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1、西南交通大学一、分析模型和评价方法一、分析模型和评价方法二、二、18号道岔尖轨不足位移分析号道岔尖轨不足位移分析 及控制及控制三、三、18号道岔心轨（单肢）不足号道岔心轨（单肢）不足位移分析位移分析四、四、42号道岔号道岔不足位移分析不足位移分析五、五、62 号道岔号道岔不足位移分析不足位移分析一、分析模型和评价方法 1.尖轨分析模型2.心轨分析模型（单肢）3.心轨分析模型（双肢） 4.不足位移评价方法一、1.尖轨分析模型*长度与牵引点数量有差别 建立尖轨模型中的基本假定 （1）尖轨为欧拉梁，只在水平面内发生横向弯曲变形，不考虑轴向力的影响。尖轨整断面前横向抗弯刚度为线性变化，整断面后至跟端为
2、等截面UIC60D轨，跟端后为等截面的普通钢轨。跟端钢轨支点处的横向位移将受到扣件的横向作用力。在模型中，考虑跟端扣件的横向刚度，模拟为线性弹簧。 （2）采用分动内锁闭的多机多点牵引方式。在牵引点位置施加给定动程的位移，各牵引点的扳动力为作用于牵引点处的集中反作用力；牵引点的扳动力为尖轨在该点处扳动力；牵引点总扳动力为各牵引点的扳动力之和。建立尖轨模型中的基本假定 （3）考虑尖轨下面滑床台的摩擦力。摩擦力视为作用于滑床台上的集中力，其作用方向总是与尖轨的运动方向相反，其大小与该滑床台支承的钢轨重量成正比，不随道岔尖轨位移大小而改变。 （4）用非线性弹簧来模拟基本轨和尖轨尖端的密贴接触以及顶铁和
3、尖轨的接触状态。接触时弹性系数为基本轨的横向刚度和顶铁的横向刚度。不存在顶铁和不密贴尖轨部分的非线性弹簧参数置零，在有位移的情况下没有反作用的阻力作用。建立尖轨模型中的基本假定 （5）考虑尖轨由贴靠至斥离时，钢轨中将储存弯曲变形能，当尖轨由斥离至贴靠时，弯曲变形能逐渐释放，转化为反弹力，作用于钢轨各节点之上。 （6）计算不足位移时，先在无阻尼状态下由贴靠扳动至斥离状态，然后在有阻尼作用下由斥离状态扳动至贴靠状态，道岔尖轨扳动后的位置与扳动前的位置相比较，不能够完全的重合，两位置之间的间隙为尖轨的不足位移。一、 2. 心轨分析模型（单支）*长度与牵引点数量有差别 iF jk jk rk iD i
4、Q 建立心轨（单支）模型的基本假定 （1）心轨为截面线性变化的欧拉梁，只在水平面内发生横向弯曲变形，暂不考虑轴向力的影响。心轨整断面前横向抗弯刚度为线性变化，整断面后至跟端为等截面的UIC60D轨。 （2）采用外锁闭牵引方式，各扳动力视为作用于枕跨中央的集中力；牵引点的扳动力为心轨在该点处扳动力；各牵引点处动程为已知值，采用已知位移求解反力模型；考虑滑床台的摩擦力。摩擦力视为作用于滑床台上的集中力，其作用方向总是与心轨的运动方向相反，其大小与该枕跨处钢轨重量成正比。建立心轨（单支）模型的基本假定 （3）考虑心轨与翼轨间的密贴力，以及顶铁的顶铁力。当心轨由斥离状态扳动至密贴状态时，翼轨的轨头、各
5、顶铁将阻止心轨的进一步扳动，产生密贴力和顶铁力。假定顶铁及轨头密贴区域为刚度较大的横向弹簧，当发生接触时，该弹簧即产生顶铁力和密贴力。 （4）考虑可动心轨中间隔铁的作用力。将间隔铁视为刚度较大的横向弹簧，联结于长短可动心轨间、心轨与翼轨末端。建立心轨（单支）模型的基本假定 （5）模型中假定为约束长心轨跟端所有横向自由度；长短心轨间连接，尖端是用螺栓，后部是用间隔铁。本模型中假定为两心轨固定联结；短心轨跟端与后部钢轨联结分别讨论以下三种情况：完全自由、约束单一点Y方向位移、约束多点Y方向位移。 (6) 心轨的不足位移即是心轨在实际工作状态与理想无摩擦力状态钢轨各个部位的位移差，在本计算中，将心轨
6、在无摩擦力情况下，扳动到工作状态，然后将其在有摩擦力作用下反向扳回，心轨各个部位位移与理想位移的差值即是心轨不足位移。一、 3.心轨分析模型（双肢）*长度与牵引点数量有差别 双支弹性可弯心轨模型的基本假定和单支弹性可弯相似，除在结构和约束条件上，双支都采用和长心轨一样的约束条件。一、 4.不足位移评价方法 1）在无阻尼情况由贴靠扳动至斥离状态 2）在有阻尼情况由斥离扳动至贴靠状态,考 虑尖轨尖端密贴力和牵引点与跟端之间顶铁阻力的作用。 3）贴靠前后两种状态的位移差值为心轨或尖轨的不足位移。 二、二、18号号道岔尖轨不足位移分析及控制尖轨不足位移分析及控制 1 牵引点布置的影响 2 牵引点动程的
