结构,混凝土岔枕,弹条Ⅱ型扣件,道岔间夹直线长度按规范要求设置,选择最不利的道岔组合顺接道岔(8#和6#道岔)进行计算。道岔区全焊,道岔前后无爬行。道岔与区间长轨条焊连时,存在5℃的锁定轨温差。
2.3 检算结果
2.3.1 左右道岔存在锁定轨温差
2.3.1.1 锁定轨温差5℃ 计算升温时考虑使基本轨附加温度力增大的最不利条件为:限位器子母块间歇4mm,道岔前后区间线路锁定轨温较道岔低5℃,左道岔锁定轨温较右道岔高5℃。各钢轨纵向力如图2所示,各钢轨纵向位移如图3所示。
图中横坐标零点表示尖轨跟端位置,负值表示道岔前端距跟端距离,正值表示后端距跟端距离,以下各图同。
在岔枕位移和限位器的共同作用下,基本轨出现附加温度力。右道岔基本轨对应于辙跟处的最大附加温度压力为92.9kN,在无缝道岔稳定性容许限度179.9kN内,左道岔基本轨的最大附加温度压力为237.10kN,此情况下左道岔的稳定性不能满足。左道岔限位器所受纵向力为105.1kN,,螺栓剪应力为116.2Mpa,在允许限度264 Mpa内。
由图3可看出,直曲基本轨均在限位器附近达到位移最大值,在右道岔中,直基本轨的最大位移约为1.3mm,曲基本轨的最大位移约为1.2mm,尖轨跟端处曲导轨的位移约为10.7mm,直导轨的位移为10.7mm;左道岔中,直基本轨的位移为1.2mm,曲基本轨的位移为1.1mm,尖轨跟端处曲导轨的位移约为12.7mm,直导轨的位移约为12.7mm.
在该温升条件下,右道岔尖轨尖端与基本轨相对位移约为14.8mm,左道岔直、曲尖轨尖端位移约为17.1mm,在允许值20mm内。两尖轨尖端位移相差为0mm,尖轨侧拱量很小。
降温时,各钢轨的温度力图相同,只是由压力变为拉力。升温时,左道岔的稳定性不易保证,故不作进一步检算。
2.3.1.2 锁定轨温差3℃
①计算升温时考虑使基本轨附加温度力增大的最不利条件为:限位器子母块间歇4mm,道岔前后区间线路锁定轨温较道岔低5℃,左道岔锁定轨温较右道岔高3℃。
各钢轨纵向力如图4示。
右道岔基本轨对应于辙跟处的最大附加压力为92.75kN, 在无缝道岔稳定性容许限度179.9kN内,左道岔基本轨的最大附加温度压力为148kN,满足道岔稳定性要求。限位器不受力。
研究表明,铺设轨温差越大,对道岔的受力和变形影响越大。故升温时对尖轨位移不做进一步检算。
②计算降温时考虑使尖轨位移增大的最不利条件为:限位器子母块间隙10mm,岔后区间线路锁定轨温较道岔高5℃,岔前区间线路锁定轨温较道岔低5℃;左道岔锁定轨温比右道岔低3℃。
各钢轨温度力如图5所示,各钢轨位移如图6所示。
计算得左道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加拉力为44.4kN, 右道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加拉力为73kN,均在钢轨强度容许范围内;限位器未承受纵向力。左道岔尖轨尖端位移为18.4mm,在容许限度20mm内;右道岔尖轨尖端位移为21mm,超过容许限度。
2.3.1.3 轨温差1℃ ①升温时可对道岔稳定性及尖轨位移不做检算。②降温时考虑使尖轨位移增大的最不利条件为:限位器子母块间隙10mm,岔后区间线路锁定轨温较道岔高5℃,岔前区间线路锁定轨温较道岔低5℃;左道岔锁定轨温比右道岔低1℃。右道岔各钢轨位移如图7所示。
该情况下右道岔尖轨尖端与基本轨相对位移为19.7mm,在容许限度内。
3.3.2 左右道岔不存在锁定轨温差
