一種高速道岔用應(yīng)急加固裝置的有限元分析

李　楠　張東風(fēng)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055 )

The Finite Element Analysis of an Emergency Reinforcement Device for High-Speed Turnouts

NAN Li　ZHANG Dongfeng

一種高速道岔用應(yīng)急加固裝置的有限元分析

李楠張東風(fēng)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055 )

The Finite Element Analysis of an Emergency Reinforcement Device for High-Speed Turnouts

NAN LiZHANG Dongfeng

摘要針對(duì)高速道岔基本軌、尖軌、心軌等不同位置發(fā)生折斷的情況，“內(nèi)撐外鎖”是一種最典型的加固方式，適用性很廣。“內(nèi)撐外鎖”這一典型加固裝置由多個(gè)部件組成，其整體受力較為復(fù)雜。采用solidworks三維造型建模，對(duì)“內(nèi)撐外鎖”結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析表明“內(nèi)撐外鎖”加固裝置的各部件受力狀態(tài)均滿足材料強(qiáng)度要求，加固后斷口處最大縱、橫向位移分別為0.185 mm和0.14 mm，“內(nèi)撐外鎖”加固裝置起到了對(duì)斷口的固定作用，滿足道岔應(yīng)急加固裝置的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞道岔，加固裝置，內(nèi)撐外鎖，急救器，有限元分析

1概述

道岔是高速鐵路軌道的重要設(shè)備，在高速列車強(qiáng)大動(dòng)力荷載作用下，鋼軌和道岔的沖擊應(yīng)力會(huì)加大，形成應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生折斷故障，影響行車安全。對(duì)于鋼軌、道岔主要部件的折斷傷損，《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》規(guī)定，無(wú)論是道岔還是鋼軌一旦發(fā)生折斷，要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速加固，加固后必須保證道岔直向運(yùn)行安全，最大程度地減少其對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊慬1]。目前急救裝置主要是針對(duì)正線鋼軌設(shè)計(jì)的，若用于道岔和伸縮器的鋼軌時(shí)，會(huì)出現(xiàn)安裝困難，加固不牢，甚至不能使用的情況，當(dāng)列車通過(guò)斷口時(shí)，斷口會(huì)迅速惡化，產(chǎn)生極大安全隱患[2-3]。在道岔應(yīng)急加固方面，為保證行車安全，也開發(fā)了鉤鎖器、釘閉器等。針對(duì)道岔基本軌、尖軌、心軌等不同位置發(fā)生折斷的情況，“內(nèi)撐外鎖”是一種最典型的加固方式，適用性很廣[4]。“內(nèi)撐外鎖”這一典型加固裝置由多個(gè)部件組成，其整體受力較為復(fù)雜，本文采用三維造型建模，對(duì)“內(nèi)撐外鎖”這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，確保受力、結(jié)構(gòu)和位移等各方面滿足材料強(qiáng)度及斷軌后列車通過(guò)道岔的安全要求。

2鋼軌折斷后的受力分析

以60AT2鋼軌制作尖軌為例[5，6]，發(fā)生折斷后受力可簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)支梁模型。如圖1所示，鋼軌折斷后，斷軌處鋼軌受力可簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，極端情況下其鋼軌折彎處受力情況如圖2所示。

圖1　AT軌折斷處受力情況

圖2　尖軌折斷處簡(jiǎn)支梁受力模型

Pd為列車豎向設(shè)計(jì)載荷，Pj為靜輪載；Pd=α·Pj

其中：靜輪載取17 t；300 km/h以上線路動(dòng)載系數(shù)α取3.0[7]。

則：Pd=255 kN；

以U71MnG材質(zhì)為例，無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范中屈服強(qiáng)度σs僅為457 MPa[8]，通過(guò)計(jì)算可知，軌枕間距通常為600～650 mm，承軌臺(tái)頂面寬度通常為220～250 mm，極端情況下，折斷位置距離軌枕邊緣最遠(yuǎn)時(shí)為440 mm。如圖3所示，尖軌軌折斷后，在軌枕邊緣處，尖軌斷口處承受的最大應(yīng)力σAT-max≈533.6 MPa，已經(jīng)超過(guò)材料屈服強(qiáng)度；尖軌折斷后，鋼軌最大應(yīng)力σAT-max≥σs，斷口鋼軌發(fā)生塑性變形，折斷處的最大變形量為2.42 mm，如圖4所示。在車輪的不斷沖擊下，斷口會(huì)迅速增大并惡化，對(duì)安全影響很大。若折斷發(fā)生在尖軌、心軌等截面更小位置時(shí)，則應(yīng)力更大，易引發(fā)二次折斷或其他病害。

因此，道岔部件發(fā)生折斷傷損后必須立即加固處理，“內(nèi)撐外鎖”加固裝置是快速解決這一問(wèn)題有效途徑。

圖3　尖軌折斷最大應(yīng)力

圖4　端部最大位移

3“內(nèi)撐外鎖”加固裝置受力與結(jié)構(gòu)分析

3.1　結(jié)構(gòu)與原理

“內(nèi)撐外鎖”結(jié)構(gòu)的典型特征是內(nèi)部頂撐，外部拉鎖。與傳統(tǒng)鉤鎖器不同，“內(nèi)撐外鎖”結(jié)構(gòu)通過(guò)2根螺旋連桿將前、后頂板連接，根據(jù)基本軌與尖軌距離的不同，調(diào)節(jié)內(nèi)撐裝置的長(zhǎng)度與角度，通過(guò)“內(nèi)撐外鎖”的加固形式對(duì)鋼軌的分離部位進(jìn)行加固，可保證斷縫與基本軌形成一個(gè)整體框架，保證其剛度和穩(wěn)定性，典型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　“內(nèi)撐外鎖”結(jié)構(gòu)示意