7、影响 3 不足位移控制方案 * 滚轮式滑床台 * 凸型滑床台 * 复位弹簧二、二、1 牵引点布置的影响1）设置3个牵引点 固定第一个牵引点和动程（160mm），改变第二和第三个牵引点位置 牵引点位置改变后的动程取方案一无阻尼时各点的扳动位移 相应动程改变时需要考虑最小轮缘槽的要求。 滑动摩擦系数取0.25。 二、二、1 牵引点布置的影响 一、二牵引点间距4200mm时（P5，图9） 适当后移牵引点利于减小最后牵引点与跟端间不足位移适当后移牵引点利于减小最后牵引点与跟端间不足位移 05000100001500020000-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8
8、2.02.22.42.62.83.0尖轨最 大不足 位移（ mm）尖轨位置（ mm）间距4200m 间距4800m 间距5400m间距6000m 一、二牵引点间距4800mm时（P6，图10） 综合上述结果牵引点间距取综合上述结果牵引点间距取4800mm、5400mm为最好为最好。05000100001500020000-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8尖轨不足 位移（ mm）尖轨位置（ mm） 间距4800mm 间距5400mm 间距6000mm2）设置4个牵引点（P7表7） 牵引点间距4800mm、4800mm。前三个牵引点牵引点动程160mm、115mm
9、、70mm。三、四牵引点间距第四牵引点动程一点扳动力P1（N）二点扳动力P2（N）三点扳动力P3（N）四点扳动力P4（N）牵引点最大不足位移（mm）跟端最大不足位移（mm）最小轮缘槽(mm)360032705.37467.211449.71564.70.190.180868.34420026706.85686.781281.32297.50.190.054768.12480022720.65545.811233.72412.80.180.030367.05 设置四个牵引点的均能够消除尖轨跟端不足位移（P7图11） 第三、四个牵引点间距越大，扳动力增大，但都在可接受的范围。 0500010000
10、1500020000-0.050.000.050.100.150.20尖轨不足 位移（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 3600mm 4200mm 4800mm二、2 牵引点动程的影响 牵引点动程对不足位移影响不大，但对扳动力的影响较大，有优化的必要。二、3 不足位移控制方案不足位移控制方案 * 思路：减小摩擦力（减小摩擦系数或正压力） * 方案方案: 1.滚轮（成熟技术，滚动摩擦）滚轮（成熟技术，滚动摩擦） 2.凸型滑床台（作用与滚轮相似，滑动摩擦）凸型滑床台（作用与滚轮相似，滑动摩擦） 3.复位弹簧复位弹簧 4.电磁力：减小正压力电磁力：减小正压力滚轮式滑床台 设置3个滚轮。抬高3mm。 设
11、置4个滚轮。抬高3mm 最后一个滚轮位置： * 限制为动程大于30mm时，需设置在 13340mm以前 * 限制为动程大于40mm时，需设置在 12140mm以前。 表表16 滚轮的设置距尖轨尖端位置滚轮的设置距尖轨尖端位置 (mm)方案编号 第一滚轮位置第二滚轮位置第三滚轮位置一1940556510965二1940556512140三1940556513340最优方案：第一方案滚轮支撑力(N)：1844.2；2201.1；4748.9尖轨抬高后的竖向位移： 方案四：设置方案四：设置4个滚轮个滚轮 滚轮位置：滚轮位置：1340；5565；9740；12740 滚轮支承力：滚轮支承力：1482.
