心軌尖軌轉(zhuǎn)換不足位移控制

1、西南交通大學(xué)一、分析模型和評價方法一、分析模型和評價方法二、二、18號道岔尖軌不足位移分析號道岔尖軌不足位移分析 及控制及控制三、三、18號道岔心軌（單肢）不足號道岔心軌（單肢）不足位移分析位移分析四、四、42號道岔號道岔不足位移分析不足位移分析五、五、62 號道岔號道岔不足位移分析不足位移分析一、分析模型和評價方法 1.尖軌分析模型2.心軌分析模型（單肢）3.心軌分析模型（雙肢） 4.不足位移評價方法一、1.尖軌分析模型*長度與牽引點(diǎn)數(shù)量有差別 建立尖軌模型中的基本假定 （1）尖軌為歐拉梁，只在水平面內(nèi)發(fā)生橫向彎曲變形，不考慮軸向力的影響。尖軌整斷面前橫向抗彎剛度為線性變化，整斷面后至跟端為

2、等截面UIC60D軌，跟端后為等截面的普通鋼軌。跟端鋼軌支點(diǎn)處的橫向位移將受到扣件的橫向作用力。在模型中，考慮跟端扣件的橫向剛度，模擬為線性彈簧。 （2）采用分動內(nèi)鎖閉的多機(jī)多點(diǎn)牽引方式。在牽引點(diǎn)位置施加給定動程的位移，各牽引點(diǎn)的扳動力為作用于牽引點(diǎn)處的集中反作用力；牽引點(diǎn)的扳動力為尖軌在該點(diǎn)處扳動力；牽引點(diǎn)總扳動力為各牽引點(diǎn)的扳動力之和。建立尖軌模型中的基本假定 （3）考慮尖軌下面滑床臺的摩擦力。摩擦力視為作用于滑床臺上的集中力，其作用方向總是與尖軌的運(yùn)動方向相反，其大小與該滑床臺支承的鋼軌重量成正比，不隨道岔尖軌位移大小而改變。 （4）用非線性彈簧來模擬基本軌和尖軌尖端的密貼接觸以及頂鐵和

3、尖軌的接觸狀態(tài)。接觸時彈性系數(shù)為基本軌的橫向剛度和頂鐵的橫向剛度。不存在頂鐵和不密貼尖軌部分的非線性彈簧參數(shù)置零，在有位移的情況下沒有反作用的阻力作用。建立尖軌模型中的基本假定 （5）考慮尖軌由貼靠至斥離時，鋼軌中將儲存彎曲變形能，當(dāng)尖軌由斥離至貼靠時，彎曲變形能逐漸釋放，轉(zhuǎn)化為反彈力，作用于鋼軌各節(jié)點(diǎn)之上。 （6）計(jì)算不足位移時，先在無阻尼狀態(tài)下由貼靠扳動至斥離狀態(tài)，然后在有阻尼作用下由斥離狀態(tài)扳動至貼靠狀態(tài)，道岔尖軌扳動后的位置與扳動前的位置相比較，不能夠完全的重合，兩位置之間的間隙為尖軌的不足位移。一、 2. 心軌分析模型（單支）*長度與牽引點(diǎn)數(shù)量有差別 iF jk jk rk iD i

4、Q 建立心軌（單支）模型的基本假定 （1）心軌為截面線性變化的歐拉梁，只在水平面內(nèi)發(fā)生橫向彎曲變形，暫不考慮軸向力的影響。心軌整斷面前橫向抗彎剛度為線性變化，整斷面后至跟端為等截面的UIC60D軌。 （2）采用外鎖閉牽引方式，各扳動力視為作用于枕跨中央的集中力；牽引點(diǎn)的扳動力為心軌在該點(diǎn)處扳動力；各牽引點(diǎn)處動程為已知值，采用已知位移求解反力模型；考慮滑床臺的摩擦力。摩擦力視為作用于滑床臺上的集中力，其作用方向總是與心軌的運(yùn)動方向相反，其大小與該枕跨處鋼軌重量成正比。建立心軌（單支）模型的基本假定 （3）考慮心軌與翼軌間的密貼力，以及頂鐵的頂鐵力。當(dāng)心軌由斥離狀態(tài)扳動至密貼狀態(tài)時，翼軌的軌頭、各

