高速道岔用鋼岔枕的力學(xué)性能

馬佳駿　石瑋

摘要：在道岔尖軌及可動(dòng)心軌牽引點(diǎn)處設(shè)有鋼岔枕，從根本上解決了電務(wù)設(shè)備占用枕木空間的問題，為機(jī)械化搗固作業(yè)創(chuàng)造了條件。該文運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)鋼岔枕進(jìn)行受力分析，研究了高速道岔采用鋼岔枕的可行性。

關(guān)鍵詞：牽引點(diǎn)；鋼岔枕；搗固；有限元；高速道岔

中圖分類號(hào)：U213 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）09-2261-03

1 概述

為適應(yīng)大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)的需要，在道岔尖軌及可動(dòng)心軌牽引點(diǎn)處設(shè)有鋼岔枕，將道岔電務(wù)轉(zhuǎn)換桿件甚至轉(zhuǎn)轍機(jī)均放于岔枕內(nèi)，不占用道岔搗固空間，從根本上解決了電務(wù)設(shè)備占用枕木空間的問題，為機(jī)械化搗固作業(yè)創(chuàng)造了條件[1]。

1996年研制的提速道岔，全面采用了鋼岔枕。經(jīng)過幾年的運(yùn)營實(shí)踐，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)了部分不足，之后采取有關(guān)的措施，如增加筋板的數(shù)量，以提高鋼岔枕的撓曲剛度； 在鋼枕底面焊接不規(guī)則條塊，以增大鋼枕的摩擦系數(shù)，防止鋼枕爬行等。隨著高速道岔的推廣，有必要對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h與350km/h的高速客運(yùn)道岔用鋼岔枕進(jìn)行專門的研究分析，完善并提高鋼岔枕設(shè)計(jì)水平。

2 鋼岔枕結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼岔枕的結(jié)構(gòu)形式與普通岔枕不同，如圖1。

與普通岔枕相比，鋼岔枕在兩個(gè)上翼緣處承受列車荷載，因而有兩個(gè)作用點(diǎn)，且為偏心作用；在偏心力作用下鋼岔枕的扭轉(zhuǎn)變形不容忽視[2]，因此在輪載作用處設(shè)置筋板，增大鋼岔枕的抗扭轉(zhuǎn)變形能力；耳板采用通長耳板，以增加其穩(wěn)定性；鋼岔枕尺寸既應(yīng)滿足轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備安裝空間要求，也應(yīng)保證鋼岔枕及相鄰混凝土岔枕能進(jìn)行大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)。

3 有限元模型建立及仿真分析

本文主要運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋼岔枕進(jìn)行受力分析，并提取計(jì)算結(jié)果。對(duì)鋼岔枕進(jìn)行性能分析和模擬時(shí)，有以下三個(gè)過程：

1）前處理：運(yùn)用UG NX4.0軟件對(duì)鋼岔枕進(jìn)行建模，建立合理的有限元分析模型。

2）有限元分析：將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，定義計(jì)算參數(shù)與邊界條件，并劃分網(wǎng)格，然后對(duì)有限元模型進(jìn)行單元特性分析、有限元系統(tǒng)求解和有限元結(jié)果生成。

3）后處理：根據(jù)模型與設(shè)計(jì)要求，提取圖形及數(shù)字結(jié)果，輔助用戶判定計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方案的合理性。

3.1 模型建立

將UG NX4.0建立的鋼岔枕模型導(dǎo)入ANSYS中，建立如圖2模型。

3.2 仿真分析

3.2.1 計(jì)算參數(shù)

車輪動(dòng)荷載：19t軸重客車250km/h和17t軸重客車350km/h運(yùn)行時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)荷載作為高速條件下的豎向荷載，即豎向力P=300kN。鋼岔枕所受荷載按照（準(zhǔn)靜態(tài)）車輪動(dòng)荷載的0.4倍考慮，即四處作用點(diǎn)合力為120KN。道床豎向支承線剛度78.85kN/mm。

鋼岔枕材料屬性：鑄鋼ZG230-450，彈性模量為211GPa，屈服強(qiáng)度為248MPa。

3.2.2 劃分單元網(wǎng)格

對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，并定義鋼岔枕屬性。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

有限元計(jì)算并提取Z向位移、節(jié)點(diǎn)總位移、節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力數(shù)據(jù)，如圖4-6所示。Z向最大位移為0.07mm，節(jié)點(diǎn)最大位移為0.072mm。單元應(yīng)力強(qiáng)度最大為40.59MPa。

計(jì)算結(jié)果表明：鋼岔枕受高速列車輪載作用后，節(jié)點(diǎn)位移低于普通岔枕的垂向位移0.3mm；節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度值。說明該鋼岔枕結(jié)構(gòu)的抗壓及抗扭轉(zhuǎn)能力滿足設(shè)計(jì)要求，理論上說明高速道岔用鋼岔枕的可行性[3]。

4 結(jié)束語

1）前述結(jié)果表明耳板采用通長耳板、增加筋板可有效避免鋼岔枕出現(xiàn)傾斜的現(xiàn)象，提高輪載作用點(diǎn)的抗變形能力[4]；2）若采用鋼板焊接工藝，加強(qiáng)對(duì)輪載作用點(diǎn)處的焊點(diǎn)要求；3）建議采用整體軋制，整體性能好，目前國內(nèi)已有通過靜載及疲勞試驗(yàn)的整鑄鋼岔枕。

參考文獻(xiàn)：

[1] 侯愛濱.道岔用鋼岔枕的設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2002（4）：49-50.

[2] 王平.鋼岔枕的力學(xué)特性分析及其改進(jìn)措施[J].鐵道建筑，2000（1）：8-10.

[3] 王銳.提速道岔鋼岔枕振動(dòng)分析研究[J].科技咨詢，2009（17）.

[4] 代永波.提速Ⅰ型道岔鋼岔枕改造實(shí)施方案[J].山西建筑，2008，38（29）.