重載線路固定型合金鋼組合轍叉受力研究

葛 晶，王樹國，王 猛

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

重載線路固定型合金鋼組合轍叉受力研究

葛 晶，王樹國，王 猛

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

固定型合金鋼組合轍叉維修工作量少，造價低，易安裝，在我國重載線路上大量使用，但使用中出現(xiàn)了轍叉翼軌和心軌件傷損嚴(yán)重的現(xiàn)象，直接影響了轍叉的使用壽命。目前固定型轍叉的通用設(shè)計方法是在心軌薄弱斷面讓翼軌和心軌共同承受垂向荷載，保護(hù)心軌的薄弱斷面，為驗證翼軌和心軌承受垂向荷載的適合比例，本文依據(jù)目前中國輪對尺寸和固定型轍叉主要尺寸計算輪軌垂直力在轍叉上的過渡區(qū)間，并利用ProE、HyperMesh、Ansys Workbench等有限元軟件，單獨分析了車輪與心軌、車輪與翼軌在不同垂向荷載下的接觸應(yīng)力。分析結(jié)果表明目前設(shè)計的輪軌垂直力過渡值對于合金鋼材質(zhì)的心軌較合理，但翼軌受力不合理，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了建議。

轍叉受力 有限元仿真 心軌加寬

轍叉是車輪由一股鋼軌轉(zhuǎn)移到另一股鋼軌的軌道結(jié)構(gòu)，主要有可動心軌轍叉和固定型轍叉，各有優(yōu)缺點。對我國在用的轍叉進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)雖然相比于可動心軌轍叉，固定型轍叉存在軌距線不連續(xù)、易產(chǎn)生軌道不平順等缺點，但憑借維修工作量少，造價低，易安裝等優(yōu)點在我國時速低于160 km/h的既有線路和重載線路上得到了大量應(yīng)用［1-2］。目前，線路上使用的固定型轍叉主要有鋼軌拼裝、錳鋼整鑄、合金鋼組合和合金鋼拼裝式結(jié)構(gòu)，固定型合金鋼組合轍叉因加工簡單、成本低廉和壽命長等優(yōu)點，被廣泛采用。

1 合金鋼組合轍叉現(xiàn)場應(yīng)用狀況

我國的固定型合金鋼組合轍叉自1997年研制并上道試驗，至今有十余年運營經(jīng)驗。通過總重達(dá)到約2億t，其優(yōu)越性能受到廣大用戶的歡迎。目前我國重載線路的最大軸重為25 t，轍叉主要傷損類型為翼軌、心軌的垂向磨耗及剝離掉塊，部分轍叉翼軌在對應(yīng)于心軌尖端到心軌50 mm寬斷面區(qū)間內(nèi)磨出一個三角坑，造成磨耗超限而下道，直接影響轍叉壽命。

2 固定型合金鋼組合轍叉設(shè)計

2.1 合金鋼組裝轍叉設(shè)計思想

合金鋼組裝轍叉主要由翼軌、心軌、叉跟軌、護(hù)軌、螺紋聯(lián)結(jié)件和扣件系統(tǒng)組成，其中翼軌和心軌是轍叉的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)特點和使用壽命直接影響了轍叉的使用效果和質(zhì)量，因此在設(shè)計轍叉時應(yīng)重點考慮。

1)磨耗車輪為錐形踏面，列車逆向進(jìn)岔時，車輪由翼軌滾向心軌時，車輪與翼軌接觸點逐漸遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向架中心，滾動半徑逐漸變小，引起的后果是車輪逐漸下降，同時轉(zhuǎn)向架中心向著車輪滾動半徑減小的一側(cè)轉(zhuǎn)動。為了保持車輪中心在一個水平面上運動，翼軌需要設(shè)置抬高。

2)對于心軌軌頭寬20～50 mm的薄弱斷面，翼軌需要和心軌共同承擔(dān)機(jī)車車輛過岔時的輪軌力，心軌需要設(shè)置軌頂縱坡，保護(hù)薄弱斷面，承受的垂向荷載應(yīng)在合理范圍內(nèi)。

3)設(shè)置護(hù)軌，保護(hù)心軌薄弱斷面不受橫向力水平?jīng)_擊。

通過設(shè)置翼軌抬高值和心軌軌頂縱坡，使翼軌與心軌按照一定的百分比承受車輪垂向荷載。轍叉應(yīng)用現(xiàn)狀顯示，心軌和翼軌的垂直磨耗一般同時出現(xiàn)在轍叉垂直力過渡區(qū)間，對轍叉過渡區(qū)間垂直力進(jìn)行計算，分析合金鋼組合轍叉在該區(qū)間內(nèi)翼軌和心軌的受力。

2.2 轍叉上輪軌垂直力過渡區(qū)計算

列車過岔時的車輪碾壓面如圖1所示。列車的車輪輪輞寬度，輪緣槽寬度和車輪與鋼軌間的游隙影響翼軌的承壓面。由圖1可以看出，逆向過岔時車輪逐漸脫離翼軌，翼軌承壓面逐漸減小直至為0，形成三角區(qū)。此三角區(qū)內(nèi)翼軌承受過多荷載時，極易出現(xiàn)剝離掉塊，頂面壓潰，形成三角坑。

