60 kg/m鋼軌12號鑲嵌翼軌合金鋼轍叉結構設計

孫立彬

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 概述

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路運量快速增加，列車運輸向密集、重載、高速發(fā)展，以滿足與日俱增的旅客運輸和貨物運輸需求。在大運量、重載和高速運營條件下，鐵路轍叉的使用工況日趨惡化，轍叉養(yǎng)護維修工作量增大，使用壽命縮短，制約了鐵路快速發(fā)展。合金鋼轍叉作為鐵路轍叉向高標準高要求發(fā)展的一種解決方案，具有高強度、高耐磨、可焊接等良好性能，已在各鐵路干線廣泛使用。據(jù)相關資料統(tǒng)計，目前每年國內(nèi)鐵路市場的合金鋼轍叉的需求總量大約15 000組，且呈逐年上升趨勢。

鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉因其心軌及翼軌磨耗較快部位均采用了貝氏體合金鋼耐磨材料，實現(xiàn)了心軌、翼軌同壽命，較普通翼軌式合金鋼轍叉使用壽命有了顯著提高，市場前景非常廣闊。本文以國鐵普速線路鋪設廣泛的60 kg/m鋼軌12號鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉為例，主要介紹其結構特點、核心部件受力分析、創(chuàng)新技術等，為鐵路轍叉產(chǎn)品提升提供技術參考。

2 轍叉設計原則及主要參數(shù)

2.1 設計原則

1)延長轍叉使用壽命、減少養(yǎng)護維修工作量，滿足國鐵普速線路運營條件。2)與既有轍叉具有互換性，通過速度等指標與既有轍叉一致。3)滿足無縫化適應性要求[1-2]。

2.2 主要參數(shù)

1)幾何尺寸(見表1)。

表1 轍叉主要參數(shù)

2)允許通過速度。

直向通過速度：客車不大于160 km/h；貨車V≤90 km/h(靜軸重不大于23 t)，V≤80 km/h(靜軸重不大于25 t),側向通過速度不大于50 km/h。

3 轍叉主要結構特點

鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉由合金鋼心軌、合金鋼鑲嵌塊、叉跟軌、翼軌、間隔鐵及其連接件組成。由于心軌兩側均設置了鑲嵌塊，翼軌不再設計上下彎折。合金鋼心軌與叉跟軌組裝后再進行叉跟軌的軌頂成型加工，增加轍叉平順性[3]。轍叉整體結構見圖1。

3.1 合金鋼心軌

合金鋼心軌外形尺寸：2 430 mm(長)×104 mm(最大寬度)×176 mm(高)，見圖2。兩側工作邊均為直線，工作邊及軌頂輪廓為(1∶5+R13 mm+R80 mm+R300 mm+1∶40)。心軌實際尖端(10 mm斷面)兩側工作邊各銑削2 mm向后過渡至20 mm斷面銑削為0 mm，以防止心軌實際尖端在不利情況下撞尖。

心軌跟端設“V”型結構以阻止心軌和叉跟軌在溫度力作用下產(chǎn)生縱向相對位移。因該轍叉用于無縫線路，為避免溫度力直接作用至螺栓上，心軌兩側設計φ60 mm止口結構，與間隔鐵、鑲嵌塊配合(見圖3)，將力傳遞到翼軌，避免螺栓直接受力。

3.2 合金鋼鑲嵌塊

外形尺寸為：1 650 mm(長)×76.7 mm(最大寬度)×159 mm(高)，見圖4。合金鋼鑲嵌塊與間隔鐵配合面采用φ60 mm雙止口結構設計，鑲嵌塊軌頭外側采用水平藏尖結構(1∶8斜度)，上顎允許0 mm～2 mm間隙，底部與翼軌底部設置高差17 mm，頂面為1∶40軌頂坡，見圖5。合金鋼鑲嵌塊趾端采用降坡處理，由159 mm(軌頭寬25 mm)過渡降低16 mm(軌頭寬10 mm)，再過渡降低至輪緣槽底部(端部)；跟端采用R100 mm圓弧貼尖設計，并在端部180 mm范圍內(nèi)頂面逐漸降低3 mm，端部10 mm范圍內(nèi)進行補充銑削，進一步提高鑲嵌塊端部粗壯度。

