可動心軌轍叉咽喉處結(jié)構(gòu)優(yōu)化對長心軌強(qiáng)度的影響

鄒小魁，朱東方

(1.中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島 066205;2.陜西通宇公路研究所有限公司，西安 710075)

1 概述

隨著鐵路六次大提速工作順利完成，提速前在正線站場咽喉區(qū)鋪設(shè)了大量時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號可動心軌轍叉單開道岔(產(chǎn)品圖號:SC325)，該道岔在2001年完成設(shè)計(jì)、試制工作，并通過鐵道部組織的驗(yàn)收審查。產(chǎn)品自上道以來，基本滿足了鐵路干線提速要求，提高了列車通過速度，滿足了當(dāng)時(shí)鐵路建設(shè)的需要。文中所述除指明外，均指此道岔。

但受歷史條件技術(shù)發(fā)展的局限，當(dāng)時(shí)理論分析手段和試驗(yàn)條件還不夠完善，因此，道岔設(shè)計(jì)受到了一定的制約。通過幾年的運(yùn)營實(shí)踐，特別是貨運(yùn)方面提出了25 t軸重、時(shí)速120 km的要求，使得該型可動心軌單開道岔的不足也日益暴露，尤其是距長心軌尖端525～550 mm，斷面寬36 mm處長心軌軌底部位是轍叉部分的薄弱點(diǎn)，由該處軌面所承受的彎矩、抗彎慣性矩和中性軸至軌底距離計(jì)算出的鋼軌拉應(yīng)力最大。加上軌底加工不良，縱斷面變化急劇，心軌鍛壓段抗拉強(qiáng)度低于母材等因素造成局部應(yīng)力集中，形成如圖1所示，由軌底向上發(fā)展的疲勞裂紋斷裂［1～3］。

圖1 長心軌疲勞斷裂

針對該型道岔長心軌尖端斷面寬36 mm處疲勞裂紋斷裂的問題，在保持長心軌結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，采取咽喉處局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的措施，以提高長心軌的強(qiáng)度，咽喉處可動心軌部分的平面結(jié)構(gòu)如圖2所示;同時(shí)采取瞬態(tài)動力學(xué)有限元理論分析長心軌尖端斷面寬36 mm處的最大拉應(yīng)力，以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對提高長心軌強(qiáng)度的效果。

圖2 咽喉處可動心軌部分平面結(jié)構(gòu)(單位:mm)

2 瞬態(tài)動力學(xué)分析模型建立的方法

瞬態(tài)動力學(xué)分析是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)的一種方法。可以用瞬態(tài)動力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力等。載荷和時(shí)間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較重要。

2.1 有限元模型

為了簡化分析，采用將長心軌簡化為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承變截面梁;軌下系統(tǒng)支承簡化為非線性彈簧支承;錐形車輪由翼軌滾向心軌時(shí)，因心軌逐漸支承車輪荷載，心軌所受輪載為一可變力，因此對心軌所承受荷載采用可變荷載來模擬。

2.2 模型的精確性

本文采用有限單元法求解長心軌斷面寬36 mm處軌底拉應(yīng)力，而斷面平面幾何慣性矩和中性軸至軌底距離不變，因此，求解長心軌斷面寬36 mm處軌底拉應(yīng)力則轉(zhuǎn)化為求解長心軌斷面寬36 mm處彎矩，以下簡稱長心軌彎矩。單元的細(xì)分程度決定了模型分析的精確度，單元越細(xì)，分析結(jié)果越準(zhǔn)確。長心軌軌頭橫斷面寬度斜率為1∶15，取5 mm長為一單梁單元，可分析到長心軌每一個斷面的彎矩，滿足精度要求。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 既有道岔長心軌彎矩

時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號可動心軌轍叉單開道岔，當(dāng)貨車以軸重25 t，時(shí)速120 km通過時(shí)，分析長心軌的彎矩?？紤]速度效應(yīng)及偏載效應(yīng)［4］，軸重2倍的靜輪載25 t為加載荷載;豎向彈性塊的支撐剛度選用100 kN/mm。通過計(jì)算得到長心軌彎矩與時(shí)間的曲線如圖3所示。

