CN111353207A - 一种道岔区域扣件刚度均匀化设计方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种道岔区域扣件刚度均匀化设计方法和系统，其中钢轨的位移与受力点载荷和受力面积相关，通过控制各钢轨扣压点位移相同保证刚度均匀性。使用上述方法的系统包括扣件本体和钢轨下部的弹性层，所述弹性层上设置弹性结构单元，所述弹性结构单元提供扣件的弹性和刚度。本发明所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计方法不仅适用于双层可拆卸扣件，而且同样适用于单层分离式扣件，不仅可用于扣件的中间弹性层，也可用于轨下弹性垫，有效保证道岔区域减振性能的同时，保持不同区域的刚度一致性，提高车辆过岔区的平顺性，减小钢轨磨耗程度，降低道岔区域养护成本，提高乘车舒适性。

Description

一种道岔区域扣件刚度均匀化设计方法和系统
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，尤其涉及一种道岔区域扣件刚度均匀化设计方法和系统。
背景技术
我国目前的道岔扣件主要有两种结构型式，分别是硫化式道岔扣件和单层铁垫板道岔扣件。
单层铁垫板道岔扣件即采用单层铁垫板作为钢轨连接和承载部件，铁垫板下铺设弹性减振单元。硫化式道岔扣件分为整体硫化式与硫化底座+铁垫板式扣件两种。整体硫化式即将道岔铁垫板与弹性材料整体硫化为一体，铁垫板上设置与钢轨的连接机构，利用弹性材料起减振作用。硫化底座+铁垫板式扣件即采用硫化粘接型的减振底座作为减振单元，采用道岔扣件铁垫板作为钢轨联结单元。
由于道岔区域结构较为复杂，钢轨出现并行、交错等多种形式，在钢轨交错区域，相邻扣件上钢轨间距均不同，根据线路设计特点，对应的扣件的设计长度不一，单个扣件上承载的钢轨数量不同，且钢轨扣压点也不一样。若扣件的刚度设计不合理，则列车经过岔区时，道岔区域沿钢轨横向、纵向均存在刚度不均匀性，列车经过扣压点时的位移量不均匀，由此会带来列车运行平稳性差、钢轨磨耗程度不一、道岔区域养护量大、乘坐舒适性差等系列问题。简单地控制钢轨扣件的整体刚度对线路刚度均匀性意义不大，需要保证钢轨扣压点处纵向、横向的刚度均匀，才可保证道岔区域线路的刚度均匀性。
随着城市轨道交通的快速发展，道岔区域刚度均匀化设计已引起越来越多建设单位、运营单位的重视。目前市场采用的上述扣件型式在生产实施及现场使用过程中均未实现刚度均匀化设计。
在专利(ZL201220682492.3)中，提出了一种用于普通轨道路段的易拆卸分离式双层减振扣件。该结构采用上下铁垫板自锁连接，易拆卸、制造简单，但未涉及道岔减振路段，也未提及如何解决道岔区域刚度均匀化设计问题。
在专利(ZL201420515221.8)中，提出一种减振道岔基座系统。该系统重点解决了零部件更换问题，但是其采用了三层铁垫板结构，成本高、零部件多、结构复杂，也未提及如何解决道岔区域刚度均匀性问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种道岔区域扣件刚度均匀化设计方法，以解决现有技术中列车经过道岔区域时运行平稳性差、钢轨磨耗程度不一、道岔区域养护量大、乘坐舒适性差等系列问题
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种道岔区域扣件刚度均匀化设计方法，其中钢轨的位移与受力点载荷和受力面积相关，通过控制各钢轨扣压点位移相同保证刚度均匀性。
进一步的，所述道岔区域扣件刚度均匀化设计方法包括如下步骤：
(1)根据列车运行工况计算单个扣件整体所受载荷；
(2)根据项目要求或安全及减振量要求确定扣件受压点刚度范围；
(3)根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围确定扣件整体刚度；
(4)根据车辆运行工况下扣件节点载荷和扣件整体刚度确定整体有效受压面积；
(5)根据扣件受压点刚度和整体有效受压面积确定弹性结构的数量和排布。
进一步的，当扣件的弹性层只有一层时，所述扣件受压点刚度范围为弹性层受压点刚度范围；当扣件的弹性层超过一层时，则可根据扣件受压点刚度和弹性层已知刚度计算出扣件受压点刚度范围。
进一步的，根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围确定扣件整体刚度的计算方法如下：
