第1章 概述
1.1 引言
无缝线路是20世纪轨道结构进步的重要标志，20世纪90年代开始在我国推广应用。无缝道岔则是实现跨区间无缝线路的关键技术之一。无缝线路是把许多标准长度的钢轨焊接而成的长钢轨线路，也称焊接长钢轨线路。它是当今轨道结构的一项重要新技术，世界很多国家目前都在大力发展。
与普通线路相比，由于无缝线路消灭了大量的接头缺陷，因此具有行车平稳、舒适旅客，同时轨道和机车车辆的维修费用减少，使用寿命延长，节约能耗等一系列优点。
为保证无缝线路的强度和稳定，需要了解长轨条内温度力的影响及其变化规律。轨温的变化会使其自由放置的钢轨自由伸缩，夏天受热时它会伸长，冬天受冷时则会缩短，这也就是所谓的热胀冷缩。将多根钢轨联结成轨道，一般每隔一段钢轨长度12.5m或25m就会有一个接头。接头之间需要预留轨缝，一般6mm左右，为的是防止钢轨由于热胀冷缩产生的温度力而发生破坏。
一根长度为l的可自由伸缩的钢轨，当轨温发生变化时其计算公式[1]为：
?l???l??t （1-1）
式中 ?—钢轨的线膨胀系数，一般取值为0.0000118； l—钢轨长度，其单位为mm； ?t—轨温变化幅度，其单位为?C。
为限制钢轨的自由伸缩，需把钢轨两端固定起来来约束它的自由伸缩，那么一旦轨温发生变化，钢轨便会受力，由于这个力是由轨温变化而引起的，故称为温度力。简单点说，就是钢轨经锁定后，冬天温度降低时，钢轨要缩短，但受到约束也不能够缩短，内部便产生拉力；夏天温度升高时，钢轨要伸长，但受到约束不能够伸长，内部便会产生压力。正因为钢轨被牢牢的锁定在了轨枕上，钢轨才能在受到较大的温度力时而不变形，这就是无缝线路的基本原理。 各种轨道结构的应用和发展，主要取决于运营的效果。现代铁路为实现重
载、高速运输而改善轨道结构而采取的各种措施中，超长无缝线路的发展与应用可以说是最佳选择。为满足提速列车以及重载列车的需求，我国无缝线路的轨道长度是日益增长，出现了区间无缝线路和跨区间无缝线路两种。区间无缝线路只是延长了焊接轨的长度，使其达到或是接近区间长度，在技术操作上基本上没有什么困难。而跨区间的无缝线路则很不相同，他需要把道岔与无缝线路长轨条焊接在一起，从而使道岔的受力及变形发生一定的变化，这样的道岔也称之为无缝道岔，如图1-1所示。
无缝道岔作为发展跨区间无缝线路关键技术之一，其道岔始端及末端与两端的无缝线路实施胶接或焊接，当轨温发生变化时，道岔前后两端温度力处在不平衡状态，钢轨会产生附加温度力，并致使相关部件产生一定的纵向位移，当钢轨附加温度力及变形超过一定范围时便容易破坏无缝道岔的几何平顺性，并致使其结构部件的破损，从而降低旅客乘车的舒适性，甚至直接威胁行车的安全。无缝道岔在温度力作用下的受力与变形的规律较为复杂，是进行无缝道岔设计、施工及维护的理论基础和主要难点，也是发展高速和重载铁路技术难点之一。因此，进行铁路无缝道岔温度附加力与位移分析的研究在铁路轨道工程和我国客运专线及高速铁路建设中具有重要的理论意义和工程实用
价值。 图1-1 无缝道岔辙叉
可见弄清楚无缝道岔的受力和变形规律，以及无缝道岔的计算理论和设计方法，用于指导无缝道岔的设计、施工及维修养护，对我国无缝线路的发展有着重大意义。
为了适应我国铁路运输提速的要求，30号道岔已在1998年研制成功。30号道岔大大提高了之前的侧向过岔速度，但是随着列车速度的提高，新的问题也随之产生，如轮轨间动力作用，机车车辆及轨道设备的使用寿命变短等[2]。随着近年来提速道岔的快速发展，对道岔的改进工作也在同步进行，30号改进型可动心轨道岔也已研制
