有軌電車扣件的軌距擋塊調高墊板強度分析

張 龍 慶

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

結合當前的有軌電車設計情況[1-6]，開發一種新型不分開式有軌電車扣件，但在產品試驗過程中，調高墊板和軌距擋塊會有不同程度的開裂出現。為優化軌距擋塊和調高墊板尺寸，滿足結構設計強度要求，本文對有軌電車調高墊板和軌距擋塊接觸模型進行強度分析，得出了合理的調高墊板和軌距擋塊尺寸。

1 有軌電車扣件系統結構形式

根據現代有軌電車的線路條件和最高速度80 km/h、最大軸重12.5 t運營條件要求，研發了適用于59R2或60R2槽型軌的有軌電車扣件。該扣件系統由彈條、螺栓、螺母、軌距擋板、橡膠墊板、預埋套管、調高墊板等組成，混凝土軌枕設置斜擋肩，為有螺栓扣件(見圖1)。

2 計算模型及參數

為分析軌距擋塊和調高墊板在橫向力作用下的不同尺寸參數以及兩者在材料運用上能否滿足結構靜強度要求，首先利用建立了軌距擋塊、調高墊板的簡化有限元模型，如圖2a)所示。在分析模型中，將調高墊板的側面進行全約束，底面施加垂向約束；軌距擋塊側向施力面以及彈條支承面施加垂向約束。在軌距擋塊側面高度為20 mm以上施加橫向荷載，如圖2b)所示。

根據材料力學[2]對塑性材料的安全系數限值要求并綜合考慮各種因素取安全系數ns=1.3?？紤]軌距擋塊和調高墊板使用的材質玻璃增強聚酰胺66和改性尼龍均為塑性材料，而材料力學中第三強度理論和第四強度理論是以出現塑性屈服或發生顯著的塑性變形作為失效標志，因此適合塑性材料的判斷準則。但由于第三強度理論不考慮第二主應力的影響，計算結果偏于保守，第四強度理論同時考慮了三個方向的主應力，更加符合實際。綜上所述，本次分析中采用第四強度理論開展軌距擋塊和調高墊板靜強度分析，并以第三強度理論作為兩者受力規律參考項。材質方面，軌距擋板采用玻璃增強聚酰胺66，調高墊板采用改性尼龍。在接觸的摩擦系數方面，軌距擋塊、調高墊板之間取為0.35。材料參數如表1所示。

表1 有軌電車扣件調高墊板軌距擋塊材料特性

3 計算工況

采用以上有限元模型進行靜力分析。分析中，在軌距擋塊側面施加的節點力大小以30 kN橫向力轉換計算得到，考慮軌距擋塊的寬度、調高墊板的寬度參數，表2為各種工況的對比分析。

表2 不同工況材料參數

4 結果分析

圖3～圖6給出了以上各種計算工況下，第三強度理論應力和第四強度理論應力變化曲線。

由圖3和圖4可知，隨著軌距擋塊寬度的增大，調高墊板和軌距擋塊的第三強度理論應力和第四強度理論應力均顯著減小。在設置的以上各軌距擋塊寬度工況下，軌距擋塊第三、第四強度理論應力最大降幅達40 MPa；調高墊板第三、第四強度理論應力最大降幅達2 MPa；另外，從圖4中還可以看出，當軌距擋塊與調高墊板等寬度時，調高墊板的第三、第四強度理論應力值均有所增大，表明兩者等寬度時，在調高墊板邊緣產生較大的應力。在適當增大兩者接觸面積的同時應避免兩者寬度過于接近，以此來防止在軌距擋塊和調高墊板的接觸邊緣產生應力集中現象。

由圖5和圖6可知，隨著軌距擋塊和調高墊板的寬度同時增大，調高墊板和軌距擋塊第三強度理論應力強度和第四強度理論應力均呈減小趨勢。在設置的以上各軌距擋塊和調高墊板寬度工況下，軌距擋塊第三、第四強度理論應力最大降幅達23 MPa；調高墊板第三、第四強度理論應力最大降幅達1.9 MPa。

從以上分析可以看出，增大軌距擋塊寬度使得軌距擋塊與調高墊板的接觸面積以及鋼軌與軌距擋塊的接觸面積，軌距擋塊和調高墊板受力明顯減??；增大擋塊和調高墊板寬度與增大軌距擋塊寬度同理。綜上所述，并結合工程設計經驗選取軌距擋塊的寬度為115 mm，調高墊板的寬度為170 mm。

5 最優工況強度校核

根據目前實際的軌距擋塊和調高墊板尺寸，即軌距擋塊寬115 mm，調高墊板寬170 mm，建立了軌距擋塊、調高墊板有限元模型，如圖7所示。以軌距擋塊與調高墊板接觸面是否開槽兩種工況分析，模型中各部件材料參數以及施加的約束同前，單個節點上的力大小為155 440 N，各節點施加力總和為30 kN。

軌距擋塊與調高墊板接觸部分開槽前后兩者的最大橫向位移、最大橫向應力、第三強度理論應力、第四強度理論應力情況如表3所示。

表3 軌距擋塊與調高墊板接觸部分開槽前后靜力計算結果對比

從表3可以看出，在軌距擋塊與調高墊板接觸部分開槽后，軌距擋塊和調高墊板橫向位移、橫向應力、第三強度理論應力以及第四強度理論應力均有所增加，但增幅不大。在設置以上兩種工況下，調高墊板第三強度理論應力最大增幅為0.426 MPa，其第四強度理論應力最大增幅為0.415 MPa。軌距擋塊第三強度理論應力最大增幅為1.496 MPa，其第四強度理論應力最大增幅為1.267 MPa。由此可見，軌距擋塊與調高墊板接觸部分開槽對兩者的第三、第四強度理論應力影響均不大。

根據前面選取的安全系數ns=1.3以及材料參數表1中的軌距擋塊和調高墊板的屈服強度值，可分別得到兩者的許用應力：

6 結語

1)隨著軌距擋塊寬度的增大，調高墊板和軌距擋塊的強度理論應力均顯著減小，在設置的以上各工況下，軌距擋塊強度理論應力最大降幅達40 MPa，調高墊板強度理論應力最大降幅達2 MPa，當軌距擋塊與調高墊板等寬度時，調高墊板的強度理論應力值均有所增大，兩者等寬度時，在調高墊板邊緣產生較大的應力；2)隨著軌距擋塊和調高墊板的寬度同時增大，調高墊板和軌距擋塊強度理論應力強度和強度理論應力均呈減小趨勢，在設置的以上各工況下，軌距擋塊強度理論應力最大降幅達23 MPa，調高墊板強度理論應力最大降幅達1.9 MPa；3)根據模擬實際調高墊板和軌距擋塊情況可知，選取的最優工況下，軌距擋塊及調高墊板均滿足強度設計要求，軌距擋板和調高墊板的材料參數及尺寸結構參數取值是合理可行的。