3.3 叉跟軌

采用與線路相同材質(zhì)的在線熱處理鋼軌制造，外形尺寸與既有普通翼軌式合金鋼轍叉叉跟軌尺寸基本一致，僅孔高不同。工作邊、軌頂廓形(1∶5+R13 mm+R80 mm+R300 mm+1∶40)應在和心軌組裝后加工。與合金鋼心軌間隔鐵配合的叉跟軌軌腰部位(魚尾空間上下斜面和R5 mm圓弧)進行成型加工，提高制造精度，降低組裝難度。

3.4 翼軌

采用與線路相同材質(zhì)的在線熱處理鋼軌制造，翼軌與合金鋼鑲嵌塊配合部位進行1∶8斜度刨切，減小翼軌頂面的刨切，見圖6。為保證轍叉咽喉處合金鋼鑲嵌塊能夠單獨承擔車輪載荷，減小翼軌的彎折角度，翼軌的刨切起點取在咽喉前，這樣既可以避免因彎折角度較大造成彎折點處裂紋，同時也保證了車輪在離開翼軌前鋼軌軌頭沒有被削弱。

3.5 間隔鐵

間隔鐵材質(zhì)為ZG230-450。其中與合金鋼心軌或鑲嵌塊配合部位設置凸臺，見圖7。

3.6 墊板結構

墊板均采用焊接結構，底板材質(zhì)為Q235B。墊板長度、寬度、孔距與既有轍叉墊板尺寸相同，滿足互換性要求。其中心軌寬20 mm～50 mm斷面處的兩塊墊板設計成整體大墊板結構，減小或緩沖該部位的車輪沖擊力，改善受力狀態(tài)，見圖8。

3.7 扣件系統(tǒng)

轍叉采用彈條Ⅱ型扣件扣壓鋼軌軌肢；鋼軌軌下設5 mm厚橡膠墊板；轍叉左側安裝13號軌距塊，右側安裝11號軌距塊；左開時右側安裝13號軌距塊，左側安裝11號軌距塊。扣件系統(tǒng)垂直螺栓采用限位板+耐施防松螺母的鎖緊方式，軌底間距較小部位采用支距扣板，如圖9所示。

3.8 水平螺栓及螺母防松

轍叉采用M27-10.9S級高強度螺栓及耐施螺母進行聯(lián)結。螺栓、螺母采用鋼軌墊圈、防轉(zhuǎn)片結構進行防松。

4 合金鋼鑲嵌塊受力分析

由于鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉的心軌、叉跟軌結構與既有普通翼軌式合金鋼轍叉基本一致，因此本次設計的重點和難點主要集中在合金鋼鑲嵌塊的結構設計。針對新設計60 kg/m鋼軌12號鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉分別計算順向和逆向進叉時，車輪與鑲嵌塊接觸區(qū)域的最大應力，分析鑲嵌塊的受力狀態(tài)，判斷鑲嵌塊的結構強度。

4.1 邊界條件

當25 t軸重貨物列車通過時的動荷載最大，Pd=125×(1+0.6×80/100)=125×1.48=185 kN。考慮偏載及軌道不平順的的影響，計算時車輪最大動荷載取200 kN。鑲嵌塊受到的最大橫向力取120 kN。

道岔用于有砟道床，因此計算鋼軌時的扣件系統(tǒng)剛度取60 kN/mm，道床剛度取100 kN/mm；鋼軌節(jié)點剛度為：

D=60×100/(60+100)=37.5 kN/mm。

翼軌與鑲嵌塊采用M27高強螺栓連接，螺栓設計扭矩1 100 N·m，螺栓預緊力:

F=1 100 N·m/0.15/0.027 m=272 kN。

4.2 建模分析

4.2.1 逆向進叉

在ANSYS中建立車輪逆向進叉時的翼軌鑲嵌塊組件與車輪的模型如圖10所示，在車輪上施加200 kN的豎向荷載，翼軌底部按照37.5 kN/mm施加彈性支撐，螺栓施加272 kN預緊力，車輪與鋼軌之間的接觸采用摩擦接觸模擬，摩擦系數(shù)取0.3。