12、4；2794.8；1374.0；4307.8（N） 尖轨抬高后的竖向位移 扳动力和不足位移扳动力和不足位移 集中摩擦力作用于滚轮支撑点，大小等于支撑力与摩擦集中摩擦力作用于滚轮支撑点，大小等于支撑力与摩擦系数（系数（0.05）之积）之积第一牵引点扳动力P1（N）第二牵引点扳动力P2（N）第三牵引点扳动力P3（N）最大不足位移（mm）方案一265.48-305.581874.90.637方案四218.83-246.991645.80.25505000100001500020000-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7不足 位移（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 三个滚轮 四个滚轮
13、设置凸型滑床台设置凸型滑床台 类似滚轮设置，抬起尖轨，将分布的摩擦力会转化为凸型滑床台处集中的摩擦力。 凸型滑床台的摩擦为滑动摩擦，其数值比滚轮大 设置位置应靠近牵引点 分析方法与滚轮同，摩擦系数取0.25设置凸型滑床台设置凸型滑床台 凸型滑床台设计示意图凸型滑床台设计示意图 设置凸型滑床台设置凸型滑床台 三个牵引点时凸型三个牵引点时凸型滑床台的布置台的布置凸型台编号凸型台位置（N） 支撑力（N）摩擦力（N）一7651286.8321.7二55652880.0720.0三109654589.51147.375设置凸型滑床台设置凸型滑床台 不足位移不足位移 0500010000150002000
14、0-0.20.00.20.40.60.81.01.21.4尖轨不足 位移（ mm） 尖轨坐 标 （ mm） 不设凸型台 设置凸型台设置凸型滑床台设置凸型滑床台 四个牵引点时的凸型台的布置四个牵引点时的凸型台的布置 凸型滑床台位置支撑力滚动摩擦力滑动摩擦力一7651240.662.03310.15二55653140.4157.02785.1三103652812.6140.63703.15四151654215.5210.7751053.875设置凸型滑床台设置凸型滑床台 不足位移05000100001500020000-0.050.000.050.100.150.20不足 位移（ mm）尖轨坐 标
15、 （ mm） 不设置凸型滑床台 设置凸型滑床台设置凸型滑床台设置凸型滑床台 凸型滑床台对扳动力的影响凸型滑床台对扳动力的影响方案第一牵引点扳动力第二牵引点扳动力第三牵引点扳动力第四牵引点扳动力总扳动力不设凸型滑床台313.18466.421505.72020.84306.1设凸型滑床台457.45653.121602.92477.75191.17设置凸型滑床台设置凸型滑床台 结论 * 设置凸型滑床台时候尖轨的密贴状态良好，不足位移也明显的减小 * 设置凸型滑床台会导致尖轨扳动力明显增大，但在可接受范围内 * 设置凸型滑床台解决钢轨不足位移是可行方案之一。设置复位弹簧设置复位弹簧 三个牵引点，间
16、距4800mm、5400mm。牵引点动程160mm、115 mm、65 mm， 复位弹簧设在最大不足位移处，距尖轨尖端14540mm处为最大不足位移处 复位弹簧刚度不能太大，要保证最小轮缘槽的宽度。 在计算中无预压力、弹簧刚度分别为30N/mm和40N/mm的两种情况和预加压力1000N、刚度40N/mm的一种，共三种工况。 复位弹簧对扳开后线形影响复位弹簧对扳开后线形影响 05000100001500020000-20020406080100120140160180尖轨位移曲线（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 不设复位弹簧 设置复位弹簧刚度40N/mm 设置复位弹簧刚度40N/mm 预 加压