5、頂鐵將阻止心軌的進(jìn)一步扳動，產(chǎn)生密貼力和頂鐵力。假定頂鐵及軌頭密貼區(qū)域?yàn)閯偠容^大的橫向彈簧，當(dāng)發(fā)生接觸時，該彈簧即產(chǎn)生頂鐵力和密貼力。 （4）考慮可動心軌中間隔鐵的作用力。將間隔鐵視為剛度較大的橫向彈簧，聯(lián)結(jié)于長短可動心軌間、心軌與翼軌末端。建立心軌（單支）模型的基本假定 （5）模型中假定為約束長心軌跟端所有橫向自由度；長短心軌間連接，尖端是用螺栓，后部是用間隔鐵。本模型中假定為兩心軌固定聯(lián)結(jié)；短心軌跟端與后部鋼軌聯(lián)結(jié)分別討論以下三種情況：完全自由、約束單一點(diǎn)Y方向位移、約束多點(diǎn)Y方向位移。 (6) 心軌的不足位移即是心軌在實(shí)際工作狀態(tài)與理想無摩擦力狀態(tài)鋼軌各個部位的位移差，在本計(jì)算中，將心軌

6、在無摩擦力情況下，扳動到工作狀態(tài)，然后將其在有摩擦力作用下反向扳回，心軌各個部位位移與理想位移的差值即是心軌不足位移。一、 3.心軌分析模型（雙肢）*長度與牽引點(diǎn)數(shù)量有差別 雙支彈性可彎心軌模型的基本假定和單支彈性可彎相似，除在結(jié)構(gòu)和約束條件上，雙支都采用和長心軌一樣的約束條件。一、 4.不足位移評價方法 1）在無阻尼情況由貼靠扳動至斥離狀態(tài) 2）在有阻尼情況由斥離扳動至貼靠狀態(tài),考 慮尖軌尖端密貼力和牽引點(diǎn)與跟端之間頂鐵阻力的作用。 3）貼靠前后兩種狀態(tài)的位移差值為心軌或尖軌的不足位移。 二、二、18號號道岔尖軌不足位移分析及控制尖軌不足位移分析及控制 1 牽引點(diǎn)布置的影響 2 牽引點(diǎn)動程的

7、影響 3 不足位移控制方案 * 滾輪式滑床臺 * 凸型滑床臺 * 復(fù)位彈簧二、二、1 牽引點(diǎn)布置的影響1）設(shè)置3個牽引點(diǎn) 固定第一個牽引點(diǎn)和動程（160mm），改變第二和第三個牽引點(diǎn)位置 牽引點(diǎn)位置改變后的動程取方案一無阻尼時各點(diǎn)的扳動位移 相應(yīng)動程改變時需要考慮最小輪緣槽的要求。 滑動摩擦系數(shù)取0.25。 二、二、1 牽引點(diǎn)布置的影響 一、二牽引點(diǎn)間距4200mm時（P5，圖9） 適當(dāng)后移牽引點(diǎn)利于減小最后牽引點(diǎn)與跟端間不足位移適當(dāng)后移牽引點(diǎn)利于減小最后牽引點(diǎn)與跟端間不足位移 05000100001500020000-0.4-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8

8、2.02.22.42.62.83.0尖軌最 大不足 位移（ mm）尖軌位置（ mm）間距4200m 間距4800m 間距5400m間距6000m 一、二牽引點(diǎn)間距4800mm時（P6，圖10） 綜合上述結(jié)果牽引點(diǎn)間距取綜合上述結(jié)果牽引點(diǎn)間距取4800mm、5400mm為最好為最好。05000100001500020000-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8尖軌不足 位移（ mm）尖軌位置（ mm） 間距4800mm 間距5400mm 間距6000mm2）設(shè)置4個牽引點(diǎn)（P7表7） 牽引點(diǎn)間距4800mm、4800mm。前三個牽引點(diǎn)牽引點(diǎn)動程160mm、115mm