Figure BDA0001916449710000031
其中kl为受压点刚度，k0为整体刚度，l1为受压点到扣件边缘的距离，l0为扣件整体长度。
进一步的，a的取值范围为1.80～2.10，b的取值范围为0.05～0.20。
本发明还提供了一种道岔区域扣件刚度均匀化设计系统，使用上述的道岔区域扣件刚度均匀化设计方法，所述系统包括扣件本体和钢轨下部的弹性层，所述弹性层上设置弹性结构单元，所述弹性结构单元提供扣件的弹性和刚度。
进一步的，所述弹性结构单元设置在弹性层的同一个受力面或两个受力面。
进一步的，所述弹性结构单元设置为一个或多个凸起或凹陷的结构。
进一步的，所述弹性结构单元根据不同位置处的载荷确定排列位置及数量。
进一步的，所述弹性层包括轨下弹性垫和中间弹性层。
相对于现有技术，本发明所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计方法和系统具有以下优势：
(1)本发明所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计方法不仅适用于双层可拆卸扣件，而且同样适用于单层分离式扣件，不仅可用于扣件的中间弹性层，也可用于轨下弹性垫，有效保证道岔区域减振性能的同时，保持不同区域的刚度一致性，提高车辆过岔区的平顺性，减小钢轨磨耗程度，降低道岔区域养护成本，提高乘车舒适性。
(2)本发明所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计系统结构简单，适用范围广泛，便于加工和维修更换，且能有效保证道岔区域减振性能的同时，保持不同区域的刚度一致性，提高车辆过岔区的平顺性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的钉柱式垫板结构示意图；
图2为本发明实施例所述的沟槽式垫板结构示意图；
图3为本发明实施例所述的立柱式垫板结构示意图。
附图标记名称：
1-垫板本体，2-钉柱，3-沟槽，4-立柱
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供了一种道岔区域扣件刚度均匀化设计方法和系统，所述系统包括扣件本体和钢轨下部的弹性层，通过扣件本体和钢轨下部的弹性层形成一个整体的扣件，进而对钢轨进行减震。在所述弹性层上设置弹性结构单元，所述弹性结构单元提供扣件的弹性和刚度，且根据不同位置处的载荷确定弹性结构单元的排列位置以及数量。
对于非粘接型钢轨扣件普遍包含两个弹性层，分别为轨下弹性垫和中间弹性层。在轨道运输中，为保证车辆运行平稳性，轨下弹性垫的刚度普遍较高，通常取在80-200kN/mm范围，且轨下弹性垫采用标准或制式结构，因此道岔扣件的弹性及刚度贡献由中间弹性层提供，本发明设计方法也主要针对中间弹性层，特殊情况下可用于轨下弹性垫。
进一步的，所述弹性结构单元设置在弹性层的同一面或两个受力面，保证弹性层各个角度的刚度尽量均匀，提高扣件整体刚度的均匀程度。
进一步的，所述弹性结构单元设置为一个或多个凸起或凹陷的结构，优选的，弹性结构单元可以设置为钉柱、沟槽或者立柱等凸起或凹陷结构，且同一个弹性层中凸起或凹陷结构可以设置中的一种或多种，且凸起或凹陷结构的数量也可以设置为一个或多个。
进一步的，钢轨的位移与受力点载荷和受力面积相关，通过控制各钢轨扣
压点位移相同保证刚度均匀性，本发明所述的钢轨扣件刚度均匀化设计方法具体包括如下步骤：
(1)根据列车运行工况计算单个扣件整体所受载荷；
(2)根据项目要求或安全及减振量要求确定扣件受压点刚度范围；
(3)根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围确定扣件整体刚度；
(4)根据车辆运行工况下扣件节点载荷和扣件整体刚度确定整体有效受压面积；
(5)根据扣件受压点刚度和整体有效受压面积确定弹性结构的数量和排布。
其中，当扣件的弹性层只有一层时，所述扣件受压点刚度范围为弹性层受压点刚度范围；当扣件的弹性层超过一层时，则可根据扣件受压点刚度和弹性层已知刚度计算出扣件受压点刚度范围。
进一步的，根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围确定扣件整体刚度的计算方法如下：
Figure BDA0001916449710000051