對所建立的模型施加邊界條件并進行計算，得到鑲嵌塊頂面降坡開始位置(頂寬25 mm斷面處)受力較大，輪軌接觸斑如圖11所示。

根據(jù)鑲嵌塊設計圖紙可知，25 mm斷面處鑲嵌塊最高點低于翼軌0.4 mm，但車輪與鑲嵌塊已完全接觸，從圖11可以看出，輪軌接觸斑形狀大致呈橢圓形，與赫茲接觸理論一致，但是應力最大的區(qū)域接觸斑呈細長狀態(tài)，應力較為集中，最大應力為1 342.8 MPa，大于合金鋼的抗拉強度1 280 MPa。

在應力最大處將鑲嵌塊沿橫斷面剖開得到輪軌接觸處鑲嵌塊橫斷面的接觸應力分布如圖12所示。從圖12中可以看出，由于車輪與鋼軌的接觸點在鑲嵌塊頂面R13 mm圓弧處，最大接觸應力亦出現(xiàn)在此處，且分布比較集中，造成該現(xiàn)象的原因是車輪R100 mm圓弧與鋼軌R13 mm圓弧接觸，兩者半徑相差過大，接觸點處曲率變化較快，導致接觸區(qū)域沿橫向較窄，出現(xiàn)較大的應力集中。結合以往類似結構的合金鋼轍叉使用經(jīng)驗，在該接觸狀態(tài)下，鑲嵌塊頂面容易造成磨損，甚至出現(xiàn)掉塊。

4.2.2 順向進叉

順向進叉時，車輪輪背與鑲嵌塊側面接觸，主要檢算車輪輪背對鑲嵌塊的沖擊作用，建立模型如圖13所示，輪背與鑲嵌塊的接觸位置在鑲嵌塊末端結構薄弱處。

計算所得鑲嵌塊與車輪接觸區(qū)域的應力分布如圖14所示，接觸斑形狀也呈橢圓形，最大接觸應力為1 031.6 MPa，小于合金鋼的抗拉強度，大于屈服強度(按800 MPa計)，圖15為接觸應力在鑲嵌塊橫斷的分布，應力在接觸點沿橫向呈三角狀分布，在車輪沖擊下，此處會有局部變形，但強度總體能夠滿足要求。

4.2.3 結論與建議

根據(jù)有限元模擬分析結果，當車輪逆向進叉時，車輪與鑲嵌塊最大接觸應力為1 342.8 MPa，接觸點位于R13 mm圓弧處，由于車輪接觸點與鑲嵌塊接觸點處的圓弧曲率相差過大，導致接觸應力分布較為集中，建議鑲嵌塊頂面輪廓優(yōu)化為(R13 mm+R80 mm+R300 mm+1∶40)，從而改善輪軌接觸關系，減小接觸應力集中。當車輪順向進叉時，車輪輪背與鑲嵌塊的接觸面也比較小，但是在120 kN橫向力的作用下，最大接觸應力1 031.6 MPa，小于材料的抗拉強度，理論上可以滿足強度要求[4]。

5 主要創(chuàng)新技術

1)藏尖式鑲嵌翼軌結構(即鑲嵌塊軌頭藏于翼軌軌頭之中)，既增強鑲嵌塊軌頭部位的強度，改善了鑲嵌塊受力狀態(tài)，提高了轍叉使用壽命；又可防止列車過叉時鑲嵌塊與翼軌之間的上下跳動，保障了線路運營安全。

2)翼軌鑲嵌塊與翼軌鋼軌上顎設置0 mm～2 mm間隙，下顎密貼配合，組裝簡單，滿足在線更換與養(yǎng)護。

3)轍叉心軌寬20 mm～50 mm斷面處整體大墊板結構，減小或緩沖該部位的車輪對其沖擊力，改善了受力狀態(tài)。

6 結語

新設計的60 kg/m鋼軌12號鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉首次采用了藏尖式鑲嵌翼軌結構，增強鑲嵌塊軌頭部位的強度，解決了鑲嵌塊兩端結構薄弱問題。鑲嵌塊與翼軌上顎之間設置有間隙，轍叉組裝更加簡單，滿足鑲嵌塊在線更換和養(yǎng)護。通過對合金鋼鑲嵌塊的受力分析，優(yōu)化了設計中的不足，對轍叉結構的可靠性提供了保障。后續(xù)將結合新轍叉上道使用情況，及時做好總結和優(yōu)化改進，為今后國鐵普速線路固定型轍叉的設計、制造、鋪設積累了更多的經(jīng)驗[5]。