9、、70mm。三、四牽引點(diǎn)間距第四牽引點(diǎn)動程一點(diǎn)扳動力P1（N）二點(diǎn)扳動力P2（N）三點(diǎn)扳動力P3（N）四點(diǎn)扳動力P4（N）牽引點(diǎn)最大不足位移（mm）跟端最大不足位移（mm）最小輪緣槽(mm)360032705.37467.211449.71564.70.190.180868.34420026706.85686.781281.32297.50.190.054768.12480022720.65545.811233.72412.80.180.030367.05 設(shè)置四個牽引點(diǎn)的均能夠消除尖軌跟端不足位移（P7圖11） 第三、四個牽引點(diǎn)間距越大，扳動力增大，但都在可接受的范圍。 0500010000

10、1500020000-0.050.000.050.100.150.20尖軌不足 位移（ mm）尖軌坐 標(biāo) （ mm） 3600mm 4200mm 4800mm二、2 牽引點(diǎn)動程的影響 牽引點(diǎn)動程對不足位移影響不大，但對扳動力的影響較大，有優(yōu)化的必要。二、3 不足位移控制方案不足位移控制方案 * 思路：減小摩擦力（減小摩擦系數(shù)或正壓力） * 方案方案: 1.滾輪（成熟技術(shù)，滾動摩擦）滾輪（成熟技術(shù)，滾動摩擦） 2.凸型滑床臺（作用與滾輪相似，滑動摩擦）凸型滑床臺（作用與滾輪相似，滑動摩擦） 3.復(fù)位彈簧復(fù)位彈簧 4.電磁力：減小正壓力電磁力：減小正壓力滾輪式滑床臺 設(shè)置3個滾輪。抬高3mm。 設(shè)

11、置4個滾輪。抬高3mm 最后一個滾輪位置： * 限制為動程大于30mm時，需設(shè)置在 13340mm以前 * 限制為動程大于40mm時，需設(shè)置在 12140mm以前。 表表16 滾輪的設(shè)置距尖軌尖端位置滾輪的設(shè)置距尖軌尖端位置 (mm)方案編號 第一滾輪位置第二滾輪位置第三滾輪位置一1940556510965二1940556512140三1940556513340最優(yōu)方案：第一方案滾輪支撐力(N)：1844.2；2201.1；4748.9尖軌抬高后的豎向位移： 方案四：設(shè)置方案四：設(shè)置4個滾輪個滾輪 滾輪位置：滾輪位置：1340；5565；9740；12740 滾輪支承力：滾輪支承力：1482.

12、4；2794.8；1374.0；4307.8（N） 尖軌抬高后的豎向位移 扳動力和不足位移扳動力和不足位移 集中摩擦力作用于滾輪支撐點(diǎn)，大小等于支撐力與摩擦集中摩擦力作用于滾輪支撐點(diǎn)，大小等于支撐力與摩擦系數(shù)（系數(shù)（0.05）之積）之積第一牽引點(diǎn)扳動力P1（N）第二牽引點(diǎn)扳動力P2（N）第三牽引點(diǎn)扳動力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）尖軌坐 標(biāo) （ mm） 三個滾輪 四個滾輪

13、設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺 類似滾輪設(shè)置，抬起尖軌，將分布的摩擦力會轉(zhuǎn)化為凸型滑床臺處集中的摩擦力。 凸型滑床臺的摩擦為滑動摩擦，其數(shù)值比滾輪大 設(shè)置位置應(yīng)靠近牽引點(diǎn) 分析方法與滾輪同，摩擦系數(shù)取0.25設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺 凸型滑床臺設(shè)計(jì)示意圖凸型滑床臺設(shè)計(jì)示意圖 設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺 三個牽引點(diǎn)時凸型三個牽引點(diǎn)時凸型滑床臺的布置臺的布置凸型臺編號凸型臺位置（N） 支撐力（N）摩擦力（N）一7651286.8321.7二55652880.0720.0三109654589.51147.375設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺 不足位移不足位移 0500010000150002000

14、0-0.20.00.20.40.60.81.01.21.4尖軌不足 位移（ mm） 尖軌坐 標(biāo) （ mm） 不設(shè)凸型臺 設(shè)置凸型臺設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺 四個牽引點(diǎn)時的凸型臺的布置四個牽引點(diǎn)時的凸型臺的布置 凸型滑床臺位置支撐力滾動摩擦力滑動摩擦力一7651240.662.03310.15二55653140.4157.02785.1三103652812.6140.63703.15四151654215.5210.7751053.875設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺 不足位移05000100001500020000-0.050.000.050.100.150.20不足 位移（ mm）尖軌坐 標(biāo)