其中kl为受压点刚度，k0为整体刚度，l1为受压点到扣件边缘的距离，l0为扣件整体长度。
进一步的，所述参数a取值范围为1.80～2.10，参数b的取值范围为0.05～0.20。
进一步的，所述道岔区域钢轨扣件刚度均匀化设计方法不仅适用于双层可拆卸扣件，而且同样适用于单层分离式扣件，不仅可用于扣件的中间弹性层，也可用于轨下弹性垫，有效保证道岔区域减振性能的同时，保持不同区域的刚度一致性，提高车辆过岔区的平顺性，减小钢轨磨耗程度，降低道岔区域养护成本，提高乘车舒适性。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种道岔区域扣件刚度均匀化设计系统和方法，包括扣件本体和钢轨下部的弹性层，所述弹性层包括轨下弹性垫和中心弹性层，所述弹性层设置为钉柱式垫板，即在垫板本体1的中间设置多个凸起的钉柱2作为弹性结构单元，所述钉柱式弹性结构单元用于提供扣件的弹性和刚度，且根据弹性层上不同位置处的载荷确定钉柱式弹性结构单元的排列位置以及数量，例如钉柱式弹性结构单元可以设置在弹性层的同一受力面或者两个受力面，保证弹性层各个角度的刚度尽量均匀，提高扣件整体刚度的均匀程度。
具体的，弹性层上钉柱的排列和数量根据如下步骤设置：
(1)根据列车运行工况计算单个扣件整体所受载荷；
(2)根据项目要求或安全及减振量要求确定扣件受压点刚度范围；
当扣件的弹性层只有一层时，所述扣件受压点刚度范围为弹性层受压点刚度范围；当扣件的弹性层超过一层时，则可根据扣件受压点刚度和弹性层已知刚度计算出扣件受压点刚度范围。
(3)根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围计算扣件整体刚度，计算公式为：
Figure BDA0001916449710000061
其中，kl为受压点刚度，k0为整体刚度，l1为受压点到扣件边缘的距离，l0为扣件整体长度。
(4)根据车辆运行工况下扣件节点载荷和扣件整体刚度确定整体有效受压面积；
(5)根据扣件受压点刚度和整体有效受压面积确定钉柱式弹性结构的数量和排布。
本实施例设置沟槽式垫板作为弹性层，结构简单，适用范围广泛，便于加工，且能有效保证道岔区域减振性能的同时，保持不同区域的刚度一致性，提高车辆过岔区的平顺性。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种道岔区域扣件刚度均匀化设计系统和方法，包括扣件本体和钢轨下部的弹性层，所述弹性层包括轨下弹性垫和中心弹性层，所述弹性层设置为沟槽式垫板，即在垫板本体1上设置一条或多条凹陷的沟槽2作为弹性结构单元，所述沟槽式弹性结构单元用于提供扣件的弹性和刚度，且根据弹性层上不同位置处的载荷确定沟槽式弹性结构单元的排列位置以及数量，例如沟槽式式弹性结构单元可以设置在弹性层的同一受力面或者两个受力面，保证弹性层各个角度的刚度尽量均匀，提高扣件整体刚度的均匀程度。
具体的，弹性层上沟槽式的排列和数量根据如下步骤设置：
(1)根据列车运行工况计算单个扣件整体所受载荷；
(2)根据项目要求或安全及减振量要求确定扣件受压点刚度范围；
当扣件的弹性层只有一层时，所述扣件受压点刚度范围为弹性层受压点刚度范围；当扣件的弹性层超过一层时，则可根据扣件受压点刚度和弹性层已知刚度计算出扣件受压点刚度范围。
(3)根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围计算扣件整体刚度，计算公式为：
Figure BDA0001916449710000071
其中，kl为受压点刚度，k0为整体刚度，l1为受压点到扣件边缘的距离，l0为扣件整体长度。
(4)根据车辆运行工况下扣件节点载荷和扣件整体刚度确定整体有效受压面积；
(5)根据扣件受压点刚度和整体有效受压面积确定沟槽式弹性结构的数量和排布。
本实施例设置沟槽式垫板作为弹性层，结构简单，适用范围广泛，便于加工，且能有效保证道岔区域减振性能的同时，保持不同区域的刚度一致性，提高车辆过岔区的平顺性。
实施例3
如图3所示，本实施例提供了一种道岔区域扣件刚度均匀化设计系统和方法，包括扣件本体和钢轨下部的弹性层，所述弹性层包括轨下弹性垫和中心弹性层，所述弹性层设置为立柱式垫板，即在垫板本体1的中间设置多个凸起的立柱2作为弹性结构单元，所述立柱式弹性结构单元用于提供扣件的弹性和刚度，且根据弹性层上不同位置处的载荷确定立柱式弹性结构单元的排列位置以及数量，例如钉柱式弹性结构单元可以设置在弹性层的同一受力面或者两个受力面，保证弹性层各个角度的刚度尽量均匀，提高扣件整体刚度的均匀程度。
