一款新型非對(duì)稱軌道減振扣件的設(shè)計(jì)

李金衛(wèi) 黃友劍

（中國(guó)南車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，高級(jí)工程師）

軌道扣件是用來(lái)固定鋼軌的聯(lián)接件，并通過(guò)錨固螺栓將鋼軌牢固地鎖定在道床上的正確位置。由于列車運(yùn)行時(shí)輪軌沖擊振動(dòng)較大，因此在軌道扣件上設(shè)計(jì)有彈性墊板和扣壓彈簧，為軌道提供必要的緩沖［1－2］。隨著城市軌道交通的發(fā)展，出于減振降噪要求的需要，不同類型的減振型扣件相繼產(chǎn)生。

眾所周知，要達(dá)到減振降噪的目的，就必須降低軌道垂向支撐剛度，提供足夠的緩沖，減小輪軌沖擊的作用力。但是，當(dāng)軌道的垂向支撐剛度降低后，軌道的垂向位移加大，從而使得軌道的橫向穩(wěn)定性變差，影響軌道安全。這是一對(duì)矛盾：既要降低軌道垂向支撐剛度，又必須保證鋼軌橫向穩(wěn)定。

1 現(xiàn)有減振扣件的基本概況

普通扣件的軌下支撐剛度較大，一般在70kN／mm左右，因而其垂向位移較小，橫向穩(wěn)定性較好。而減振型扣件的垂向剛度一般在25kN／mm以下。圖1所示的軌道減振器扣件，采用了完全對(duì)稱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其垂向剛度為12kN／mm。當(dāng)鋼軌在垂向40kN、橫向20kN的力作用下，軌道的垂向位移達(dá)3.3mm，橫向位移達(dá)3.8mm。

圖1 對(duì)稱性減振器扣件

圖2 所示的先鋒扣件，為提高軌道的橫向穩(wěn)定性采取了支撐軌頭的方式，其垂向鋼度為7kN／mm。當(dāng)鋼軌在垂向40kN、橫向20kN的力作用下，軌道的垂向位移達(dá)到5.7mm，橫向位移只有1mm。

2 理論分析及設(shè)想

列車運(yùn)行時(shí)，軌道在承受垂向載荷的同時(shí)也承受著從鋼軌內(nèi)側(cè)向外作用的橫向載荷，特別是在小半徑彎道，其橫向作用力更大。因此，為保持鋼軌的橫向穩(wěn)定和軌距，必須在扣件的設(shè)計(jì)上采取能克服橫向力的特殊結(jié)構(gòu)。

圖2 先鋒扣件

軌道減振扣件在垂向力P和橫向力f的作用下，其軌頭橫向位移來(lái)自兩個(gè)方面，一是鋼軌與承軌板整體橫向水平位移，二是以鋼軌外側(cè)的承軌板為支點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)位移，這兩個(gè)位移之和構(gòu)成軌距擴(kuò)張。為此，在設(shè)計(jì)上對(duì)減振扣件的鋼軌內(nèi)、外側(cè)結(jié)構(gòu)采取不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖3）。這種設(shè)計(jì)能使鋼軌外側(cè)有效限制承軌板水平位移及偏轉(zhuǎn)，并可達(dá)到軌道橫向穩(wěn)定性的目標(biāo)。

圖3 非對(duì)稱減振扣件

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基本設(shè)計(jì)參數(shù)：車輛軸重160kN，車速80km／h，鋼軌為60kg／m軌，軌距1 435mm，軌枕間距625mm，軌底坡1∶40，彈條為Ⅲ型彈條，扣件節(jié)點(diǎn)剛度為9～12kN／mm。按圖4所示的受力分布進(jìn)行垂向受力計(jì)算，P＝160kN／2×40%＝32kN。橫向力f按25kN計(jì)算。

圖4 鋼軌支撐節(jié)點(diǎn)受力分布圖

扣件采用外型為蛋形、彈性材料為剪切型的基本結(jié)構(gòu)。整體由承軌板、橡膠圈和底座三部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。鋼軌外側(cè)的底座高度設(shè)為70mm，剪切型橡膠形面傾角設(shè)為75℃，鋼軌內(nèi)側(cè)的底座高度設(shè)為55mm，剪切型橡膠形面傾角設(shè)為70℃。

圖5 非對(duì)稱設(shè)計(jì)軌道減振扣件

4 計(jì)算機(jī)有限元分析計(jì)算

4.1 模型及計(jì)算參數(shù)

