一種新型整鑄護(hù)軌墊板的設(shè)計(jì)研究及分析

劉亞航,代 豐,荊 果,王 平

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

護(hù)軌墊板是道岔的重要部件之一,其作用是保證機(jī)車車輛順利通過道岔轍叉部分而不發(fā)生脫軌事故[1]。護(hù)軌墊板承受著相當(dāng)復(fù)雜的荷載作用,包括車輪通過鋼軌、護(hù)軌傳到墊板上的垂直和水平荷載、彈條壓力、T形螺栓拉力和螺栓預(yù)壓力等。在列車過岔速度過高時(shí),橫向作用力將會(huì)有顯著的增大,這樣,對(duì)護(hù)軌墊板整體受力要求就十分苛刻。對(duì)于以前的舊式焊接型護(hù)軌墊板,立墻與底座板之間通過焊接連接,其焊縫的強(qiáng)度已逐漸無法滿足高速列車通過時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的橫向受力要求,加之焊縫本身存在內(nèi)部殘余應(yīng)力,對(duì)整個(gè)護(hù)軌墊板的強(qiáng)度和穩(wěn)定性都有明顯的不利影響。

為滿足現(xiàn)今高速鐵路的發(fā)展要求,需要一種能夠承受更高沖擊力,具有更高的整體穩(wěn)定性的護(hù)軌墊板,以提供列車高速過岔時(shí)的安全保證。那么,新型的整鑄式護(hù)軌墊板就十分必要了。

1 新型護(hù)軌墊板設(shè)計(jì)方案

新型整鑄護(hù)軌墊板是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接護(hù)軌墊板容易折斷而設(shè)計(jì)的一種新型護(hù)軌墊板,其特征是在結(jié)構(gòu)上強(qiáng)化了薄弱斷面,增加了橫向和垂向彈性,其流線形設(shè)計(jì),外觀比較優(yōu)美,同時(shí)還可以節(jié)約材料。與焊接墊板相比,整鑄墊板消除了焊縫,底板和立墻用較大的圓弧連接,緩解了墊板的豎向剛度突變,整鑄墊板采用邊墻結(jié)構(gòu),使墊板上部有足夠的橫向剛度。同時(shí)墊板在縱向和橫向有較好的彈性。墊板材料采用QT400-15,彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比0.3,屈服強(qiáng)度250 MPa,極限抗拉強(qiáng)度450 MPa。新型整鑄護(hù)軌墊板設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

圖1 整鑄護(hù)軌墊板立面(單位：cm)

圖2 整鑄護(hù)軌墊板平面(單位：cm)

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 分析模型

由于缺少鐵路道岔荷載譜,對(duì)墊板分析采用靜力分析法。通過對(duì)護(hù)軌墊板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,將墊板所受荷載簡(jiǎn)化為作用于承軌面上的列車垂直荷載和作用于立墻上部的水平荷載,并考慮螺栓拉力及扣件扣壓力,另外還有扣件系統(tǒng)對(duì)墊板的力,包括：扣件壓力、上拔力和扣件對(duì)鋼軌的壓力。墊板位于彈性支承上,基本分析模型如圖3所示。

圖3 護(hù)軌墊板力學(xué)分析模型

2.2 荷載工況及其邊界條件

18號(hào)可動(dòng)心軌提速道岔護(hù)軌墊板最不利荷載工況為：對(duì)于高速鐵路來說,當(dāng)25 t軸重貨車以80 km/h速度側(cè)向過岔時(shí),護(hù)軌對(duì)墊板產(chǎn)生最大水平力約為70 kN[4]；當(dāng)16 t軸重客車以90 km/h速度側(cè)向過岔時(shí),護(hù)軌對(duì)墊板產(chǎn)生最大水平力約為50 kN[4,均布于立墻側(cè)面螺栓孔上部區(qū)域。

行走軌對(duì)墊板荷載PA均布于承軌面上,貨車時(shí),取PA=125 kN[4](其中單個(gè)彈條的扣壓力10 kN；貨物列車軸重25 t,提速貨車動(dòng)力系數(shù)取為1.68,考慮到護(hù)軌的幫軌作用,作用于墊板上的分配系數(shù)取為0.5)；客車時(shí),取PA=70 kN[4](其中單個(gè)彈條的扣壓力10 kN；客車軸重16 t,提速客車動(dòng)力系數(shù)取為2.0,考慮到護(hù)軌的幫軌作用,作用于墊板上的分配系數(shù)取為0.5)。