3.2　“內(nèi)撐外鎖”典型加固裝置的有限元分析

(1)三維造型

使用Solidworks造型軟件，對(duì)典型的“內(nèi)撐外鎖”應(yīng)急加固裝置進(jìn)行三維造型，如圖6所示，加固裝置由鐵靴、內(nèi)頂套、異型螺栓，螺母幾部分構(gòu)成，加固裝置的頂部和底部構(gòu)造特征如圖7所示。

圖6　三維造型圖

圖7　頂部與底部特征

(2)邊界條件及網(wǎng)格化

鋼軌為60 kg/m的U71MnG，彈性模量2.1E11Pa，泊松比為0.3；鋼軌套靴ZG310-570材料的許用應(yīng)力為310 MPa，異型連接螺栓和螺母為45#合金鋼，屈服不低于355 MPa。為方便計(jì)算，對(duì)模型邊界條件適當(dāng)優(yōu)化，固定端約束鋼軌兩側(cè)端頭，鐵靴的螺栓進(jìn)行固定約束，鋼軌套靴內(nèi)側(cè)與鋼軌外側(cè)邊緣完全貼合，內(nèi)頂套與鋼軌軌腰貼合，通過(guò)螺栓螺母結(jié)構(gòu)鎖閉，螺母鎖定扭矩按照150 Nm，單根鋼軌上的垂向作用力按255 kN，橫向力按垂向力的80%計(jì)算[4]，約束如圖8所示，網(wǎng)格劃分如圖9所示。

圖8　“內(nèi)撐外鎖”加固裝置整體約束

圖9　網(wǎng)格劃分

(3)靜力學(xué)分析

強(qiáng)度分析：

整個(gè)加固裝置最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)頂套接近斷口處的螺栓結(jié)構(gòu)邊緣，這是由于此處鋼軌折斷，缺乏鋼軌本身產(chǎn)生的約束，因此輪子的作用力施加到了內(nèi)頂套頂板上，符合其本身的受力狀態(tài)，而整個(gè)內(nèi)頂套的應(yīng)力基本在100～300 MPa之間，內(nèi)頂套頂板的受力約為120 MPa，遠(yuǎn)小于其材料屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。需要指出的是，內(nèi)頂套螺栓與頂板是焊接為一體的，此處應(yīng)力易產(chǎn)生集中，焊接質(zhì)量需有保障。鋼軌套靴螺孔處和加強(qiáng)筋處的最大應(yīng)力均為100 MPa左右，滿足強(qiáng)度要求。

位移分析：

最不利條件下，輪子作用于斷口鋼軌一側(cè)，增加“內(nèi)撐外鎖”的應(yīng)急加固裝置后，其最大綜合位移發(fā)生在斷口處，最大縱向位移僅為0.185 mm，最大橫向位移為0.14 mm，位移量從斷口向兩側(cè)遞減，符合受力狀態(tài)和物理規(guī)律，“內(nèi)撐外鎖”加固裝置起到了對(duì)斷口的加固作用，符合設(shè)計(jì)要求。

4現(xiàn)場(chǎng)模擬安裝

小批量試制了“內(nèi)撐外鎖”應(yīng)急加固裝置，在線路上進(jìn)行模擬安裝和試用。將夾板貼在基本軌的內(nèi)側(cè)腰部，將單頂套固定在斷口位置，鎖緊頂套螺母，視部位安裝高強(qiáng)外鎖夾具將尖軌與基本軌鎖緊，完成對(duì)斷口的應(yīng)急加固。

5結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)典型的“內(nèi)撐外鎖”應(yīng)急加固裝置的受力分析可知，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度可滿足對(duì)道岔軌件的加固需求，材料選擇合適，結(jié)構(gòu)較為合理。

(2)“內(nèi)撐外鎖”應(yīng)急加固裝置的最大應(yīng)力集中在斷口附近的內(nèi)頂套上，應(yīng)力水平普遍在100~300 MPa之間，內(nèi)頂套螺栓與頂板的焊接質(zhì)量需要保證；鋼軌套靴的螺栓孔附近和肋板加強(qiáng)筋上的應(yīng)力約為100 MPa，遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度，均滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)“內(nèi)撐外鎖”應(yīng)急加固裝置的整體鎖閉性能較好，加固裝置安裝后，斷口處的垂、橫向位移很小，分別為0.185 mm和0.14 mm，幾乎可以忽略不計(jì)，滿足高速道岔應(yīng)急加固的要求。

參考文獻(xiàn)

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[6]TB/T 3109—2013鐵路道岔用非對(duì)稱斷面鋼軌[S]

[7]TB/T 10621—2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[8]TB10015—2012鐵路無(wú)縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

中圖分類號(hào)：U213.6+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)03-0108-03

作者簡(jiǎn)介：第一李楠(1983—)，男，2013年畢業(yè)于北京交通大學(xué)車輛工程專業(yè)，工學(xué)博士，工程師，E-nanlichina@163.com。

收稿日期：2015-01-23