圖3 既有道岔長心軌斷面寬36 mm處彎矩與時(shí)間的曲線

由圖3可知，軸重25 t的貨車以時(shí)速120 km通過時(shí)，隨著時(shí)間的增長，長心軌彎矩隨著荷載從翼軌向心軌滾動過程中逐漸增大，當(dāng)列車行至長心軌斷面寬41 mm時(shí)(即列車到達(dá)距長心軌尖端627 mm處，以下長心軌斷面寬41 mm位置均指此處)，時(shí)速200 km的60kg/m鋼軌12號可動心軌轍叉單開道岔長心軌彎矩達(dá)到最大值13 522 N·m，當(dāng)荷載通過長心軌軌頭斷面寬41 mm后，長心軌彎矩逐漸減小。由圖3還可以看出，長心軌彎矩變化平穩(wěn)，無突變現(xiàn)象。通過理論計(jì)算，在長心軌的彎矩最大時(shí)，長心軌軌底的拉應(yīng)力為199 MPa，這與現(xiàn)場測試的長心軌應(yīng)力相比較基本吻合。根據(jù)長心軌鍛壓段技術(shù)要求，心軌鍛壓段抗拉強(qiáng)度不低于母材抗拉強(qiáng)度的75%，材質(zhì)為U75V的60AT鋼軌屈服強(qiáng)度為880 MPa，考慮安全系數(shù)k為1.3，則鋼軌的容許屈服強(qiáng)度為508 MPa，滿足長心軌強(qiáng)度要求。但是，一方面由于心軌鍛壓的制造工藝、凸緣本身的截面變化和制造偏差在一定程度上影響了心軌的整體性能，使得長心軌的容許應(yīng)力降低，另一方面由于現(xiàn)場可動心軌安裝不到位，道床搗固沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求等使得長心軌軌底拉應(yīng)力經(jīng)常表現(xiàn)為沖擊應(yīng)力，并且應(yīng)力常常成倍增加。這些因素容易使長心軌產(chǎn)生由軌底向上發(fā)展的疲勞裂紋斷裂。

3.2 調(diào)整岔枕間距對長心軌彎矩的影響

保持列車荷載、速度等參數(shù)不變，在滿足電務(wù)轉(zhuǎn)換要求前提下，岔枕間距由650 mm減小至600 mm，考察長心軌彎矩與時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。并且求解長心軌彎矩最大時(shí)的列車荷載作用點(diǎn)。

圖4 岔枕間距對長心軌彎矩的影響

由圖4可見，隨著時(shí)間的增長，長心軌彎矩隨著時(shí)間的增加而增加，以列車運(yùn)行速度與時(shí)間為依據(jù)，計(jì)算得出當(dāng)列車行至長心軌斷面寬41 mm時(shí)，長心軌最大彎矩為12 067 N·m，當(dāng)荷載通過長心軌軌頭斷面寬41 mm后，長心軌彎矩逐漸減小。當(dāng)岔枕間距從650 mm減小至600 mm時(shí)，長心軌最大彎矩減小了10.8%，即最大拉應(yīng)力減小幅度較大，可以有效延長長心軌的使用壽命。

3.3 彈性墊板對長心軌斷面寬36 mm處彎矩的影響

由圖2可知，可動心軌咽候處墊板結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)(長心軌下的臺板材料為45號鋼)，因此長心軌軌下支承剛度較大，當(dāng)車輪從翼軌向心軌的滾動中，由于長心軌受力較大，而且其斷面較小，則受到的拉應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。彈性墊板是在臺板下底板上采用橡膠硫化工藝，將橡膠與底板、臺板硫化在一起，并且采用相關(guān)結(jié)構(gòu)以保證臺板與底板之間的連接牢固。對序號38至40號墊板采用彈性墊板，將進(jìn)一步降低長心軌受力，并使可動心軌部分的剛度趨于均勻，以減小列車的動力作用和提高軌道的平順性。

保持其他條件不變，將可動心軌部分38至40號剛性墊板改為彈性墊板，考察彈性墊板對長心軌彎矩的影響。通過計(jì)算可得彈性墊板對長心軌彎矩影響如圖5所示。

由圖5可知，長心軌彎矩呈上升趨勢，列車荷載到達(dá)軌頭寬41 mm斷面時(shí)，彎矩達(dá)到最大10 247 N·m，而當(dāng)列車通過41 mm斷面之后，長心軌彎矩呈下降趨勢。與未優(yōu)化結(jié)構(gòu)之前相比較，當(dāng)采用彈性墊板之后，長心軌的最大彎矩由13 522 N·m減小至10 247 N·m，減小了24.2%。

