一種新型鋼軌焊縫保護裝置的受力分析

蔡小培，高 亮，曲 村

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

1 研究背景

我國鐵路運輸向客運高速、貨運重載方向發(fā)展，對無縫線路質量要求越來越高。但鋼軌斷裂現(xiàn)象仍層出不窮，尤其是在鋁熱焊縫處［1～5］。目前，防止鋼軌斷裂已成為工務部門的一項重要工作。我國為預防鋁熱焊縫斷裂影響行車安全，大部分采用的是在焊縫附近的鋼軌打孔、兩邊擰上鼓包夾板進行加強。但是，這會使螺栓孔變成新的應力集中源，疲勞荷載使其周圍產(chǎn)生裂紋，更容易發(fā)生鋼軌斷裂現(xiàn)象。

針對鋼軌焊縫處易斷裂這一現(xiàn)象，北京鐵路局和北京華鐵安創(chuàng)軌道科貿(mào)有限公司研究開發(fā)了一種新型鋼軌焊縫保護裝置。該裝置的特點是不在鋼軌及夾板上打眼、不采用鼓包夾板，而是通過膠粘劑固定夾板和鋼軌來提高焊縫處的強度。該裝置可應用于傷損鋼軌、傷損焊縫處，有條件時可替換現(xiàn)有鼓包夾板，還可在未上道前將鋁熱焊縫進行提前粘結加固。

本文基于有限元方法建立了新型鋼軌焊縫保護裝置仿真分析模型，主要從靜力學方面對結構進行了分析與評估，并與無夾板焊縫、鼓包夾板進行了對比分析，從而為該種保護裝置的設計、應用提供理論依據(jù)。

2 保護裝置結構

新型鋼軌焊縫保護裝置由夾板、鎖定扣件結構、防松螺栓及膠粘劑等結構組成，如圖1所示。夾板材質為B7鋼或性能更優(yōu)的其他鋼材。夾板尺寸與鋼軌軌腰相匹配，吸收了其他膠接絕緣夾板的優(yōu)點［6～8］，并進行了優(yōu)化設計。夾板高度為122 mm，厚度為42 mm，長度為1.0 m。夾板內側與鋼軌粘接，外側通過鎖定扣件及其橫向螺母固定。

圖1 新型鋼軌焊縫保護裝置

鎖定扣件下部托住夾板，減少夾板自重，增加和保持夾板的粘結強度長期有效。在軌撐擋墻上安裝4個M24的橫向防松螺栓，將粘結夾板頂住。橫向螺栓頂住夾板外面溝槽，擰緊扭矩為400～500 N·m，提高和保持夾板的夾緊力和粘結強度，且不因溫度變化而使其強度降低。扣件的底部，橫向插入軌底，以防止因橫向螺栓擰緊時鎖定扣件的上擋板外側面與夾板離縫。?

3 有限元分析模型

3.1 計算模型

在已有研究的基礎之上［9～10］，基于有限元理論建立了新型焊縫保護裝置仿真分析模型，如圖2所示。模型中，鋼軌、焊縫、夾板、鎖定結構選用實體單元進行模擬;軌下膠墊及扣件采用彈簧單元進行模擬。同時，為了減小計算分析工作量，鋼軌、夾板、鎖閉結構等建模時，在不影響仿真結果精度的前提下，結構幾何尺寸略有簡化。

圖2 新型保護裝置整體模型

此外，本文還建立了鼓包夾板焊縫、無夾板焊縫的有限元分析模型，以便進行對比分析，鼓包夾板模型如圖3所示。模型中，考慮了夾板、螺栓及焊接材料的實際特性，結構均用實體單元模擬。

圖3 鼓包夾板整體模型

3.2 設計參數(shù)

參考新型保護裝置的相關設計資料，并結合實際應用線路的特點，取以下參數(shù)進行計算，列于表1。

表1 主要計算參數(shù)

在進行準靜態(tài)計算時，列車垂向荷載為考慮了速度系數(shù)后的動輪載。對于SS8(22 t軸重)、動車組(16 t軸重)均按時速120 km進行修正，修正后的垂向荷載分別為186、135 kN;對于橫向荷載，統(tǒng)一取不利荷載50 kN進行計算分析。

4 結構受力與變形

SS8列車、動車組通過保護裝置時，焊縫處的位移和應力等計算結果列于表2，結構受力及位移云圖見圖4～圖7。

由表2可見，軸重、速度對鋼軌軌底垂向位移和動彎應力影響較大，對鎖定扣件結構的受力影響較小。隨著軸重的增大，鋼軌位移和動彎應力相應增大。豎向動荷載越大對軌道結構的受力和變形相對越不利。

