道岔捣固车起道作业对道岔受力和变形的影响

朱松志

摘要：近年来，我国对国外大型养路机械进行了引进、消化吸收及国产化，使铁路工务系统的作业方式和维修体制发生了根本性变革，大型养路机械己成为确保线路安全运营必不可少的现代装备。大型养路机械主要是指养护、维修、整修铁路线路的机械设备，可完成线路道砟清筛、道砟捣固密室、道床震动稳定、道床整形、钢轨打磨、路基处理、物料运输、快速换轨、作业检测等工作内容。大型养路机械既具备类似机车的自行和连挂运行性能，又具有满足线路修理规范标准的功能，显著提高了线路养护维修的质量和效率，减少了施工生产中的安全事故，缓解了施工与运行之间的矛盾。

关键词：道岔捣固车；起道力；起道方式；道岔；受力；变形；

一、道岔捣固车的作业类型

1.捣固、夯实作业。该道岔捣固车的捣固装置和夯实装置是同步作业的。捣固装置用于捣固钢轨两侧的枕底道砟，提高枕底道砟的密实度，并与起拨道装置相配合，消除轨道的高低不平顺，增强轨道的稳定性。夯实装置安装于后转向架上，通过对道床肩部石砟进行夯实，提高道床肩部的石砟密实度，以增大道床的横向阻力。道岔捣固车既可进行常规的两轨捣固，又可把４个捣固框架滑移、旋转到道岔另一股线路上，完成四轨捣固。在对道岔的辙叉、尖轨曲向可弯部分作业时，应适当增加捣固次数；对受条件限制不能同时捣固的曲股，可采用小型机械捣固相配合。捣固、夯实作业主要对道床的纵、横向阻力影响较大，对道岔结构的受力和变形影响在轨道结构的承载能力以内。

2.拨道作业。起、拨道装置由左、右２套夹轨钳、２套提轨钩以及２组拨道轮组成，分别作用于正线的两轨上，完成起、拨道作业，消除轨道的方向、水平偏差，确保行车安全。起、拨道装置虽可单独进行起道或拨道作业，但实际作业中，为减小拨道阻力，在无起道量的单项拨道时，也要设置约10ｍｍ的起道量，且岔区单次拨道量不超过20ｍｍ。因此，拨道作业所需的拨道力较小，对道岔结构的受力和变形影响不大，故本文不对拨道作业进行研究。

3.起道作业。捣固车在道岔直股作业时，可用起道夹钳夹住轨头，或在转辙器区域、辙叉区域用起道钩钩住基本轨或翼轨底部施加起道力，提起轨排，该方式被称为正线起道。第３轨辅助起道装置位于正线起道装置前方1696～1880ｍｍ范围，由可调节的伸缩臂和夹轨钳组成，作业时其伸缩臂外伸到道岔侧股的第３轨或第４轨对其施加起道力。该装置可在离正线线路中线1750～3300ｍｍ范围内作业，在12号、18号和30号右开道岔的具体作业范围，岔枕编号顺序是以岔前轨缝后第１根岔枕开始，每根岔枕的平均间距为600ｍｍ，道岔号码越大，岔枕越多。利用第３轨起道装置配合正线起道装置共同完成起道作业的方式被称为三轨起道方式。在捣固车完成起道作业较为困难的区域，可在正线起道装置右侧第４轨的相应位置人工使用液压起道器施加起道力，配合捣固车正线的起道作业，该方式被称为人工辅助起道。现场调查发现，CDC－16型道岔捣固车在岔区作业时，存在起道设备动力不足、起道作业方式仅凭现场人员的经验选取等问题。因此，基于有限元法，分别建立起道时12号、18号和30号道岔的受力分析模型，计算捣固车在岔区不同枕位以不同起道方式进行作业所需的起道力，分析不同起道方式对道岔受力和变形的影响，为现场起道方式的选择提供理论参考。由于12号和18号道岔为最常见道岔。

二、不同起道方式对道岔结构的影响

1.对钢轨的影响。起道作业使钢轨发生垂向弯曲。如果钢轨容许应力取352ＭＰａ，则钢轨垂向弯曲所能承受的最大弯矩为119ｋＮ·ｍ。起道量分别取50和30ｍｍ，在12号和18号道岔的不同枕位以不同起道方式作业时，在起道量为50和30ｍｍ的情况下，采用这３种起道方式钢轨承受的最大弯矩均在其可承受范围内，30号道岔亦如此；钢轨承受的弯矩主要由起道量控制，受起道方式的影响不大。