圖5 彈性墊板對長心軌彎矩的影響

3.4 38號墊板臺板高度降低2 mm對長心軌斷面寬36 mm處彎矩的影響

對可動心軌部分第38號墊板臺板降低2 mm，使得長心軌尖端部分懸空，以減小長心軌所受彎矩，考察臺板降低2 mm對長心軌彎矩的影響如圖6。

圖6 降低臺板高底2 mm對長心軌彎矩的影響

由圖6可以看出，在長心軌軌頭斷面寬30 mm之前，長心軌彎矩基本不超過±300 N·m，可認(rèn)為這一階段，列車荷載全部由翼軌來承擔(dān)。隨著列車荷載的前移，長心軌開始承擔(dān)列車荷載的作用，此時(shí)，長心軌前端與臺板相接觸，開始承受彎矩，并且所受彎矩逐漸增加，當(dāng)列車行至長心軌斷面寬43 mm處(即列車到達(dá)距長心軌尖端658 mm處)，彎矩達(dá)到最大值10 697.2 N·m。當(dāng)列車通過心軌斷面43 mm后，彎矩逐漸減小。與結(jié)構(gòu)未優(yōu)化前相比較，長心軌最大彎矩減小了20.8%。而且從圖6可以看出，當(dāng)38號墊板臺板高度減小2 mm后，長心軌所受的彎矩波動較大，彎矩變化最大幅度為7 370 N·m，這說明長心軌此時(shí)有一定的振動，這將導(dǎo)致道岔咽喉部分不平順性加大。

對于臺板降低2 mm而使得道岔咽喉部分不平順性加大，通過理論計(jì)算，列車在通過咽喉的過程中，輪軌的接觸關(guān)系不發(fā)生變化，只是由于長心軌與翼軌之間所承受的列車荷載在發(fā)生變化，承受荷載的總體趨勢為當(dāng)列車由翼軌向心軌的轉(zhuǎn)移運(yùn)程中，翼軌所受列車荷載越來越小，心軌所承受的荷載越來越大，并且翼軌與心軌承受的荷載為交變荷載。取最不利狀態(tài)，即由翼軌承擔(dān)所有的列車荷載作用，而長心軌不承受荷載，計(jì)算可得翼軌的撓度最大為2.2 mm，根據(jù)時(shí)速200 km客運(yùn)專線道岔直向平順度要求鋼軌撓度不大于3 mm的要求，可見列車在通過咽喉時(shí)的不平順性滿足設(shè)計(jì)要求。

對于由于列車荷載引起的長心軌振動，可對長心軌采取嚴(yán)格防跳措施來克服，一種方法是在翼軌壓型段采用防跳臺配合心軌來限制心軌上跳;另一種方法是在翼軌壓型段之后采用防跳頂鐵下壓心軌軌肢來限制心軌的上跳。當(dāng)長心軌的振動通過以上方法來約束后，采用降低臺板高度的方法來減小長心軌的應(yīng)力是一種行之有效的好方法。

4 運(yùn)營實(shí)踐

時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號可動心軌轍叉單開道岔通過以上改進(jìn)，已在京秦線上進(jìn)行了30余組上道使用，運(yùn)行至今，使用狀況良好，運(yùn)行平穩(wěn)，該道岔整體強(qiáng)度加強(qiáng)，運(yùn)行安全度提高，降低了道岔的故障率，減小了道岔養(yǎng)護(hù)維修工作量，受到了用戶的肯定和歡迎。

5 結(jié)論

運(yùn)用瞬態(tài)有限單元法和軌道動力學(xué)理論，分析了減小岔枕間距、采用彈性墊板和降低臺板高度對長心軌彎矩的影響，計(jì)算結(jié)果表明:

(1)既有時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號可動心軌轍叉單開道岔，在生產(chǎn)與制造達(dá)到設(shè)計(jì)要求和上道鋪設(shè)運(yùn)行后維護(hù)保養(yǎng)及時(shí)的狀況下，長心軌強(qiáng)度滿足使用要求;

(2)采用減小岔枕間距、彈性墊板和降低臺板高度的方法都可以有效的降低長心軌的最大拉應(yīng)力;當(dāng)采用降低臺板高度的方法時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)長心軌的防跳措施和長心軌的跳動監(jiān)控;

既有時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號可動心軌轍叉單開道岔在鐵路的六次大提速中起到關(guān)鍵作用，已經(jīng)上道鋪設(shè)2 000余組。在不對此道岔整體更換的前提下，可采用以上方法來提高長心軌的使用壽命。

由于可動心軌單開道岔消滅了轍叉的有害空間，進(jìn)一步提高列車的運(yùn)行速度、平穩(wěn)性和安全性，減小輪軌相互作用，有效保護(hù)軌下基礎(chǔ)，因此已經(jīng)大量應(yīng)用于既有線與新線的建設(shè)中。而深入研究其在列車荷載作用下的動力影響，對進(jìn)一步提高鐵路的運(yùn)營速度和安全性將是十分有益的。

［1］岳國軍，何耀民，于潤學(xué).SC325型道岔長心軌死角區(qū)的探傷方法［J］.京鐵科技通訊太原刊，2004(4).

［2］閆海壽.SC325型可動心軌道岔尖軌的探傷方法［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(9).

［3］段劍峰.可動心軌道岔心軌軌斷原因分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(5).

［4］陳小平.高速道岔軌道剛度理論及應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.