螺栓預(yù)緊力P簡(jiǎn)化為作用于墊板螺栓孔周圍圓環(huán)區(qū)域的均布?jí)毫?根據(jù)螺栓扭矩?fù)Q算所得的預(yù)緊力為60 kN。

扣件對(duì)墊板的壓力PV均布作用在弧形槽的底部,PV=10 kN；

扣件上螺栓上拔力,均布于彈條座和螺栓的接觸面上,PL=20 kN；

臺(tái)板可能承受從基本軌傳來的輪軌力,作用在臺(tái)板伸出部分扣壓鋼軌的部位。初步取為與扣件扣壓力相等的壓力10 kN。

取兩種工況對(duì)護(hù)軌墊板進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析,荷載工況如表1所示。

表1 荷載工況

2.3 計(jì)算模型及參數(shù)

整鑄墊板結(jié)構(gòu)復(fù)雜,無法用平面單元來模擬其受力和變形,計(jì)算時(shí)用三維實(shí)體單元來模擬。ANSYS單元庫(kù)中的solid95單元為20節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元,該單元是具有中間節(jié)點(diǎn)的高次單元,能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力行為進(jìn)行良好的模擬。分析時(shí),根據(jù)整鑄墊板的實(shí)際尺寸在ANSYS軟件的前處理器中建立實(shí)體模型(圖4),并用solid95單元對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行離散,得到分析整鑄墊板強(qiáng)度所需的有限元模型(圖5)。

圖4 護(hù)軌墊板實(shí)體模型

圖5 護(hù)軌墊板有限元模型

整鑄墊板下支承著彈性橡膠墊層,分析中若采用直接約束鍛造墊板底面,則人為阻礙了墊板變形的泊松效應(yīng),使其脫離實(shí)際情況。故分析中采用ANSYS單元庫(kù)中14號(hào)彈簧單元combin14來模擬橡膠墊板對(duì)整鑄墊板的彈性支承。

3 護(hù)軌墊板應(yīng)力分析

根據(jù)上述荷載工況對(duì)護(hù)軌墊板模型加載,利用ANSYS進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果分析如下。

3.1 工況一

其中護(hù)軌墊板整體等效應(yīng)力如圖6所示,橫向位移與豎向位移如圖7、圖8所示。

圖6 墊板等效應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖7 墊板橫向位移圖(單位：mm)

圖8 墊板豎向位移圖(單位：mm)

由圖6～圖8可看出：在70 kN橫向力和125 kN垂向力作用下,墊板最大等效應(yīng)力為340.31 MPa(應(yīng)力集中處),小于材料的容許抗拉強(qiáng)度,出現(xiàn)在立墻承受鋼軌橫向水平作用力處,而在立墻與臺(tái)板連接處,即護(hù)軌墊板的高應(yīng)力區(qū)集中在立墻與臺(tái)板相連處周圍,該區(qū)域最大等效應(yīng)力為306.58 MPa。在扣件壓力及扣件螺栓上拔力作用下,鐵座與墊板相連接處最大等效應(yīng)力為255.97 MPa,小于材料的容許抗拉強(qiáng)度。墊板大部分區(qū)域的應(yīng)力在70 MPa以下。立墻側(cè)面受集中荷載處周圍應(yīng)力約在200 MPa以下,在圖中立墻側(cè)面頂部應(yīng)力計(jì)算存在應(yīng)力集中,局部應(yīng)力很大,但仍在應(yīng)力極限范圍以內(nèi)。墊板橫向位移最大值為0.365 mm,出現(xiàn)在立墻的頂部中間(即承受水平橫向荷載處),并且從頂部向下向兩側(cè)逐漸減小,到臺(tái)板上已基本為0。墊板的最大垂向位移0.066 mm,出現(xiàn)在與走行軌接觸面的中心。

3.2 工況二

其中護(hù)軌墊板整體等效應(yīng)力如圖9所示,橫向位移與豎向位移如圖10、圖11所示。

圖9 墊板等效應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖10 墊板橫向位移圖(單位：mm)

圖11 墊板豎向位移圖(單位：mm)