17、力1000N复位弹簧 复位弹簧对不足位移影响复位弹簧对不足位移影响 05000100001500020000-0.20.00.20.40.60.81.01.21.4尖轨不足 位移（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 不设弹簧 刚度30N/mm 刚度40N/mm 刚度40N/mm 预 压1000N 复位弹簧对扳动力的影响复位弹簧对扳动力的影响 刚度第一牵引点扳动力第二牵引点扳动力第三牵引点扳动力总扳动力最小轮缘槽（mm）0 N/mm712.37294.062831.63838.0371.330N/mm825.98197.053081.54104.5369.840 N/mm824.90198.7633
18、46.04369.6669.240 N/mm、预压1000N861.6127.1523931.44820.16267.6结论结论 设置复位弹簧最不足位移会大幅度减小 复位弹簧使该处动程减小，引起轮缘槽宽度减小，因此，要合理选择弹簧刚度 综合比较，设置复位弹簧也是控制不足位移可行的方案之一。4.电磁力：减小正压力电磁力：减小正压力 用电磁给尖轨或心轨一个上浮力，减小轨与滑床台间的正压力 上浮力50公斤的装置三维最大尺寸约100mm 有安置空间 间距：5至6跨 电源？ 成本：数百元/个四、18号道岔心轨不足位移分析 u=0.25心轨不同牵引点间距下的不足位移心轨不同牵引点间距下的不足位移 计算时未
19、考虑顶铁作用；准确控制安装位置很重要计算时未考虑顶铁作用；准确控制安装位置很重要 02468101214-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.80 间距4800mm 间距4200mm 间距3600mm 牵引点间距与牵引力及不足位移关系牵引点间距第一点牵引力第二点牵引力最大不足位移4800mm-1025.35899.40.224200mm-421.333880.60.52 3600mm-40628470.746 减小不足位移： 1.滚轮（空间不足）滚轮（空间不足） 2.凸型
20、滑床台（空间可能不足）凸型滑床台（空间可能不足） 3.复位弹簧（后端有空间）复位弹簧（后端有空间） 4.电磁力提升：可探讨电磁力提升：可探讨五、五、42号道岔不足位移分析号道岔不足位移分析 尖轨设置六个牵引点： 牵引点间距为5400mm、5400mm、6000mm、6000mm、9000mm。 六个牵引点的动程按线性变化，分别为：160mm、138mm、117mm、93mm、69mm、32mm。 最小轮缘槽67.75mm。 不同摩擦系数下的尖轨不足位移不同摩擦系数下的尖轨不足位移 010000200003000040000500000.00.51.01.52.02.5尖轨不足 位移（ mm）尖
21、轨坐 标 （ mm） 滚轮情况下的间距竖向位移滚轮情况下的间距竖向位移 滚轮抬高为3mm。分别在每个牵引点后的第一个滑床扳位置。五、六牵引点的间距较大，需要在其间滚轮，位置在距尖端27745mm处。可考虑第6牵引点（动程32mm）后再设一个滚轮010000200003000040000500000.00.51.01.52.02.5尖轨不足 位移（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 不设滚轮 设置滚轮在距尖轨尖端28945mm和34945mm的滑床台处分别设置第六、七滚轮，不足位移如下图。（好的方案） 010000200003000040000500000.00.51.01.52.02.5尖轨不足
22、位移（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 不设滚轮 设置滚轮设置七个牵引点设置七个牵引点 牵引点间距：5400、5400、5400、6000、6000、6000mm。 动程按线性变化：160mm、138mm、117mm、95mm、71mm、47mm、23mm 最小轮缘槽67.75mm 牵引力(摩擦系数0.25）： 876.78；606.25；772.12；793.99；1069.9；903.42；1924.9(N)结论：不足位移满足要求。其它措施也可用结论：不足位移满足要求。其它措施也可用尖轨不足位移尖轨不足位移01000020000300004000050000-0.050.000.050.10