表2 列車通過時焊縫處的計算結果

設置新型焊縫保護裝置后，焊縫處鋼軌軌頭受到較大的壓應力，軌底部分受到較大的拉應力，如圖4所示。列車車輪荷載作用于焊縫正上方時，鋼軌動彎應力在軌底邊緣處達到最大，為86.2 MPa。鋼軌動態(tài)彎曲應力遠小于焊縫強度允許值。

圖4 鋼軌軌底動彎應力

圖5所示為保護夾板的動態(tài)彎曲應力。列車荷載作用下，夾板下緣受到拉力作用，上緣受到壓應力的作用。荷載作用區(qū)域，應力較大，其余部分應力較小。最大應力77.2 MPa，遠小于夾板材料的容許應力值。夾板與鋼軌的變形協(xié)調性較好，消除了接頭起拱、打螺栓孔造成應力集中等人為因素導致的隱患，使得夾板受力情況得到優(yōu)化。

圖5 夾板拉應力局部圖

圖6和圖7所示為鎖定扣件立板的應力分布云圖。立板的橫向及垂向應力都很小，最大值也小于10 MPa，能夠滿足結構強度的要求。應力分布較均勻，螺栓孔處基本沒有應力集中現(xiàn)象。鎖定扣件立板彎折處有一定的應力集中，設計時應注意此處的加強。

此外，還分析了立板設置2個橫向螺栓時的各項指標:鋼軌垂、橫向位移，軌底動彎應力與設置4個螺栓時基本相同，鎖定扣件的底板應力、橫豎向應力則有大幅度的增加，但均在容許應力范圍內。設置4個螺栓時，鎖定扣件結構立板和底板應力要比設置有2個螺栓時降低約60%。但考慮到鎖定扣件的應力均遠遠小于材料的容許應力，設置2個或4個螺栓均能滿足要求。

圖6 鎖閉結構橫向應力

圖7 鎖閉結構垂向應力

5 與其他焊縫的對比

以傳統(tǒng)的SS8列車為例，對采用無夾板焊縫(普通焊縫)、新型保護裝置、鼓包夾板的3種情況分別進行計算分析和對比。

5.1 鋼軌位移

圖8和圖9所示為不同焊縫條件下，鋼軌焊縫處的垂向位移、橫向位移對比圖。采用保護裝置后，鋼軌位移比無夾板焊縫時垂向位移減小0.183 mm，降幅11.34%，橫向位移減小0.271 mm，降幅17.62%;采用鼓包夾板比無夾板時垂向位移減小0.144 mm，降幅8.93%，橫向位移減小0.243 mm，降幅15.80%。可見，采用新型保護裝置與鼓包夾板、普通焊縫相比，能夠有效地減小焊縫處的垂、橫向位移。

圖8 鋼軌焊縫處的垂向位移

圖9 鋼軌焊縫處的橫向位移

5.2 軌底應力

列車荷載作用下，焊縫處鋼軌軌底的動彎應力對比如圖10所示。采用安全裝置和鼓包夾板均可明顯減小軌底動彎應力。采用保護裝置比無夾板焊縫時的動彎應力減小34.8 MPa，降幅28.76%;采用鼓包夾板比無夾板焊縫時的鋼軌動彎應力減小34.3 MPa，降幅28.35%。可見，新型保護裝置與鼓包夾板對于減小焊縫軌底動彎應力效果相近。

圖10 焊縫處軌底動彎應力對比

通過分析可見，新型鋼軌焊縫保護裝置可有效地減小焊縫處的受力與變形，有利于減少和避免無縫線路鋼軌焊縫斷裂。

5.3 夾板應力

列車荷載作用下，鼓包夾板的應力分布如圖11所示。鼓包夾板的最大應力位于鼓包和直線段結合處，應力為87.9 MPa。對于夾板，鼓包魚尾板在鼓包起拱處和螺栓孔處有應力集中，且其應力最值比保護裝置夾板的最值大10.7 MPa。相對于鼓包夾板，保護裝置夾板發(fā)生斷裂的可能性較小。

圖11 鼓包夾板應力分布

6 結論

(1)設置新型保護裝置時，焊縫處鋼軌及輔助結構的整體剛度增大，鋼軌垂向、橫向位移較無夾板焊縫、設置鼓包夾板情形均有所減小。

(2)采用新型保護裝置可有效減小焊縫處軌底動彎應力，加強焊縫處的軌道結構，對防止無縫線路鋼軌在焊縫處發(fā)生斷裂有明顯效果。

(3)新型保護裝置夾板和傳統(tǒng)的鼓包夾板相比，消除了接頭起拱、打螺栓孔等造成應力集中的人為因素導致的隱患，使得夾板受力情況得到優(yōu)化。

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