列車過岔時，車輪存在兩個極限位置，分別為工況1和工況2。

圖1 車輪碾壓面

1)工況1。車輪輪背緊貼護(hù)軌運行，即圖2所示A點接觸位置，此時翼軌承壓寬度最大，為翼軌承載最有利位置。

2)工況2。車輪輪緣沿翼軌運行，即圖2所示C點接觸位置，此時翼軌承壓寬度最小，為翼軌承載最不利位置。

圖2 輪軌位置尺寸

目前中國輪對尺寸和固定轍叉主要尺寸及其養(yǎng)護(hù)維修公差管理值有關(guān)參數(shù)［3-6］參見表1。

表1 新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輪對尺寸及軌道資料 mm

根據(jù)表1中車輛和軌道的尺寸，計算列車位于工況1和工況2時翼軌和心軌的受力區(qū)間(假定車輪完全脫離翼軌，護(hù)軌輪緣槽th仍處于平直段，忽略車輪和鋼軌尺寸測量基準(zhǔn)不統(tǒng)一引起的誤差)。

1)工況1的翼軌承壓寬度b2=H－b1－t2－(S－T－th)，當(dāng)b2=0時，翼軌不再承受垂向荷載，對應(yīng)的心軌寬度最大值b1max=62 mm;對應(yīng)的心軌寬度最小值b1min=34 mm。

2)工況2的翼軌承壓寬度 b2=H－t2－b1－t2，當(dāng)b2=0時，翼軌不再承受垂向荷載，對應(yīng)的心軌寬度b1max=50 mm;對應(yīng)的心軌寬度b1min=32 mm。

根據(jù)以上的計算可知，翼軌在心軌寬度32～62 mm區(qū)間范圍內(nèi)停止承受荷載。

3 合金鋼組合轍叉應(yīng)力分析

本節(jié)采用三維彈性接觸有限元法分別對車輪與翼軌的接觸應(yīng)力和車輪與心軌的接觸應(yīng)力進(jìn)行仿真計算，為心軌和翼軌受力的合理分配提供指導(dǎo)。

3.1 仿真模型建立

采用ProE進(jìn)行三維圖形繪制，HyperMesh劃分有限元網(wǎng)格和Ansys Workbench仿真計算。

3.1.1 計算模型概況

翼軌采用長度為600 mm的標(biāo)準(zhǔn)75 kg/m軌;心軌模型是截取一段長度600 mm的12號合金鋼組合轍叉用心軌;為了減少單元數(shù)量，在不影響分析的情況下，截取1/6車輪進(jìn)行分析，車輪踏面采用LMA磨耗型踏面［7］，如圖 3 所示。

圖3 輪軌接觸實體模型

3.1.2 計算參數(shù)的選取

有限元參數(shù)設(shè)置如下:鋼軌彈性模量 E=2.1×1011，泊松比 μ=0.3;輪軌間摩擦系數(shù) f=0.2，單元類型為Solid45，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分示例

3.1.3 仿真分析計算工況

約束條件為兩端約束(輪載作用于跨中)，垂向力作用于車輪軸槽內(nèi)，限制車輪沿軌道縱向和橫向的位移，僅產(chǎn)生垂向位移。依據(jù)垂向力的大小設(shè)計不同的工況。

1)翼軌工況。翼軌僅承受來自車輪的垂向荷載。當(dāng)車輪的垂向荷載全部作用于翼軌時，動荷載系數(shù)取2.0，單股鋼軌受力250 kN;設(shè)計工況時，將荷載大小與翼軌承壓面的寬度對應(yīng)，具體工況如表2所示。

2)心軌工況。由于有護(hù)軌的保護(hù)，心軌薄弱斷面處不會承受來自車輪的橫向荷載;設(shè)置工況時，將荷載大小與心軌軌頭寬度對應(yīng)，具體工況如表3所示。

表2 翼軌不同工況下的最大等效應(yīng)力

表3 心軌不同工況下的最大等效應(yīng)力

3.2 仿真計算結(jié)果

車輪與鋼軌破壞為塑性屈服，符合經(jīng)典材料力學(xué)理論的第四強(qiáng)度理論，與有限元結(jié)果中的等效應(yīng)力相當(dāng)。在表2、表3中給出了不同工況下的最大等效應(yīng)力值。計算所得輪軌接觸應(yīng)力圖如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