2.对岔枕的影响。与提速道岔配套的混凝土岔枕通常为单一截面形状，无轨下、中间截面之分，因此结合岔枕主要参数，正弯矩为37.08ｋＮ·ｍ，负弯矩为30.15ｋＮ·ｍ。Ｍ为弯矩设计值；α１为系数；ｆｃ为混凝土抗压强度设计值；ｂ为矩形截面的宽度；ｘ为混凝土受压区高度；ｈ０为截面有效高度；ｆｙ和ｆ′ｙ分别为钢筋的抗拉和抗压强度设计值；Ａｓ和Ａ′ｓ分别为受拉区和受压区纵向非预应力钢筋的截面面积；ｆｐｙ和ｆ′ｐｙ分别为预应力钢筋的抗拉和抗压强度设计值；Ａｐ和Ａ′ｐ分别为受拉区和受压区纵向预应力钢筋的截面面积；σ′ｐ０为受压区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力钢筋应力；ａ′ｓ和ａ′ｐ分别为受压区纵向普通钢筋和预应力钢合力点至截面受压边缘的距离。在辙叉分岔后第３和第４根直股短轨枕，即12号道岔的78＃—79＃岔枕（长2.45ｍ）和18号道岔的111＃岔枕（长2.45ｍ）进行起道作业时，若对侧股短轨枕进行人工辅助起道，会使最后一根长岔枕（12号道岔的75＃岔枕和18号道岔的108＃岔枕）产生较大的正弯矩，但并未超过岔枕的承载能力；除此之外，在其他枕位采用这３种起道方式进行作业，岔枕承受的正弯矩均较小。起道量为5ｍｍ时，在转辙器和连接部分进行起道作业时，由于岔枕较短，产生的负弯矩较小；在辙叉区域长岔枕和岔后直股短轨枕区域，即12号道岔的67＃—76＃岔枕和18号道岔的97＃—109＃岔枕（长枕长4.5～4.8ｍ，短枕长2.45ｍ）处进行正线起道作业时，长岔枕左侧在起道力作用下提升，右侧需克服自重和侧线钢轨重力才能提升，这种不均匀的受力情况会使长岔枕中部产生极大的负弯矩，导致岔枕上侧开裂；采用三轨起道方式可缓解岔枕受力不对称的情况，但在12号道岔的75＃岔枕（长4.8ｍ）和76＃岔枕（长2.45ｍ）与18号道岔的108＃岔枕（长4.8ｍ）和109＃岔枕（长2.45ｍ）仍存在岔枕负弯矩超限的情况；人工辅助起道可使岔枕受力均匀，避免了岔枕负弯矩超限的问题。

3.对扣件的影响。起道作业会使部分扣件承受上拔力，其中右侧起道点下方的扣件所受上拔力最大。按设计规范弹条Ⅱ型扣件的连接件抗拔力不小于60ｋＮ。当起道量为50ｍｍ时，在12号道岔的74＃—76＃岔枕（长48和2.45ｍ）及18号道岔的108＃岔枕（长4.8）和109＃岔枕（长2.45ｍ）进行正线起道作业时，道岔分岔区域岔枕的长度最长，轨道结构自重大，易导致起道过程中扣件受到的上拔力大于60ｋＮ而造成连接件破坏；采用三轨起道方式作业，或人工辅助起道，岔枕受力较为均匀，可将扣件最大上拔力控制在强度范围内。起道量为30ｍｍ时，在12号道岔的75＃岔枕（长4.8ｍ）和18号道岔的108＃岔枕（长4.8ｍ）进行正线起道作业时，扣件上拔力超过连接件抗拔力。30号道岔采用正线起道方式作业时，在183＃—187＃岔枕（长4.72和2.41ｍ）区域起道50ｍｍ或在185＃岔枕（长4.72ｍ）起道30ｍｍ时扣件承受的上拔力大于60ｋＮ，其余工况的扣件上拔力均在承载能力60ｋＮ以下。综上，起道作业对扣件上拔力的影响与对岔枕负弯矩的影响相似。因此，应正确选取起道方式以保证扣件不被破坏。

总之，采用较小的单次起道量虽然可以缓解捣固车作业能力不足和轨道部件承载能力不足的问题，但会降低作业效率，因此推荐单次起道量为15-30ｍｍ。

参考文献：

［１］刘芳．铁路大型养路机械的发展历程及展望.2019.

［2］张玉华．浅谈道岔捣固车起道作业对道岔受力和变形的影响．2018.