彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘受力分析

孫林林，方杭瑋，冉 蕾，劉偉明，孔慶雷

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100020；3.中國(guó)鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司大慶工務(wù)段，黑龍江大慶163000）

扣件系統(tǒng)是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是聯(lián)結(jié)鋼軌與支承結(jié)構(gòu)的重要部件［1］。它一般由彈條、軌下墊板、軌距擋板、螺旋道釘?shù)榷鄠€(gè)零部件組成，其中任一零部件失效或斷裂均會(huì)直接影響扣件系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性［2-4］。我國(guó)鐵路大量采用有螺栓扣件系統(tǒng)，螺旋道釘總體應(yīng)用情況良好，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在若干問題，如彈條Ⅱ型扣件系統(tǒng)采用預(yù)埋套管方式聯(lián)結(jié)時(shí)存在螺旋道釘彎曲甚至斷裂的情況。

對(duì)于扣件系統(tǒng)中螺旋道釘在應(yīng)用中出現(xiàn)的傷損、斷裂等問題，王峰等［5］針對(duì)滬杭客運(yùn)專線WJ-8C 型扣件中螺旋道釘錘擊松退的原因進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)，提出將6 mm墊圈更換為4 mm墊圈的解決方案；張志遠(yuǎn)［6］對(duì)滬寧城際鐵路WJ-7B型彈性分開式扣件中螺旋道釘松動(dòng)的原因進(jìn)行了調(diào)研分析，并從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)方面提出了防松對(duì)策；雷曉燕等［7］通過建立力學(xué)分析模型對(duì)螺旋道釘斷裂的原因進(jìn)行了理論分析，提出了減少道釘斷裂的措施；Dick 等［8］建立了一種新的螺旋道釘彎曲應(yīng)力測(cè)試方法，并與有限元法相結(jié)合來分析螺旋道釘?shù)钠诤奢d；肖宏等［4］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用擴(kuò)展有限元方法對(duì)地鐵螺旋道釘裂紋發(fā)展過程進(jìn)行了分析，提出在螺旋道釘頭部與桿部結(jié)合處設(shè)置過渡圓弧可有效減緩或避免螺旋道釘?shù)臄嗔褑栴}。

綜上可以看出，已有許多學(xué)者針對(duì)螺旋道釘松退、裂紋擴(kuò)展、斷裂等問題進(jìn)行了大量研究工作，但鮮有學(xué)者對(duì)彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘存在的偏心受力情況進(jìn)行分析。本文通過建立彈條Ⅱ型扣件系統(tǒng)的精細(xì)化有限元模型，模擬螺旋道釘在安裝過程中及列車荷載作用下的偏心受力狀態(tài)，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，為彈條Ⅱ型扣件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

彈條Ⅱ型扣件普遍應(yīng)用于我國(guó)客貨共線鐵路中，現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好。該扣件系統(tǒng)螺旋道釘采用硫磺錨固方式，該方式錨固強(qiáng)度高，絕緣性能好，造價(jià)低，作業(yè)簡(jiǎn)便，但錨固作業(yè)過程中會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。隨著我國(guó)環(huán)保要求的日益提高，這種作業(yè)方式越來越受到限制。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)替代硫磺錨固的多種聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行了研究，如預(yù)埋套管方式。

通過對(duì)蘭新鐵路預(yù)埋套管式彈條Ⅱ型扣件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前扣件使用情況基本良好，可有效保持軌距和軌向。但由于螺旋道釘偏心受力，出現(xiàn)螺旋道釘彎曲甚至斷裂的現(xiàn)象。圖1為預(yù)埋套管式彈條Ⅱ型扣件現(xiàn)場(chǎng)情況。

從圖1（a）彈條Ⅱ型扣件現(xiàn)場(chǎng)組裝狀態(tài)可以清晰地看出，彈條與平墊圈接觸位置明顯偏離平墊圈中心；從圖1（b）中平墊圈壓痕也可以看出，壓痕中心偏離平墊圈中心線。現(xiàn)場(chǎng)初步測(cè)量表明，彈條與平墊圈接觸位置偏離螺旋道釘中心距離約為4～13 mm。

圖1 預(yù)埋套管式彈條Ⅱ型扣件現(xiàn)場(chǎng)情況

從彈條Ⅱ型扣件組裝示意圖（圖2）也可以看出，無論在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)還是調(diào)高狀態(tài)下，彈條和螺旋道釘接觸位置與螺旋道釘中心均存在一定的偏離。在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下偏離3.8 mm，在調(diào)高狀態(tài)下偏離10.9 mm。

