客運專線60 kg/m鋼軌18號道岔護軌墊板強度仿真

劉新成，姜世平

(1.中鐵山橋集團有限公司，河北 山海關 066205;2.燕山大學，河北 秦皇島 066004)

護軌墊板是軌下軌道結構中的重要部件之一，起傳遞和承受輪軌垂向和橫向力及固定鋼軌等作用，因此，護軌墊板承受的荷載較為復雜。列車側向過岔時，由于道岔結構的不平順等原因會產生劇烈振動，同時產生巨大輪軌垂向力和橫向力，對護軌的沖擊作用很明顯，護軌墊板在列車高速過岔時承受較大的橫向沖擊力和垂向輪軌力，因此，有必要對護軌墊板的強度進行校驗。國內外學者對護軌墊板結構優化設計和板下基礎對護軌墊板強度的影響進行了研究和分析，并提出了改進建議［1-2］。本文利用ANSYS有限元分析軟件對60 kg/m鋼軌18號客運專線道岔護軌墊板強度進行了校驗，并提出了結構改進建議。

1 軌墊板分析模型及計算參數

1.1 分析模型

圖1為60 kg/m鋼軌18號單開客運專線道岔護軌墊板力學模型圖，模型將護軌墊板與其下面的硫化橡膠耦合為一體，橡膠層以下為水泥枕，可視為固定端;岔枕螺栓孔處裝有岔枕螺栓埋于水泥枕中用來固定墊板，故兩端岔枕螺栓孔也可視為固定端。列車過岔時輪緣對基本軌產生橫向力或對護軌產生橫向沖擊力，但兩力不可能同時存在，考慮輪對對護軌的沖擊力對護軌墊板的影響更大，本文只分析輪載對護軌的沖擊情況。護軌墊板承受的主要力包括:輪軌垂向力FV、橫向沖擊力 FC、岔枕螺栓預緊力 F1、彈條扣壓力F2和T形螺栓上提力F3，各力均分布在相應部位。

1.2 計算參數

圖1 護軌墊板力學模型

根據文獻［3］，列車以時速350 km的速度側向過岔時，最大垂向力為144.31 kN，最大輪軌橫向力為48.76 kN，扣件垂向力為31.64 kN。由于列車側向過岔時產生的最大輪軌垂向力應發生在心軌一側，則護軌所承受的垂向輪軌力應小于最大垂向力144.31 kN。根據文獻［4］中軸重為25 t時鋼軌對墊板的豎向荷載為120 kN，本文分析的列車軸重為20 t，則垂向力取FV=96 kN，FC和F3取側向過岔輪最大橫向力和扣件最大垂向力，即FC=48.76 kN，F3=31.64 kN，則 F2=F3/2=15.82 kN。護軌墊板由材質為16Mn的底板和材質為ZG230-450的臺板、撐板和鐵座焊接而成，考慮16Mn的屈服強度大于 ZG230-450，整個模型以ZG230-450為材料進行檢算，彈性模量取 E1=2.1×105MPa，泊松比取μ1=0.3;硫化橡膠彈性模量取E2=3.72 MPa，泊松比取 μ2=0.495。

2 護軌墊板有限元分析

2.1 有限元分析

圖2是利用ANSYS有限元分析軟件進行分析的有限元網格劃分圖。模型按圖紙要求建立，在不影響受力分析的情況下進行了必要的簡化，通過分析得到其綜合變形和等效應力如圖3和圖4所示。

2.2 分析結果

圖2 護軌墊板有限元網格劃分

圖3 護軌墊板綜合位移云圖(單位:mm)

圖4 護軌墊板等效應力云圖(單位:MPa)

表1 護軌墊板等效應力和位移

表1為側向過岔時護軌墊板的位移和應力分析結果，從表1以及綜合位移云圖和等效應力云圖可得出:側向狀態下，墊板位移均基本上在0.502～0.754 mm之間;橡膠位移大部分超過1.005 mm，最大位移為2.261 mm，在靠近墊板軌底坡鐵座以下部位;墊板高應力區在臺板壓口根部、岔枕螺栓孔周邊、鐵座和撐板根部，岔枕螺栓孔周邊、鐵座和撐板根部的應力在147.055～171.557 MPa之間，最大應力發生在臺板壓口根部與底板焊接部位，其值為220.563 MPa，已接近材料的屈服強度230 MPa。

3 改進建議

根據上述分析，護軌墊板最大應力為220.563 MPa，已接近其屈服強度230 MPa，那么在護軌墊板持續承受最大應力時，墊板的疲勞壽命就會有所降低，圖5為ZG230-450原始 S—N數據回歸曲線［5］。從圖5可知，當ZG230-450的強度為220.563 MPa時，其疲勞壽命約為1×106次，小于鋼試件循環基數1×107次的疲勞壽命［6］。故應該對護軌墊板的結構進行優化或改用屈服強度較大的材料。由于焊接墊板的結構形式和焊接本身存在的殘余應力，決定了臺板壓口與底板接觸部位存在較為明顯的應力集中現象，而焊接殘余應力和殘余應變是形成各種焊接裂紋的重要因素和造成熱應變脆化的根源，碳鋼件沿焊縫方向的殘余拉應力一般會達到材料的屈服點［7］，因此采用焊接結構形式對保證護軌墊板的強度很不利。本文建議護軌墊板采用材料為 QT400-15的球墨鑄鐵整體鑄造，圖6(b)為優化前的結構，當護軌墊板受到較大的沖擊時，該部位有被拉開的危險，若將該處結構改成圖6(c)所示的具有圓弧過渡的結構(R值不宜過大)，則可有效避免應力集中現象，且鑄造工藝容易達到該結構特點;除此之外，QT400-15的屈服強度是 250 MPa，比ZG230-450的屈服強度要高些，材料的強度也有所提高。因此，采用QT400-15整體鑄造的護軌墊板可以提高其強度，有利于改善護軌墊板的結構和避免焊接產生的殘余應力，以避免應力集中現象的發生，達到優化設計的目的。

圖5 ZG230-450原始S—N數據回歸曲線

圖6 護軌墊板最大應力部位的結構優化

4 結論

護軌墊板在上述荷載條件下，能夠滿足強度要求，但最大應力已接近材料的屈服強度，建議采用材料為QT400-15的整體鑄造護軌墊板，以便于優化其結構，提高材料的屈服強度。

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