由于非對(duì)稱軌道減震扣件的結(jié)構(gòu)特征和垂、橫向加載特性都具有對(duì)稱特性，因此，模擬非對(duì)稱軌道減震扣件的垂向和橫向特性可以使用對(duì)稱模型進(jìn)行。網(wǎng)格劃分軟件采用HYPERMESH，網(wǎng)格布局及網(wǎng)格劃分以適應(yīng)大變形為考量；分析擬采用非線性的ABAQUS軟件，其中橡膠部位采用CAX4H單元，鐵件部位采用CAX4R單元。其有限元模型及加載工況如圖6所示。

圖6 軌道減震器對(duì)稱模型

橡膠材料在拉伸、壓縮或剪切載荷的作用下所形成的載荷位移曲線，是其彈性、粘性，以及應(yīng)變速率和Mullins效應(yīng)共同作用的結(jié)果。在加載速率低于10mm／min，重復(fù)測(cè)試多次后形成的載荷位移特性曲線可以視為完全彈性的剛度曲線［3－4］，由于這種彈性在橡膠被扯斷前一直保留，因此描述這一特性的本構(gòu)模型稱為超彈模型。在計(jì)算非對(duì)稱軌道減震扣件的靜態(tài)特性時(shí)，通常鐵件部分選擇線彈性模型，橡膠部分選擇超彈本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，在本分析中，非對(duì)稱軌道減震扣件的橡膠材料參數(shù)使用一階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其中參數(shù)0.42MPa、0.12MPa用來(lái)描述材料的彈性變形行為；而其體積壓縮特性則是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)大致定義［5］。分析所使用的本構(gòu)模型見表1。

表1 計(jì)算用本構(gòu)模型

4.2 應(yīng)變結(jié)果及剛度特性曲線

有限元分析預(yù)測(cè)結(jié)果見圖7。載荷位移特性曲線如圖8所示。由圖7、圖8可知，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)軌道減震扣件在垂向承載工況作用下，橡膠材料的應(yīng)變最大值為0.31%，且其垂向載荷位移特性曲線基本為線性，表明橡膠元件在承載過(guò)程中橡膠材料始終處于線性狀態(tài)，而這非常有益于提高橡膠元件的疲勞壽命；非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的軌道減震扣件在橫向載荷作用下，其承載時(shí)橡膠材料的應(yīng)變分布均勻，最大為0.51%，而且其橫向載荷位移特性曲線也表現(xiàn)為線性。根據(jù)天然橡膠材料疲勞壽命的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則［4］評(píng)估，在此工況下，橡膠懸架的疲勞壽命可達(dá)到200萬(wàn)次的設(shè)計(jì)要求。因此，非對(duì)稱特征的扣件結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 軌道減振器垂向應(yīng)變和橫向應(yīng)變?cè)茍D

圖8 非對(duì)稱軌道減震扣件垂、橫剛度特性曲線

4.3 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

分析結(jié)果也表明，采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高鋼軌的橫向穩(wěn)定性，當(dāng)鋼軌在30kN橫向力的作用下，承軌板的橫向位移控制在1mm以內(nèi)。

5 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

非對(duì)稱結(jié)構(gòu)靜剛度試驗(yàn)的特征曲線如圖9所示，其垂向的線性剛度為8.6kN／mm，軌頭橫向位移為2.6mm。試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果的比較見表2。由表2可知，非對(duì)稱軌道減振扣件在設(shè)計(jì)上是合理的，且分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在工程上具有非常高的吻合性。

表2 試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果的對(duì)比

圖9 非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的靜剛度試驗(yàn)特征曲線

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)減振型扣件鋼軌內(nèi)、外側(cè)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行非對(duì)稱性設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步降低扣件垂向剛度，提高減振性能，同時(shí)保持鋼軌的橫向穩(wěn)定性。

［1］ 黃建濤，周耀.地鐵軌道減振器的應(yīng)用效果［J］.振動(dòng)與沖擊，2003（2）：96.

［2］ 焦金紅.軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪措施［J］.城市軌道交通研究，2002，5（1）：25.

［3］ 胡殿印，王榮橋.橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（2）：23.

［4］ ABAQUS，Inc.Quasi－static analysis of a rubber bushing：Abaqus analysis user’s manual［G］.2007.

［5］ 黃友劍.城市地鐵軌道減振器結(jié)構(gòu)及性能研究［R］.株洲：株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，2004.