2.3.2.1 升温 计算升温时考虑使基本轨附加温度力增大的最不利条件为:限位器子母块间歇4mm,道岔前后区间线路锁定轨温较道岔低5℃。各钢轨纵向力如图8所示。
计算得左道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加温度压力为94.7kN,在无缝道岔稳定性容许限度179.9kN内,亦在钢轨强度容许范围内;右道岔基本轨最大附加温度压力为93.1kN,在无缝道岔稳定性容许限度。限位器不承受纵向力。
基本轨最大位移、尖轨尖端位移、尖轨与基本轨得相对位移、两尖轨得相对位移如表1所示。由表可知,尖轨尖端位移及尖轨尖端与基本轨的相对位移在允许值20mm范围内。
2.3.2.2 降温 计算降温时考虑使尖轨位移增大的最不利条件为:限位器子母块间隙为10mm,岔后区间线路锁定轨温较道岔高5℃,岔前区间线路锁定轨温较道岔低5℃。
计算得各钢轨纵向力如图9所示,各钢轨纵向位移如图10所示。
计算得左道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加拉力为98kN, 右道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加拉力为82kN,均在钢轨强度容许范围内;限位器未承受纵向力。左道岔尖轨尖端与基本轨相对位移为19.5mm,右道岔尖轨尖端位移为19.1mm,均在容许限度20mm内。
2.4 影响因素分析
2.5结论及建议 ①在各种最不利因素组合下,严格按照无缝道岔相关技术条件铺设,钢轨强度、转辙器部分的稳定性,限位器螺栓强度等均可满足要求。②由于SC330道岔采用的是联动内锁闭装置,因而对两尖轨尖伸缩位移差有严格控制,因而铺成无缝道岔时,侧股也宜焊连,且延长至岔后100m处或相邻道岔上。③由于两相邻道岔存在铺设锁定轨温差时,对左道岔的受力及变形影响较大,故铺设时不应使相邻道岔出现锁定轨温差,亦不宜使相邻线路出现较大的锁定轨温差(不大于5℃),且加强岔后线路的爬行。④铺设时使限位器子母块处于居中位置,避免限位器承受过大的作用力。养护维修过程中应检查限位器联结螺栓扭矩,确保能提供足够的阻力。⑤确保钢轨焊接接头质量,尽量使焊头与母材等强。⑥无缝道岔应严格按照无缝线路进行管理,确保岔前线路的道床阻力,必要时在辙跟至岔前50米的范围内,枕端道碴加宽、堆高。⑦两道岔对接或者岔前线路有明显爬行时,应加强对道岔稳定性的观测。⑧无缝道岔尖端、辙跟、岔心处宜设置爬行位移观测桩,随时观测无缝道岔的爬行。⑨铺设无缝道岔时,宜加强捣固,以提高道床纵横向阻力。
关键词:钢轨伸缩调节器动力特性无缝线路
0 引言
浙赣线电气化改造工程K936+700~K944+500为株洲枢纽范围,速度目标值为80km/h。五里墩站(K937+517)新铺SC330混凝土枕提速道岔,固定辙叉。该道岔采用原专线4129道岔基本结构型式,直向通过速度≤120km/h,侧向通过速度50km/h。由于该道岔结构设计未考虑无缝道岔的铺设要求,而影响无缝道岔的使用要求很多,如道岔号码、道岔结构、铺设锁定轨温差、线路爬行、道岔群布置型式、夹直线长度、焊接型式等[1]。故需根据该道岔的具体情况进行分析。五里墩站道岔平面布置如图1所示。
下行线上3#和5#道岔为同向对接,夹直线长度12.5m;5#和11#道岔为异向顺接,夹直线长度104.45m;11#和18#道岔为同向对接,夹直线长度1061.392m;18#和14#道岔为异向顺接,夹直线长度39.014m;14#和8#道岔为异向对接,夹直线长度12.50m;8#和6#道岔为异向顺接,夹直线长度为12.50m。