具体的，弹性层上立柱的排列和数量根据如下步骤设置：
(1)根据列车运行工况计算单个扣件整体所受载荷；
(2)根据项目要求或安全及减振量要求确定扣件受压点刚度范围；
当扣件的弹性层只有一层时，所述扣件受压点刚度范围为弹性层受压点刚度范围；当扣件的弹性层超过一层时，则可根据扣件受压点刚度和弹性层已知刚度计算出扣件受压点刚度范围。
(3)根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围计算扣件整体刚度，计算公式为：
Figure BDA0001916449710000081
其中，kl为受压点刚度，k0为整体刚度，l1为受压点到扣件边缘的距离，l0为扣件整体长度。
(4)根据车辆运行工况下扣件节点载荷和扣件整体刚度确定整体有效受压面积；
(5)根据扣件受压点刚度和整体有效受压面积确定立柱式弹性结构的数量和排布。
本实施例设置立柱式垫板作为弹性层，不仅适用范围广泛，且能有效保证道岔区域减振性能的同时，保持不同区域的刚度一致性，提高车辆过岔区的平顺性，便于加工和维修更换。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种道岔区域扣件刚度均匀化设计方法，其特征在于，其中钢轨的位移与受力点载荷和受力面积相关，通过控制各钢轨扣压点位移相同保证刚度均匀性。
2.根据权利要求1所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据列车运行工况计算单个扣件整体所受载荷；
(2)根据项目要求或安全及减振量要求确定扣件受压点刚度范围；
(3)根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围确定扣件整体刚度；
(4)根据车辆运行工况下扣件节点载荷和扣件整体刚度确定整体有效受压面积；
(5)根据扣件受压点刚度和整体有效受压面积确定弹性结构的数量和排布。
3.根据权利要求2所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计方法，其特征在于，当扣件的弹性层只有一层时，所述扣件受压点刚度范围为弹性层受压点刚度范围；当扣件的弹性层超过一层时，则可根据扣件受压点刚度和弹性层已知刚度计算出扣件受压点刚度范围。
4.根据权利要求3所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计方法，其特征在于，根据受压点在扣件上的位置和受压点刚度范围确定扣件整体刚度的计算方法如下：
Figure FDA0001916449700000011
其中kl为受压点刚度，k0为整体刚度，l1为受压点到扣件边缘的距离，l0为扣件整体长度。
5.据权利要求4所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计方法，其特征在于，a的取值范围为1.80～2.10，b的取值范围为0.05～0.20。
6.一种道岔区域扣件刚度均匀化设计系统，其特征在于，使用权利要求1至5中任意一项所述的钢轨扣件刚度均匀化设计方法，所述系统包括扣件本体和钢轨下部的弹性层，所述弹性层上设置弹性结构单元，所述弹性结构单元提供扣件的弹性和刚度。
7.根据权利要求6所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计系统，其特征在于，所述弹性结构单元设置在弹性层的同一个受力面或两个受力面。
8.根据权利要求7所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计系统，其特征在于，所述弹性结构单元设置为一个或多个凸起或凹陷的结构。
9.根据权利要求7或8所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计系统，其特征在于，所述弹性结构单元根据不同位置处的载荷确定排列位置及数量。
10.根据权利要求6所述的道岔区域扣件刚度均匀化设计系统，其特征在于，所述弹性层包括轨下弹性垫和中间弹性层。
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