15、 （ mm） 不設(shè)置凸型滑床臺 設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺 凸型滑床臺對扳動力的影響凸型滑床臺對扳動力的影響方案第一牽引點(diǎn)扳動力第二牽引點(diǎn)扳動力第三牽引點(diǎn)扳動力第四牽引點(diǎn)扳動力總扳動力不設(shè)凸型滑床臺313.18466.421505.72020.84306.1設(shè)凸型滑床臺457.45653.121602.92477.75191.17設(shè)置凸型滑床臺設(shè)置凸型滑床臺 結(jié)論 * 設(shè)置凸型滑床臺時候尖軌的密貼狀態(tài)良好，不足位移也明顯的減小 * 設(shè)置凸型滑床臺會導(dǎo)致尖軌扳動力明顯增大，但在可接受范圍內(nèi) * 設(shè)置凸型滑床臺解決鋼軌不足位移是可行方案之一。設(shè)置復(fù)位彈簧設(shè)置復(fù)位彈簧 三個牽引點(diǎn)，間

16、距4800mm、5400mm。牽引點(diǎn)動程160mm、115 mm、65 mm， 復(fù)位彈簧設(shè)在最大不足位移處，距尖軌尖端14540mm處為最大不足位移處 復(fù)位彈簧剛度不能太大，要保證最小輪緣槽的寬度。 在計(jì)算中無預(yù)壓力、彈簧剛度分別為30N/mm和40N/mm的兩種情況和預(yù)加壓力1000N、剛度40N/mm的一種，共三種工況。 復(fù)位彈簧對扳開后線形影響復(fù)位彈簧對扳開后線形影響 05000100001500020000-20020406080100120140160180尖軌位移曲線（ mm）尖軌坐 標(biāo) （ mm） 不設(shè)復(fù)位彈簧 設(shè)置復(fù)位彈簧剛度40N/mm 設(shè)置復(fù)位彈簧剛度40N/mm 預(yù) 加壓

17、力1000N復(fù)位彈簧 復(fù)位彈簧對不足位移影響復(fù)位彈簧對不足位移影響 05000100001500020000-0.20.00.20.40.60.81.01.21.4尖軌不足 位移（ mm）尖軌坐 標(biāo) （ mm） 不設(shè)彈簧 剛度30N/mm 剛度40N/mm 剛度40N/mm 預(yù) 壓1000N 復(fù)位彈簧對扳動力的影響復(fù)位彈簧對扳動力的影響 剛度第一牽引點(diǎn)扳動力第二牽引點(diǎn)扳動力第三牽引點(diǎn)扳動力總扳動力最小輪緣槽（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、預(yù)壓1000N861.6127.1523931.44820.16267.6結(jié)論結(jié)論 設(shè)置復(fù)位彈簧最不足位移會大幅度減小 復(fù)位彈簧使該處動程減小，引起輪緣槽寬度減小，因此，要合理選擇彈簧剛度 綜合比較，設(shè)置復(fù)位彈簧也是控制不足位移可行的方案之一。4.電磁力：減小正壓力電磁力：減小正壓力 用電磁給尖軌或心軌一個上浮力，減小軌與滑床臺間的正壓力 上浮力50公斤的裝置三維最大尺寸約100mm 有安置空間 間距：5至6跨 電源？ 成本：數(shù)百元/個四、18號道岔心軌不足位移分析 u=0.25心軌不同牽引點(diǎn)間距下的不足位移心軌不同牽引點(diǎn)間距下的不足位移 計(jì)算時未

19、考慮頂鐵作用；準(zhǔn)確控制安裝位置很重要計(jì)算時未考慮頂鐵作用；準(zhǔn)確控制安裝位置很重要 02468101214-0.15-0.10-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.80 間距4800mm 間距4200mm 間距3600mm 牽引點(diǎn)間距與牽引力及不足位移關(guān)系牽引點(diǎn)間距第一點(diǎn)牽引力第二點(diǎn)牽引力最大不足位移4800mm-1025.35899.40.224200mm-421.333880.60.52 3600mm-40628470.746 減小不足位移： 1.滾輪（空間不足）滾輪（空間不足） 2.凸型