道岔前后均铺设无缝线路,轨枕为Ⅲ型有挡肩轨枕,每公里配置根数为1667根,扣件采用弹条Ⅱ型扣件,道床采用Ⅰ级标准碎石道碴。
1 无缝道岔设计
无缝道岔采用道岔区全焊型式,即道岔区内直側股均焊接,道岔区后侧股不焊接。道岔前后直股钢轨与区间线路全部焊接,形成跨区间无缝线路。
1.1 锁定轨温的确定 彬江地区最高轨温61.6℃,最低轨温-9.2℃,设计锁定轨温为31℃,则最大升温幅度为35.6℃,最大降温幅度为45.2℃。
2 无缝道岔检算
2.1 检算内容 无缝道岔检算的主要内容为:无缝道岔强度和稳定性检算,无缝道岔中传力部件检算,尖轨伸缩位移检算。
2.1.1 基本轨强度
轨道强度应满足:σd +σt+σc +σf ≤[σ] (1)
式中,σd为钢轨弯应力,建议参考取值为133.6Mpa;若该处尖轨跟端存在鞍形磨耗,则这一取值最大可达到180 Mpa左右;
σt为钢轨温度应力,对60kg/m钢轨,轨温幅度每增加1℃时,该值增加2.43Mpa;
σc为制动附加应力,取为10 Mpa;
σf为钢轨附加温度应力;
[σ]为钢轨容许应力,对U71MN,该值取为357Mpa,对U71V,该值取为489Mpa。
2.1.2 高强螺栓强度 山桥厂所做的铁棒剪切试验表明[2],高强螺栓的极限剪切应力可达804Mpa,为保证限位器用螺栓剪切应力不超过容许屈服强度,并考虑1.25的安全系数,取[τ]=τs/1.25=33
0/1.25=264MPa。
此外,钢轨螺栓孔、限位器子母块螺栓孔及限位器部件的强度均应在容许范围内,为简化分析,以螺栓强度不超限为控制标准。
2.1.3 尖轨尖端与基本轨相对位移 该限值取为20mm,轨温幅度每增加1℃时,尖轨自由伸缩长度增加0.1331mm。
近几年跨区间无缝线路实践表明,爬行对无缝道岔的受力及变形影响极大,此外,残余应力的释放与调整还会造成锁定轨温的变化。按规定在100米距离内不得有10mm的爬行量。
2.1.4 岔前无缝线路稳定性
Pt+△Pmax≤[P]=P/K=P:1.3
2.2 计算参数 SC330为固定辙叉道岔,尖轨跟端为限位器结构,混凝土岔枕,弹条Ⅱ型扣件,道岔间夹直线长度按规范要求设置,选择最不利的道岔组合顺接道岔(8#和6#道岔)进行计算。道岔区全焊,道岔前后无爬行。道岔与区间长轨条焊连时,存在5℃的锁定轨温差。
2.3 检算结果
2.3.1 左右道岔存在锁定轨温差
2.3.1.1 锁定轨温差5℃ 计算升温时考虑使基本轨附加温度力增大的最不利条件为:限位器子母块间歇4mm,道岔前后区间线路锁定轨温较道岔低5℃,左道岔锁定轨温较右道岔高5℃。各钢轨纵向力如图2所示,各钢轨纵向位移如图3所示。
图中横坐标零点表示尖轨跟端位置,负值表示道岔前端距跟端距离,正值表示后端距跟端距离,以下各图同。
在岔枕位移和限位器的共同作用下,基本轨出现附加温度力。右道岔基本轨对应于辙跟处的最大附加温度压力为92.9kN,在无缝道岔稳定性容许限度179.9kN内,左道岔基本轨的最大附加温度压力为237.10kN,此情况下左道岔的稳定性不能满足。左道岔限位器所受纵向力为105.1kN,,螺栓剪应力为116.2Mpa,在允许限度264 Mpa内。
由图3可看出,直曲基本轨均在限位器附近达到位移最大值,在右道岔中,直基本轨的最大位移约为1.3mm,曲基本轨的最大位移约为1.2mm,尖轨跟端处曲导轨的位移约为10.7mm,直导轨的位移为10.7mm;左道岔中,直基本轨的位移为1.2mm,曲基本轨的位移为1.1mm,尖轨跟端处曲导轨的位移约为12.7mm,直导轨的位移约为12.7mm.
