可动心轨辙叉转换位移计算及设计优化

赵振华; 王璞; 高原; 王树国

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20230294

可动心轨辙叉转换位移计算及设计优化

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230294

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 10081

基金项目: 国家重点研发计划（2022YFB2603400）；中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划重点课题（N2023G078）

详细信息

作者简介:
赵振华（1980—），男，高级工程师，研究方向为铁路道岔，E-mail：zhenhuazhao1980@163.com

通讯作者:
王璞（1988—），男，副研究员，研究方向为铁路道岔，E-mail：wpwp2012@yeah.net

中图分类号: U213.6
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出版历程
- 收稿日期: 2023-06-20
- 修回日期: 2023-10-29
- 网络出版日期: 2025-02-10

Calculations for Transition Displacement and Design Optimization for Moveable Point Frog

Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China

摘要

摘要:
为减小可动心轨辙叉心轨/翼轨密贴区域不足位移、降低心轨牵引点转换力、提高辙叉直向平顺性，提出可动心轨辙叉的设计参数和关键部件优化设计方法. 以18号可动心辙叉最小轮缘槽宽度为优化目标，基于既有结构尺寸和有限元方法建立心轨转换计算模型，并采用逐次逼近法优化心轨转换位移曲线的设计方法；在满足辙叉直、侧向不同形位公差条件下，提出第2牵引点动程为50.7 mm的优化设计方案和直向开通状态下辙叉关键部件的结构设计方法. 研究表明：心轨计算转换位移与设计转换位移最大偏差为6.64 mm，位于弹性可弯中心；最小轮缘宽度计算值（90.7 mm）与实测平均值（90.9 mm）差异较小，满足车辆安全通过要求；第2牵引点动程较既有辙叉减小8.3 mm，减小了第2牵引点转换力.
- 可动心轨辙叉 /
- 有限元方法 /
- 转换位移 /
- 计算 /
- 设计
Abstract:
To reduce insufficient displacement in the contact area between the movable point frog’s point rail and wing rail, minimize transition force at the transition points of point rail, and improve the frog’s longitudinal smoothness, an optimization method for the design parameters and key components of movable point frogs was proposed. The minimum flangeway width of the No.18 movable point frog was selected as the optimization target. Based on the existing structural parameters and finite element method, a model for point rail transition calculation was established, and the method of successive approximation was used to optimize the design method of the transition displacement curve of the point rail. Under the different frog form and position tolerances for both straight/diverging lines, an optimized design was proposed with a second traction point stroke of 50.7 mm, along with the structural design scheme for key components of the frog in the straight-through state. The results show that the maximum deviation between calculated and designed point rail transition displacements is 6.64 mm, occurring at the elastic bending center. The computed minimum flangeway width (90.7 mm) closely matches the measured average value (90.9 mm), ensuring safe vehicle passage. Additionally, the second traction point stroke is reduced by 8.3 mm compared to existing frog designs, lowering the required transition force at the second traction point.
- moveable point frog /
- finite element method /
- transition displacement /
- calculations /
- design

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图 1 心轨转换计算模型

Figure 1. Point rail transition calculation model

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图 2 计算位移曲线

Figure 2. Calculated displacement curve

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图 3 计算位移曲线和设计位移曲线偏差

Figure 3. Deviation between calculated displacement curves and designed displacement curve

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图 4 计算流程

Figure 4. Calculation flow chart

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图 5 工况1～3计算位移曲线

Figure 5. Calculated displacement curve for condition 1-3

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图 6 工况4计算位移曲线

Figure 6. Calculated displacement curve for condition 4

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图 7 工况5计算位移曲线

Figure 7. Calculated displacement curve for condition 5

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图 8 工况6计算位移曲线

Figure 8. Calculated displacement curve for condition 6

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图 9 工况6长、短心轨计算位移差异

Figure 9. Difference between calculated long and short point rail displacement for condition 6

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图 10 可动心轨辙叉长心轨

Figure 10. Long point rail for movable point frog

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图 11 直股开通状态下长心轨侧股工作边拟合

Figure 11. Fitting for running edge of long point rail for branch line in straight-through state

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图 12 直股开通状态下的短心轨拟合

Figure 12. Short point rail in straight-through state

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图 13 直股开通状态下短心轨工作边拟合

Figure 13. Fitting for running edge of short point rail in straight-through state

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图 14 可动心轨辙叉翼轨

Figure 14. Wing rails for movable point frog

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图 15 长/短心轨组件及联结零件

Figure 15. Long/short point rail components and connecting parts

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表 1 18号可动心轨辙叉关键结构参数

Table 1. Key structure parameters for No. 18 movable point frog

结构参数	取值/mm
长心轨轨头加工长度	2169
短心轨轨头加工长度	2075
短心轨长度	8215
长心轨可动段长度	9055
弹性可弯中心距心轨理论尖端距离	7505
咽喉宽度	125
距心轨理论尖端距离	390
动程（第1牵引点）	119
距心轨理论尖端距离	3955
动程（第2牵引点）	59

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表 2 长心轨/翼轨间顶铁尺寸偏差

Table 2. Dimensional deviation for distance blocks between long point rail and wing rail mm

序号	a			b
序号	修正值	计算值	偏差	修正值	计算值	偏差
8#	95	94	1	97	97	0
10#	124	124	0	127	127	0
12#	113	114	−1	116	116	0
14#	152	153	−1	155	155	0
16#	159	161	−2	159	161	−2
19#	159	160	−1	159	159	0
21#	157	157	0	157	156	1
23#	154	154	0	154	155	−1

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表 3 18#可动心轨辙叉最小轮缘槽宽度

Table 3. Minimum flangeway width for No. 18 movable point frog

序号	1#	2#	3#	4#	5#	平均
检测值/mm	91.0	90.6	90.9	90.6	91.3	90.9

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表 4 数值计算工况

Table 4. Numerical calculation conditions

工况	第 2 牵引点动程/mm	最小轮缘槽宽度/mm
1（初始设计）	59.0	90.7
2	54.0	81.9
3	50.5	76.1

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表 5 初始模型和修正模型1关键结构参数

Table 5. Key structure parameters for initial model and refined model 1 mm

关键参数	长心轨轨头加工长	短心轨轨头加工长	短心轨长
初始模型	2169	2075	8215
修正模型 1	2425	2056	7959

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表 6 修正模型1和修正模型2关键结构参数

Table 6. Key structure parameters for refined model 1 and refined model 2 mm

关键参数	长心轨轨头加工长	短心轨轨头加工长	短心轨长
修正模型 1	2425	2056	7959
修正模型 2	2427	2020	7957

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表 7 关键结构参数比较

Table 7. Key structure parameter comparison mm

关键参数	修正模型 2	工况 6
长心轨轨头加工长	2427	2427
短心轨轨头加工长	2020	2020
短心轨长	7957	7957

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