地铁用嵌入式轨道调轨组件优化设计探究

地铁用嵌入式轨道调轨组件优化设计探究

王帆

哈尔滨地铁集团有限公司黑龙江省哈尔滨150000

摘要：嵌入式轨道作为一种新型减振轨道结构，改变了传统轨道结构离散支撑特性。调轨组件是嵌入式轨道精调施工、状态保持和槽内维护的关键部件，其参数的优化设计对改善承轨槽系统受力，提高地铁轨道质量和保证轨道平顺性具有重要意义。本文主要就地铁用嵌入式轨道调轨组件优化设计进行了分析探究

关键词：地铁；嵌入式轨道；调轨组件；优化设计

引言

随着我国城市经济的快速发展，地铁作为核心的公共交通设施正在我国诸多城市快速兴建。地铁列车运量大、轴重大、作用频次较多、起（制）动频繁，对线路的平顺性、稳定性和可靠性有较高的要求。而传统的扣件离散点支承结构存在周期性的结构特点，易引起诸如Pin-pin峰等共振行为，对减振降噪和控制钢轨波形磨耗十分不利。作为新型轨道结构形式，嵌入式轨道能提供连续的钢轨支承和约束，结构不再具有明显的周期性约束，改善了钢轨的受力行为，有良好的抑振降噪和控制波磨生成及发展的优势。

1地铁用嵌入式调轨组件弹性模量优化分析

调轨组件弹性模量过大，对于轨距的调节和保持以及对改善周边高分子浇注料受力都有优势，但却对调轨组件及调轨组件所在处承轨槽壁受力不利，极易出现应力集中导致破坏；相反，调轨组件弹性模量过小又不利于轨距的保持和高分子浇注料的受力。故而选取列车荷载作用在调轨组件所在截面处的钢轨上，此种工况调轨组件处应力分布较大，是对于调轨组件最不利的工况。在调轨组件宽度为60mm，布置间距为1000mm的工况下，改变调轨组件的弹性模量，变化范围在0.2~10GPa，据此研究调轨组件弹性模量对槽内各部件受力和变形影响规律。提取相应的结果可知，当调轨组件弹性模量分别取0.2~10GPa时，钢轨横向位移、外翻转角、降噪块应力和位移、高分子浇注料的位移、两种垫板的位移均随调轨组件弹性模量的增大而减小，而承轨槽内壁最大等效应力和调轨组件最大等效应力随调轨组件弹性模量的增大而增大。由上述可得，调轨组件对于承轨槽系统的稳定具有重要作用，不仅提供轨道的横向支撑，还起到阻碍钢轨外翻的作用，故还需从多个角度出发对调轨组件弹性模量进行优化比选。

1.1位移和应力角度

当调轨组件弹性模量大于2.0GPa后，虽然钢轨横向位移会显著减小，但承轨槽内壁应力与调轨组件本身应力呈显著增大趋势。考虑到承轨槽内壁是薄弱面，且没有考虑循环动应力的疲劳影响，为保证槽内各部件处于安全状态，尤其是为确保承轨槽内壁的抗压强度不超过C40混凝土的抗压强度设计值19.1MPa，故而对调轨组件弹性模量大于2.0GPa的工况不再考虑，在调轨组件弹性模量0.2~2.0GPa范围内进行优化分析。为保证承轨槽内壁不被挤压破坏，需对槽内壁应力及调轨组件应力进行控制，同时钢轨、降噪块及浇注料横向位移不宜过大，调轨组件弹性模量取值范围宜取0.4~1.0GPa。

1.2静态不平顺角度

轨距变化率是保证行车平稳舒适安全重要指标，现计算列车荷载作用于相邻调轨组件之间与调轨组件处所引起的钢轨横向位移的差值随调轨组件弹性模量的变化，并算出两点间的横向不平顺的变化率，参照相应规范以不平顺的变化率作为控制指标对调轨组件弹性模量进行优化。参照《地铁设计规范》（GB50157-2013）中对轨距变化率不超过2‰的要求，同时考虑本文计算的是单槽，是轨向变化率的概念，限值取为轨距变化率的一半，即以1‰作为控制指标，根据轨向变化率不能超过1‰的要求，结合轨向变化率的情况，调轨组件弹性模量应取1.0GPa以下，最终确定的调轨组件弹性模量取值范围宜在0.4~0.8GPa。

2调轨组件宽度的优化分析

本节分析调轨组件几何尺寸的改变对承轨槽内各部件受力变形的影响。荷载作用于调轨组件所在截面处的钢轨上，调轨组件表面应力较大，是对调轨组件最不利的工况，故在弹性模量为0.6GPa，布置间距为1000mm的基础上，改变调轨组件的宽度，取值变化范围为50~100mm。基于调轨组件的面积不仅对钢轨轨距调整能力具有重要的影响，也对承轨槽系统的受力与变形也会产生一定的影响。故本节研究调轨组件纵向长度对承轨槽系统受力与变形的影响。当调轨组件宽度发生变化时，钢轨最大竖向位移、降噪块最大应力位移、高分子浇注料应力位移、垫板（两种）的应力和位移变化不大，而发生明显变化的是钢轨最大横向位移、外翻转角、槽内壁最大等效应力及调轨组件最大等效应力，为了保证钢轨横向位移不致过大且承轨槽内壁抗压强度不超过C40混凝土的抗压强度设计值19.1MPa和调轨组件处应力尽可能小，同时兼顾到调轨组件不宜过宽且要满足槽内连续支撑的概念，故建议调轨组件宽度宜取60~80mm。

结语：

综上所述，伴随着城市轨道交通的大规模发展，地铁用嵌入式轨道调轨组件优化设计问题越来越引起人们的重视。对承轨槽内调轨组件参数及布置优化分析，原则上以应力、位移作为控制指标，即槽内各部件应力、位移不宜过大，不能超过相应的规范标准。经过优化比选，可得出如下结论：在承轨槽系统设置调轨组件后，钢轨最大横向位移减少幅值达到2mm，很明显调轨组件不仅具备调节轨距的作用，还增加了整个承轨槽系统的横向支撑刚度，提高了轨道的横向稳定性；同时从轨距精调和轨距保持角度，整个系统设置调轨组件是有必要的。为保证承轨槽内壁不被挤压破坏、同时钢轨、降噪块及浇注料横向位移不宜过大以及轨距变化率不超过2‰的要求，最终建议调轨组件弹性模量范围取为0.4~0.8GPa；考虑到调轨组件不宜过宽且要满足槽内连续支撑的概念最终建议调轨组件宽度取60~80mm。

【参考文献】

[1]王强,肖杰灵,刘占峰,杨刚,王平.地铁用嵌入式轨道调轨组件优化设计研究[J/OL].铁道标准设计,2018,(02):(2017-11-28).

[2]罗炯，陈攀，秦超红，等.有轨电车新型嵌入式轨道钢轨抗倾覆性能分析[J].铁道标准设计，2016，60(04)：8-12.