圖2 彈條Ⅱ型扣件組裝示意（單位：mm）

因此，彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘存在偏心受力問題，其除了承受軸力引起的拉伸應(yīng)力外，還承受由于偏心引起的彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致螺旋道釘受力狀態(tài)較為惡劣。

2 螺旋道釘受力狀態(tài)數(shù)值計(jì)算

采用有限元法對(duì)彈條Ⅱ型扣件系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)安裝過程中及列車荷載作用下的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，得到在既有硫磺錨固方式和采用預(yù)埋套管替代方式下的螺旋道釘受力狀態(tài)。

2.1 計(jì)算參數(shù)

采用ABAQUS 有限元軟件建立彈條Ⅱ型扣件有限元模型，所有零部件均采用實(shí)體單元模擬，真實(shí)反映各零部件的實(shí)際幾何特征和力學(xué)行為?？奂到y(tǒng)各零部件材料及參數(shù)見表1。

2.2 邊界條件模擬

扣件組裝狀態(tài)的邊界條件主要是指扣件組裝過程中各零部件之間的接觸狀態(tài)，包括接觸面法向的接觸剛度以及接觸面水平方向的摩擦。對(duì)于扣件組裝狀態(tài)，準(zhǔn)確地模擬邊界條件是合理計(jì)算各零部件受力狀態(tài)的關(guān)鍵。采用罰函數(shù)摩擦模型模擬各零部件之間的接觸關(guān)系，該模型允許接觸表面有彈性滑移，可以準(zhǔn)確地模擬扣件在組裝過程中彈條中肢與平墊圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及其他部件間的少量滑移。各零部件之間的摩擦因數(shù)見表2。

表1 扣件系統(tǒng)各零部件材料及參數(shù)

表2 扣件系統(tǒng)各零部件間摩擦因數(shù)

2.3 有限元模型

由于彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘在組裝狀態(tài)下存在偏心，為準(zhǔn)確計(jì)算螺旋道釘實(shí)際受力狀態(tài)，須精確建立其有限元模型。因此，根據(jù)彈條Ⅱ型扣件各零部件的實(shí)際幾何尺寸和空間相對(duì)位置，建立彈條Ⅱ型扣件標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高10 mm 狀態(tài)下的有限元模型，如圖3所示。

圖3 彈條Ⅱ型扣件有限元模型

同時(shí)為考慮列車荷載作用對(duì)扣件系統(tǒng)受力狀態(tài)的影響，建立扣件組裝有限元模型，如圖4所示。

圖4 彈條Ⅱ型扣件組裝有限元模型

2.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圖3和圖4建立的彈條Ⅱ型扣件有限元模型，對(duì)其在安裝過程中及列車荷載作用下的螺旋道釘受力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.4.1 安裝過程中螺旋道釘受力數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)螺旋道釘施加垂向位移荷載模擬扣件安裝過程，當(dāng)彈條中肢前端與軌距擋板接觸時(shí)停止加載。此時(shí)，彈條Ⅱ型扣件安裝到位，其應(yīng)力云圖見圖5。

圖5 彈條Ⅱ型扣件安裝到位時(shí)應(yīng)力云圖（單位：MPa）

根據(jù)彈條和平墊圈之間的法向接觸力大小及位置，得到安裝到位時(shí)螺旋道釘軸力、偏心距及彎矩，見表3。

表3 安裝到位時(shí)螺旋道釘受力狀態(tài)

對(duì)比表3和圖2可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下，螺旋道釘偏心距數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本一致，說明本文建立的彈條Ⅱ型扣件有限元模型可準(zhǔn)確地反映螺旋道釘?shù)钠氖芰顟B(tài)。

2.4.2 列車荷載作用下螺旋道釘受力數(shù)值計(jì)算結(jié)果

扣件系統(tǒng)除承受安裝過程中的緊固荷載外，還承受列車運(yùn)行引起的疲勞荷載。根據(jù)2017年中國(guó)鐵路總公司頒布的標(biāo)準(zhǔn)Q/CR 564—2017《彈條Ⅱ型扣件》［9］中對(duì)扣件疲勞荷載的規(guī)定，選取扣件系統(tǒng)受力最惡劣情況即小曲線半徑情況下鋼軌垂向荷載75 kN、橫向荷載60 kN作為計(jì)算荷載。

扣件組裝狀態(tài)下鋼軌在75 kN 垂向荷載和60 kN橫向荷載作用下的變形見圖6。

從圖6可以看出：此時(shí)鋼軌外側(cè)下移1.4 mm，外側(cè)的彈條扣壓力下降，螺旋道釘軸力相應(yīng)降低，受力狀態(tài)有所改善；鋼軌內(nèi)側(cè)上移0.4 mm，內(nèi)側(cè)的彈條中肢與軌距擋板接觸，導(dǎo)致彈條扣壓力增大，螺旋道釘軸力相應(yīng)增大，受力狀態(tài)更加惡劣。因此，在列車荷載作用下鋼軌內(nèi)側(cè)螺旋道釘受力狀態(tài)更加惡劣。計(jì)算時(shí)僅考慮內(nèi)側(cè)螺旋道釘受力情況。