在该温升条件下,右道岔尖轨尖端与基本轨相对位移约为14.8mm,左道岔直、曲尖轨尖端位移约为17.1mm,在允许值20mm内。两尖轨尖端位移相差为0mm,尖轨侧拱量很小。
降温时,各钢轨的温度力图相同,只是由压力变为拉力。升温时,左道岔的稳定性不易保证,故不作进一步检算。
2.3.1.2 锁定轨温差3℃
①计算升温时考虑使基本轨附加温度力增大的最不利条件为:限位器子母块间歇4mm,道岔前后区间线路锁定轨温较道岔低5℃,左道岔锁定轨温较右道岔高3℃。
各钢轨纵向力如图4示。
右道岔基本轨对应于辙跟处的最大附加压力为92.75kN, 在无缝道岔稳定性容许限度179.9kN内,左道岔基本轨的最大附加温度压力为148kN,满足道岔稳定性要求。限位器不受力。
研究表明,铺设轨温差越大,对道岔的受力和变形影响越大。故升温时对尖轨位移不做进一步检算。
②计算降温时考虑使尖轨位移增大的最不利条件为:限位器子母块间隙10mm,岔后区间线路锁定轨温较道岔高5℃,岔前区间线路锁定轨温较道岔低5℃;左道岔锁定轨温比右道岔低3℃。
各钢轨温度力如图5所示,各钢轨位移如图6所示。
计算得左道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加拉力为44.4kN, 右道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加拉力为73kN,均在钢轨强度容许范围内;限位器未承受纵向力。左道岔尖轨尖端位移为18.4mm,在容许限度20mm内;右道岔尖轨尖端位移为21mm,超过容许限度。
2.3.1.3 轨温差1℃ ①升温时可对道岔稳定性及尖轨位移不做检算。②降温时考虑使尖轨位移增大的最不利条件为:限位器子母块间隙10mm,岔后区间线路锁定轨温较道岔高5℃,岔前区间线路锁定轨温较道岔低5℃;左道岔锁定轨温比右道岔低1℃。右道岔各钢轨位移如图7所示。
该情况下右道岔尖轨尖端与基本轨相对位移为19.7mm,在容许限度内。
3.3.2 左右道岔不存在锁定轨温差
2.3.2.1 升温 计算升温时考虑使基本轨附加温度力增大的最不利条件为:限位器子母块间歇4mm,道岔前后区间线路锁定轨温较道岔低5℃。各钢轨纵向力如图8所示。
计算得左道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加温度压力为94.7kN,在无缝道岔稳定性容许限度179.9kN内,亦在钢轨强度容许范围内;右道岔基本轨最大附加温度压力为93.1kN,在无缝道岔稳定性容许限度。限位器不承受纵向力。
基本轨最大位移、尖轨尖端位移、尖轨与基本轨得相对位移、两尖轨得相对位移如表1所示。由表可知,尖轨尖端位移及尖轨尖端与基本轨的相对位移在允许值20mm范围内。
2.3.2.2 降温 计算降温时考虑使尖轨位移增大的最不利条件为:限位器子母块间隙为10mm,岔后区间线路锁定轨温较道岔高5℃,岔前区间线路锁定轨温较道岔低5℃。
计算得各钢轨纵向力如图9所示,各钢轨纵向位移如图10所示。
计算得左道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加拉力为98kN, 右道岔基本轨对应于辙跟处得最大附加拉力为82kN,均在钢轨强度容许范围内;限位器未承受纵向力。左道岔尖轨尖端与基本轨相对位移为19.5mm,右道岔尖轨尖端位移为19.1mm,均在容许限度20mm内。
2.4 影响因素分析
2.5结论及建议 ①在各种最不利因素组合下,严格按照无缝道岔相关技术条件铺设,钢轨强度、转辙器部分的稳定性,限位器螺栓强度等均可满足要求。②由于SC330道岔采用的是联动内锁闭装置,因而对两尖轨尖伸缩位移差有严格控制,因而铺成无缝道岔时,侧股也宜焊连,且延长至岔后100m处或相邻道岔上。③由于两相邻道岔存在铺设锁定轨温差时,对左道岔的受力及变形影响较大,故铺设时不应使相邻道岔出现锁定轨温差,亦不宜使相邻线路出现较大的锁定轨温差(不大于5℃),且加强岔后线路的爬行。④铺设时使限位器子母块处于居中位置,避免限位器承受过大的作用力。养护维修过程中应检查限位器联结螺栓扭矩,确保能提供足够的阻力。⑤确保钢轨焊接接头质量,尽量使焊头与母材等强。⑥无缝道岔应严格按照无缝线路进行管理,确保岔前线路的道床阻力,必要时在辙跟至岔前50米的范围内,枕端道碴加宽、堆高。⑦两道岔对接或者岔前线路有明显爬行时,应加强对道岔稳定性的观测。⑧无缝道岔尖端、辙跟、岔心处宜设置爬行位移观测桩,随时观测无缝道岔的爬行。⑨铺设无缝道岔时,宜加强捣固,以提高道床纵横向阻力。