1)心軌接觸應(yīng)力分析。轍叉設(shè)計時，一般定義心軌頂寬50 mm處開始單獨承受垂向荷載，具體垂向荷載過渡比例如表4所示。垂向荷載對應(yīng)的心軌最大等效應(yīng)力值相差不大，說明心軌的設(shè)計荷載合理。心軌在寬度32～62 mm區(qū)間范圍內(nèi)可能單獨承受垂向荷載，同時心軌在頂寬30 mm斷面單獨承受荷載，其等效應(yīng)力值為4 025 MPa，遠(yuǎn)超心軌頂寬50 mm處單獨承受垂向力時的最大等效應(yīng)力值，因此應(yīng)適當(dāng)增加心軌在頂寬30 mm斷面的強(qiáng)度。

表4 心軌垂向力過渡比例及對應(yīng)的最大等效應(yīng)力

2)翼軌接觸應(yīng)力分析。假設(shè)車輪輪背緊貼護(hù)軌運行，按照各參數(shù)名義尺寸，由圖3可計算出心軌頂寬與翼軌承壓面寬度和最大等效應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，如表5所示。一般設(shè)計時，心軌頂寬20 mm處開始承受垂向荷載，其值很小，此處認(rèn)為力值近似等于0。翼軌的最大等效應(yīng)力值可能＞9 263.0 MPa，是線路正常狀態(tài)下的18.6倍，因此翼軌三角區(qū)尖端壓潰現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)翼軌受力狀態(tài)。本節(jié)對車輪與心軌、翼軌的仿真計算忽略了一些參數(shù)變化帶來的影響，如摩擦系數(shù)、軌道剛度、心軌輪廓等，因此仿真結(jié)果會略有局限性。

表5 與心軌承載對應(yīng)的翼軌等效應(yīng)力值

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化建議

1)減少轍叉輪緣槽，加寬心軌軌頭寬度，增加心軌承載能力。我國鐵路道岔固定轍叉及護(hù)軌各部間隔尺寸(查照間隔、護(hù)背距離、護(hù)軌平直段輪緣槽、轍叉輪緣槽、轍叉咽喉輪緣槽)是依據(jù)中國機(jī)車及車輛輪對尺寸和容差確定的。輪對參數(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初更新過2次，對應(yīng)的轍叉輪緣槽尺寸也應(yīng)當(dāng)作出相應(yīng)的調(diào)整［8］。具體方法是將心軌單邊加寬5 mm后，轍叉輪緣槽尺寸由46 mm減小至41 mm;調(diào)整心軌降低值和翼軌升高值，使受力比例更合理;調(diào)整后翼軌最大等效應(yīng)力值如表6所示。翼軌的最大等效應(yīng)力值約為2 492.4 MPa，是線路正常狀態(tài)下的2.6倍，若翼軌采用合金鋼鋼軌則可實現(xiàn)同心軌等強(qiáng)度。

表6 心軌頂寬加寬后對應(yīng)的翼軌等效應(yīng)力范圍

2)對翼軌頂面進(jìn)行加工，減少75 kg/m鋼軌頂面半徑15 mm圓弧范圍，增加翼軌有效承壓面。采用1∶20錐度的刀具，將軌頂加工3 mm。重新計算翼軌軌頂加工后最大等效應(yīng)力，加工前、后最大等效應(yīng)力的對比如表7所示。工況3的等效應(yīng)力云圖如圖6所示。

表7 翼軌頂面加工前、后最大等效應(yīng)力對比

由表7可以看出，翼軌承壓面寬度為19 mm時，頂面加工前、后對應(yīng)工況的等效應(yīng)力值明顯下降，為重載線路升級改造留出空間。

3)適當(dāng)減小護(hù)軌平直段的長度，讓心軌可提前承受來自車輪的橫向力。

圖6 表7中工況3的仿真結(jié)果

心軌加寬有利于其薄弱斷面的受力，車輪通過轍叉心軌尖端后，隨著心軌的快速加寬，可讓心軌提前承擔(dān)來自車輪的橫向荷載;當(dāng)車輪貼靠護(hù)軌運行時，提前進(jìn)入護(hù)軌緩沖區(qū)，有利于增加翼軌有效承壓面。

［1］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所．延長鋼軌和道岔修理周期關(guān)鍵技術(shù)研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2012．

［2］顧經(jīng)文.75 kg/m鋼軌12號鋼軌組合式可動心軌轍叉單開道岔的研究設(shè)計［J］．鐵道建筑，1997(5):2-5．

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T 3314—2006 內(nèi)燃機(jī)車通用技術(shù)條件［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GB/T 3317—2006 電力機(jī)車通用技術(shù)條件［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB/T 1718—2003 鐵道車輛輪對組裝技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2003．

［6］中華人民共和國冶金工業(yè)部．GB 8601—1988 鐵路用輾鋼整體車輪［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988．

［7］中華人民共和國鐵道部．TB/T 449—2003 機(jī)車車輛車輪輪緣踏面外形［S］．北京:中國鐵道出版社，2003．

［8］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所．重載鐵路道岔轍叉基礎(chǔ)參數(shù)研究報告［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2012．

U213．6+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．36

1003-1995(2013)04-0117-04

2012-12-10;

2013-01-20

葛晶(1981— )，女，天津人，助理研究員，碩士。

(責(zé)任審編 王 紅)