圖6 列車荷載作用下鋼軌變形（單位：mm）

扣件系統(tǒng)安裝到位后，繼續(xù)對(duì)鋼軌施加垂向位移荷載，得到彈條Ⅱ型扣件在列車荷載作用下的應(yīng)力云圖，見圖7。

圖7 列車荷載作用下彈條Ⅱ型扣件應(yīng)力云圖（單位：MPa）

列車荷載作用下螺旋道釘軸力、偏心距及彎矩見表4。

表4 列車荷載作用下螺旋道釘受力狀態(tài)

根據(jù)表4中螺旋道釘所受軸力及彎矩，計(jì)算得到彈條Ⅱ型扣件采用硫磺錨固和預(yù)埋套管方式下的螺旋道釘應(yīng)力云圖，分別見圖8和圖9。

圖8 硫磺錨固方式下彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘應(yīng)力云圖（單位：MPa）

從圖8和圖9可以看出：采用硫磺錨固方式聯(lián)結(jié)時(shí)，螺旋道釘最大應(yīng)力位于錨固凸臺(tái)倒角位置；采用預(yù)埋套管方式聯(lián)結(jié)時(shí)，螺旋道釘最大應(yīng)力位于圓弧過渡最小直徑處。

圖9 預(yù)埋套管方式下彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘應(yīng)力云圖（單位：MPa）

列車荷載作用下螺旋道釘最大應(yīng)力見表5?？梢钥闯觯涸跇?biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下，彈條Ⅱ型扣件采用硫磺錨固方式時(shí)螺旋道釘應(yīng)力均未達(dá)到Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼235 MPa的屈服應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；而采用預(yù)埋套管方式時(shí)，螺旋道釘應(yīng)力均超過Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服應(yīng)力，不滿足強(qiáng)度要求，應(yīng)提高材料強(qiáng)度等級(jí)或改善螺旋道釘受力情況。且該結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中硫磺錨固方式下螺旋道釘應(yīng)用情況良好，而預(yù)埋套管方式下螺旋道釘出現(xiàn)彎曲甚至斷裂的結(jié)果一致。

表5 列車荷載作用下螺旋道釘最大應(yīng)力

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘軸力和彎矩進(jìn)行測(cè)試分析，室內(nèi)試驗(yàn)情況如圖10所示。

圖10 螺旋道釘受力室內(nèi)試驗(yàn)情況

在螺旋道釘同一斷面位置每間隔90°粘貼應(yīng)變片，共4 片。其中2 片沿軌枕縱截面方向，用于測(cè)試螺旋道釘彎曲應(yīng)變，另外2片沿軌枕橫截面方向，用于測(cè)試螺旋道釘拉伸應(yīng)變。測(cè)試工況分2 種：①工況1 測(cè)試彈條安裝擰緊到3點(diǎn)接觸時(shí)螺旋道釘受力情況；②工況2 測(cè)試彈條安裝到位后，對(duì)鋼軌施加垂向75 kN、橫向60 kN荷載下的螺旋道釘受力情況。

試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表6。

表6 螺旋道釘受力試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表6可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下，彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘軸力和彎矩?cái)?shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了有限元模型的合理性和螺旋道釘受力狀態(tài)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文對(duì)彈條Ⅱ型扣件在既有硫磺錨固方式和預(yù)埋套管替代方式下的螺旋道釘現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況進(jìn)行了調(diào)研，采用有限元法對(duì)安裝過程中及列車荷載作用下的螺旋道釘受力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

1）彈條Ⅱ型扣件組裝狀態(tài)下螺旋道釘普遍存在偏心受力情況，既有硫磺錨固方式下彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘應(yīng)用狀態(tài)良好，預(yù)埋套管方式下螺旋道釘出現(xiàn)彎曲甚至斷裂的情況。

2）彈條Ⅱ型扣件采用硫磺錨固方式時(shí)螺旋道釘應(yīng)力未達(dá)到Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；采用預(yù)埋套管方式時(shí)，螺旋道釘應(yīng)力超過Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服應(yīng)力，不滿足強(qiáng)度要求，應(yīng)提高材料強(qiáng)度等級(jí)或改善螺旋道釘偏心受力情況。

3）彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘軸力和彎矩?cái)?shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比誤差均在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了有限元模型的合理性和螺旋道釘受力狀態(tài)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。