由圖9～圖11可看出：在50 kN橫向力和70 kN垂向力作用下,墊板最大等效應(yīng)力為243.01 MPa(應(yīng)力集中處),小于材料的容許抗拉強(qiáng)度,出現(xiàn)在立墻承受鋼軌橫向水平作用力處,而在臺(tái)板與墊板連接處,即護(hù)軌墊板的高應(yīng)力區(qū)集中在臺(tái)板與墊板相連處周圍,該區(qū)域最大等效應(yīng)力為231.10 MPa。在這里出現(xiàn)與工況一相異的情況,但可以看出,在立墻與臺(tái)板相連接處,同樣存在222.20 MPa的高應(yīng)力,并且與臺(tái)板與墊板連接處的應(yīng)力相差不多,所以,此種情況仍在理論高應(yīng)力受力區(qū)范圍之內(nèi)。在扣件壓力及扣件螺栓上拔力作用下,鐵座與墊板相連接處最大等效應(yīng)力為239.44 MPa,小于材料的容許抗拉強(qiáng)度。墊板大部分區(qū)域的應(yīng)力在70 MPa以下。立墻側(cè)面受集中荷載處周圍應(yīng)力約在200 MPa以下,在圖中立墻側(cè)面頂部應(yīng)力計(jì)算存在應(yīng)力集中,局部應(yīng)力很大,但仍在應(yīng)力極限范圍以內(nèi)。墊板橫向位移最大值為0.268 mm,出現(xiàn)在立墻的頂部中間(即承受水平橫向荷載處),并且從頂部向下向兩側(cè)逐漸減小,到臺(tái)板上已基本為0。墊板的最大垂向位移0.048 mm,出現(xiàn)在與走行軌接觸面的中心。

表2所示為兩種工況下的計(jì)算結(jié)果。經(jīng)分析,墊板大部分區(qū)域應(yīng)力都在70 MPa以下,部分易出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域應(yīng)力也都在200 MPa以下,低于QT400-15的屈服極限應(yīng)力,高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在立墻承受橫向水平力和立墻與臺(tái)板連接處,最大應(yīng)力接近QT400-15的極限抗拉強(qiáng)度,但仍未超過,且留有一定余量。立墻最大橫向位移為0.365 mm。表明該護(hù)軌墊板強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

表2 兩種工況下的計(jì)算結(jié)果

4 護(hù)軌墊板疲勞強(qiáng)度分析

強(qiáng)度、穩(wěn)定和抗疲勞是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3個(gè)主要方面,墊板的疲勞強(qiáng)度是衡量墊板耐久性的重要指標(biāo)。作用在墊板上的廣義的疲勞荷載包括荷載作用在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的應(yīng)力歷程、應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。狹義的疲勞荷載主要是指列車作用在墊板上的輪載,以及鋼軌的橫向荷載,除此之外還包括扣壓力、上拔力,螺栓預(yù)壓力[2]。

利用ANSYS軟件進(jìn)行疲勞檢算,主要是通過在結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生疲勞破壞的位置(通常是應(yīng)力最大點(diǎn))定義事件和荷載,輸入材料的S-N曲線和Sm-T曲線,指定循環(huán)次數(shù),最后得出允許的疲勞循環(huán)次數(shù)和疲勞使用系數(shù)。QT400-15的S-N曲線如圖12所示。

圖12 QT400-15 S-N曲線

墊板的疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果見表3,可看出護(hù)軌墊板能夠滿足疲勞強(qiáng)度要求。

表3 護(hù)軌墊板疲勞強(qiáng)度

5 結(jié)論

(1)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出,護(hù)軌墊板受到比較大的橫向力作用時(shí),在立墻承受橫向水平作用力處,會(huì)出現(xiàn)一處高應(yīng)力集中點(diǎn),此點(diǎn)主要是鋼軌與護(hù)軌立墻接觸點(diǎn)處,在長(zhǎng)期橫向力沖擊荷載下容易產(chǎn)生磨損,因此需對(duì)此處進(jìn)行局部加強(qiáng)。

(2)由于結(jié)構(gòu)尺寸的突變,在臺(tái)板與立墻相交區(qū)域有較大的拉應(yīng)力,此處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,并且長(zhǎng)期處于基本軌動(dòng)力沖擊作用,是整個(gè)護(hù)軌墊板的薄弱環(huán)節(jié),比較容易破壞,有必要對(duì)該部分進(jìn)行加強(qiáng)。

(3)墊板容許的疲勞使用系數(shù)小于1,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過300萬次,能夠滿足疲勞強(qiáng)度要求。

(4)墊板下橡膠墊板的剛度對(duì)護(hù)軌墊板應(yīng)力和豎向位移以及立墻上部的橫向位移影響較大,相同受力情況下,較大的剛度有利于減小應(yīng)力和位移。

(5)此新型整鑄護(hù)軌墊板相對(duì)于目前舊式的整鑄護(hù)軌墊板和焊接墊板而言,無論在應(yīng)力集中處受力情況還是橫豎位移方面都有所降低,對(duì)列車提高過岔速度起到了至關(guān)重要的作用,對(duì)高速鐵路發(fā)展而言具有良好的推進(jìn)功能。

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