20、滑床臺（空間可能不足）凸型滑床臺（空間可能不足） 3.復(fù)位彈簧（后端有空間）復(fù)位彈簧（后端有空間） 4.電磁力提升：可探討電磁力提升：可探討五、五、42號道岔不足位移分析號道岔不足位移分析 尖軌設(shè)置六個牽引點(diǎn)： 牽引點(diǎn)間距為5400mm、5400mm、6000mm、6000mm、9000mm。 六個牽引點(diǎn)的動程按線性變化，分別為：160mm、138mm、117mm、93mm、69mm、32mm。 最小輪緣槽67.75mm。 不同摩擦系數(shù)下的尖軌不足位移不同摩擦系數(shù)下的尖軌不足位移 010000200003000040000500000.00.51.01.52.02.5尖軌不足 位移（ mm）尖

21、軌坐 標(biāo) （ mm） 滾輪情況下的間距豎向位移滾輪情況下的間距豎向位移 滾輪抬高為3mm。分別在每個牽引點(diǎn)后的第一個滑床扳位置。五、六牽引點(diǎn)的間距較大，需要在其間滾輪，位置在距尖端27745mm處。可考慮第6牽引點(diǎn)（動程32mm）后再設(shè)一個滾輪010000200003000040000500000.00.51.01.52.02.5尖軌不足 位移（ mm）尖軌坐 標(biāo) （ mm） 不設(shè)滾輪 設(shè)置滾輪在距尖軌尖端28945mm和34945mm的滑床臺處分別設(shè)置第六、七滾輪，不足位移如下圖。（好的方案） 010000200003000040000500000.00.51.01.52.02.5尖軌不足

22、位移（ mm）尖軌坐 標(biāo) （ mm） 不設(shè)滾輪 設(shè)置滾輪設(shè)置七個牽引點(diǎn)設(shè)置七個牽引點(diǎn) 牽引點(diǎn)間距：5400、5400、5400、6000、6000、6000mm。 動程按線性變化：160mm、138mm、117mm、95mm、71mm、47mm、23mm 最小輪緣槽67.75mm 牽引力(摩擦系數(shù)0.25）： 876.78；606.25；772.12；793.99；1069.9；903.42；1924.9(N)結(jié)論：不足位移滿足要求。其它措施也可用結(jié)論：不足位移滿足要求。其它措施也可用尖軌不足位移尖軌不足位移01000020000300004000050000-0.050.000.050.10

23、0.150.200.250.300.350.40尖軌不足 位移（ mm）尖軌坐 標(biāo) （ mm） 42號道岔心軌 3個牽引點(diǎn)。第一點(diǎn)動程50mm,第二、三點(diǎn)動程按線性插值d1=50mm，d2=36mm, d3=19mm 牽引點(diǎn)距: dx1=4800mm, dx2=6000mm0500010000150002000025000-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55心軌不足 位移（ mm）心軌坐 標(biāo) （ mm） u=0 u=0.1 u=0.15 u=0.2 u=0.25 牽引點(diǎn)距: dx1=5400mm, dx2=6000mm；動程

24、d1=50mm，d2=35mm, d3=18mm 動程改變能改變牽引力，對不足位移影響不大。 0500010000150002000025000-0.050.000.050.100.150.200.250.300.350.400.45心軌不足 位移（ mm）心軌坐 標(biāo) （ mm） u=0 u=0.1 u=0.15 u=0.2 u=0.25六、62號道岔不足位移分析 62號可動心軌單開道岔尖軌尖端距固定位置51745mm，全長54445mm。 8個牽引點(diǎn)間距： 6000mm、6000mm、6000mm、6000mm、6000mm、7200mm、7200mm， 動程按線性變化：160mm、141mm、123mm、104mm、85mm、66mm、44.22mm。 最小輪緣槽65mm，建議牽引點(diǎn)的動程增大。 尖軌不足位移尖軌不足位移 01000020000300004000050000600000.00.20.40.60.81.0尖軌不足 位移（ mm）尖軌坐 標(biāo) （ mm） 0.25 0.05 分別在牽引點(diǎn)后的第一個滑床扳位置設(shè)置滾輪，抬高為3mm。除跟端有兩個滑床扳與尖軌底面