23、0.150.200.250.300.350.40尖轨不足 位移（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 42号道岔心轨 3个牵引点。第一点动程50mm,第二、三点动程按线性插值d1=50mm，d2=36mm, d3=19mm 牵引点距: dx1=4800mm, dx2=6000mm0500010000150002000025000-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55心轨不足 位移（ mm）心轨坐 标 （ mm） u=0 u=0.1 u=0.15 u=0.2 u=0.25 牵引点距: dx1=5400mm, dx2=6000mm；动程
24、d1=50mm，d2=35mm, d3=18mm 动程改变能改变牵引力，对不足位移影响不大。 0500010000150002000025000-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45心轨不足 位移（ mm）心轨坐 标 （ mm） u=0 u=0.1 u=0.15 u=0.2 u=0.25六、62号道岔不足位移分析 62号可动心轨单开道岔尖轨尖端距固定位置51745mm，全长54445mm。 8个牵引点间距： 6000mm、6000mm、6000mm、6000mm、6000mm、7200mm、7200mm， 动程按线性变化：160mm、141m
25、m、123mm、104mm、85mm、66mm、44.22mm。 最小轮缘槽65mm，建议牵引点的动程增大。 尖轨不足位移尖轨不足位移 01000020000300004000050000600000.00.20.40.60.81.0尖轨不足 位移（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 0.25 0.05 分别在牵引点后的第一个滑床扳位置设置滚轮，抬高为3mm。除跟端有两个滑床扳与尖轨底面有接触以外，其余的均抬起 牵引力128；278；339；214；262.；370；168；891；2654N不足位移：01000020000300004000050000600000.00.20.40.60.81.
26、0尖轨不足 位移（ mm）尖轨坐 标 （ mm） 不设滚轮 设置滚轮62号道岔心轨号道岔心轨 心轨计算长度28.975m，设置间隔铁数31个，间距0.6米，末端扣件采用线性弹簧约束，顶铁和密贴力采用非线性弹簧模拟。各牵引点同步解锁按比例同步匀速运动并同时到位。 牵引点动程按第一点动程50mm,第二、三、四点动程按直线插值：动程d1=50mm，d2=35mm, d3=24mm, d4=12mm。 牵引点距: dx1=6000mm，dx2=6000mm，dx3=6000mm050001000015000200002500030000-0.10.00.10.20.30.40.50.6心轨不足 位移（
27、 mm）心轨坐 标 （ mm） u=0.25 u=0.20 u=0.15 u=0.10 u=0.00不同摩擦系数情况下的扳动力和不足位移不同摩擦系数情况下的扳动力和不足位移摩擦系数uP1P2P3P4最大不足位移(mm)0.00211.16-800.321815.1-1548.94375.480.0160.10624.741302585.7-532.623873.060.2170.15805.51597.212970.2-24.0554396.9750.3390.201003.61063.13355.2484.245906.140.4510.251201.7 1528.93740.3992.547463.440.563 减小不足位移： 1.滚轮（空间不足）滚轮（空间不足） 2.凸型滑床台（空间可能不足）凸型滑床台（空间可能不足） 3.复位弹簧（后端有空间）复位弹簧（后端有空间） 4.电磁力提升：可探讨电磁力提升：可探讨