成功。
本文以30号无缝道岔为研究对象，应用有限单元法，建立无缝道岔的计算模型，根据ANSYS中的单元特性，对钢轨、轨枕、道床、扣件、限位器及间隔铁等选择不同的单元进行模拟,并选取合适的计算参数，对30号无缝道岔进行温度力与位移的计算，研究无缝道岔钢轨温度力和位移的变化规律，并分析轨温变化幅度、扣件阻力、道床阻力等因素对无缝道岔受力及变形的影响。
1.2 国内外无缝道岔的发展
1.2.1 国外无缝道岔的发展
道岔高速化是目前世界各国道岔发展的共同趋势。一些铁路系统较为发达的国家如法国、德国、英国、日本等在高速道岔这个问题上，已有了较为完整的设计方案[3]。高速铁路对轨道结构有了更高的要求，高稳定性和高平顺性便是其中之一，因此世界各国200km/h以上的线路上都采用跨区间无缝线路，这样有利于消除钢轨接头对高速行车的影响。
1. 国外高速铁路无缝道岔设计理念
(1) 系统化的设计。把电务和工务视为一体化系统，两者相互作用、缺一不可。道岔各部件包括钢轨、轨枕、联结零件等之间的精密配合十分关键，这关系到高速道岔能否正常工作。
(2) 保证行车舒适性。高速道岔应当具有区间线路相同的行车舒适性。 (3) 保证可靠的安全性。道岔通常视为轨道的薄弱环节之一，安全性相对较低，高速度应当在安全的前提下去实现。在高速道岔中，我们通常采取以下措施来保证其行车安全性：检算速度通常比设计速度略高，通常高10%左右；采用可靠性高的锁闭、密贴检查装备；强化某些薄弱部分，像可动心轨等；采用科学合理的无缝道岔技术。
(4) 保证无缝道岔的高平顺性和低维修性。无论在设计、制造或是铺设、养护环节，高平顺性一贯都是其最最坚持的原则。
(5) 以完善的道岔动力学计算为指导并配合实验分析。 2. 德国的无缝道岔
德国高速道岔的研发是在20世纪80年代开始的，道岔导曲线采用复合圆曲线组合
线型。经过多年经验的积累以及深入研究，并配合实验和道岔各种仿真分析，德国形成了自己的一套模式，其中包括加强固定式心轨跟端结构、缓圆缓平面线性、锟轮式尖轨转换减磨措施、高弹性扣件等[4]。
由于德国开始使用的是有砟道床，初期道岔更换比较频繁，因此完善整体道床道岔的技术一直以来都是德国高速道岔的发展方向，目前德国BWG公司制造的高速无缝道岔的结构具有以下几个特点：
(1) 转辙器跟端结构。转辙器跟端采用限位器作为传力部件。限位器安装在尖轨与基本轨的轨腰上，通过子母块的调节，将温度力从尖轨传递至基本轨。这种结构一方面可以释放部分作用于基本轨上的温度力，防止轨道结构受力的过度不平衡；另一方面还可以将尖轨伸缩位移控制在允许范围内。
图1-2 辙叉跟端结构
(2) 心轨跟端结构。德国可动心轨式无缝道岔为常翼轨跟端强化结构。这种结构可将区间线路传递至心轨上的所有纵向力传递给翼轨，并可保持传递过来的线形，这样有利于保持轨道的平顺性，还可有效阻止道岔的爬行；同时可为可动心轨转换提供可靠的固定端，可以减缓转换过程中的不足位移。
(3) 扣件结构。德国道岔一般采用Vossloh扣件，以保证扣件纵向阻力大于线路阻力。为了减少伸缩位移，在结构设计中应尽可能的缩短尖轨与心轨自由伸缩长度，为适应尖轨跟端支距较小的情况，德国还专门开发了专用窄型扣件。
(4) 锁闭结构。德国目前使用的锁闭结构是德国BWG道岔公司生产的HRS钩型外锁闭结构。应用HRS型外锁闭装置能较好的适应尖轨的伸缩，可以防止卡组现象的发
