重載線路固定型合金鋼組合轍叉受力研究

葛 晶，王樹國，王 猛

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

重載線路固定型合金鋼組合轍叉受力研究

葛 晶，王樹國，王 猛

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

固定型合金鋼組合轍叉維修工作量少，造價(jià)低，易安裝，在我國重載線路上大量使用，但使用中出現(xiàn)了轍叉翼軌和心軌件傷損嚴(yán)重的現(xiàn)象，直接影響了轍叉的使用壽命。目前固定型轍叉的通用設(shè)計(jì)方法是在心軌薄弱斷面讓翼軌和心軌共同承受垂向荷載，保護(hù)心軌的薄弱斷面，為驗(yàn)證翼軌和心軌承受垂向荷載的適合比例，本文依據(jù)目前中國輪對(duì)尺寸和固定型轍叉主要尺寸計(jì)算輪軌垂直力在轍叉上的過渡區(qū)間，并利用ProE、HyperMesh、Ansys Workbench等有限元軟件，單獨(dú)分析了車輪與心軌、車輪與翼軌在不同垂向荷載下的接觸應(yīng)力。分析結(jié)果表明目前設(shè)計(jì)的輪軌垂直力過渡值對(duì)于合金鋼材質(zhì)的心軌較合理，但翼軌受力不合理，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了建議。

轍叉受力 有限元仿真 心軌加寬

轍叉是車輪由一股鋼軌轉(zhuǎn)移到另一股鋼軌的軌道結(jié)構(gòu)，主要有可動(dòng)心軌轍叉和固定型轍叉，各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)我國在用的轍叉進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)雖然相比于可動(dòng)心軌轍叉，固定型轍叉存在軌距線不連續(xù)、易產(chǎn)生軌道不平順等缺點(diǎn)，但憑借維修工作量少，造價(jià)低，易安裝等優(yōu)點(diǎn)在我國時(shí)速低于160 km/h的既有線路和重載線路上得到了大量應(yīng)用［1-2］。目前，線路上使用的固定型轍叉主要有鋼軌拼裝、錳鋼整鑄、合金鋼組合和合金鋼拼裝式結(jié)構(gòu)，固定型合金鋼組合轍叉因加工簡單、成本低廉和壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。

1 合金鋼組合轍叉現(xiàn)場應(yīng)用狀況

我國的固定型合金鋼組合轍叉自1997年研制并上道試驗(yàn)，至今有十余年運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。通過總重達(dá)到約2億t，其優(yōu)越性能受到廣大用戶的歡迎。目前我國重載線路的最大軸重為25 t，轍叉主要傷損類型為翼軌、心軌的垂向磨耗及剝離掉塊，部分轍叉翼軌在對(duì)應(yīng)于心軌尖端到心軌50 mm寬斷面區(qū)間內(nèi)磨出一個(gè)三角坑，造成磨耗超限而下道，直接影響轍叉壽命。

2 固定型合金鋼組合轍叉設(shè)計(jì)

2.1 合金鋼組裝轍叉設(shè)計(jì)思想

合金鋼組裝轍叉主要由翼軌、心軌、叉跟軌、護(hù)軌、螺紋聯(lián)結(jié)件和扣件系統(tǒng)組成，其中翼軌和心軌是轍叉的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用壽命直接影響了轍叉的使用效果和質(zhì)量，因此在設(shè)計(jì)轍叉時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。

1)磨耗車輪為錐形踏面，列車逆向進(jìn)岔時(shí)，車輪由翼軌滾向心軌時(shí)，車輪與翼軌接觸點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向架中心，滾動(dòng)半徑逐漸變小，引起的后果是車輪逐漸下降，同時(shí)轉(zhuǎn)向架中心向著車輪滾動(dòng)半徑減小的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保持車輪中心在一個(gè)水平面上運(yùn)動(dòng)，翼軌需要設(shè)置抬高。

2)對(duì)于心軌軌頭寬20～50 mm的薄弱斷面，翼軌需要和心軌共同承擔(dān)機(jī)車車輛過岔時(shí)的輪軌力，心軌需要設(shè)置軌頂縱坡，保護(hù)薄弱斷面，承受的垂向荷載應(yīng)在合理范圍內(nèi)。

3)設(shè)置護(hù)軌，保護(hù)心軌薄弱斷面不受橫向力水平?jīng)_擊。

通過設(shè)置翼軌抬高值和心軌軌頂縱坡，使翼軌與心軌按照一定的百分比承受車輪垂向荷載。轍叉應(yīng)用現(xiàn)狀顯示，心軌和翼軌的垂直磨耗一般同時(shí)出現(xiàn)在轍叉垂直力過渡區(qū)間，對(duì)轍叉過渡區(qū)間垂直力進(jìn)行計(jì)算，分析合金鋼組合轍叉在該區(qū)間內(nèi)翼軌和心軌的受力。

2.2 轍叉上輪軌垂直力過渡區(qū)計(jì)算

列車過岔時(shí)的車輪碾壓面如圖1所示。列車的車輪輪輞寬度，輪緣槽寬度和車輪與鋼軌間的游隙影響翼軌的承壓面。由圖1可以看出，逆向過岔時(shí)車輪逐漸脫離翼軌，翼軌承壓面逐漸減小直至為0，形成三角區(qū)。此三角區(qū)內(nèi)翼軌承受過多荷載時(shí)，極易出現(xiàn)剝離掉塊，頂面壓潰，形成三角坑。

列車過岔時(shí)，車輪存在兩個(gè)極限位置，分別為工況1和工況2。

圖1 車輪碾壓面

1)工況1。車輪輪背緊貼護(hù)軌運(yùn)行，即圖2所示A點(diǎn)接觸位置，此時(shí)翼軌承壓寬度最大，為翼軌承載最有利位置。

2)工況2。車輪輪緣沿翼軌運(yùn)行，即圖2所示C點(diǎn)接觸位置，此時(shí)翼軌承壓寬度最小，為翼軌承載最不利位置。

圖2 輪軌位置尺寸

目前中國輪對(duì)尺寸和固定轍叉主要尺寸及其養(yǎng)護(hù)維修公差管理值有關(guān)參數(shù)［3-6］參見表1。

表1 新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的輪對(duì)尺寸及軌道資料 mm

根據(jù)表1中車輛和軌道的尺寸，計(jì)算列車位于工況1和工況2時(shí)翼軌和心軌的受力區(qū)間(假定車輪完全脫離翼軌，護(hù)軌輪緣槽th仍處于平直段，忽略車輪和鋼軌尺寸測量基準(zhǔn)不統(tǒng)一引起的誤差)。

1)工況1的翼軌承壓寬度b2=H－b1－t2－(S－T－th)，當(dāng)b2=0時(shí)，翼軌不再承受垂向荷載，對(duì)應(yīng)的心軌寬度最大值b1max=62 mm;對(duì)應(yīng)的心軌寬度最小值b1min=34 mm。

2)工況2的翼軌承壓寬度 b2=H－t2－b1－t2，當(dāng)b2=0時(shí)，翼軌不再承受垂向荷載，對(duì)應(yīng)的心軌寬度b1max=50 mm;對(duì)應(yīng)的心軌寬度b1min=32 mm。

根據(jù)以上的計(jì)算可知，翼軌在心軌寬度32～62 mm區(qū)間范圍內(nèi)停止承受荷載。

3 合金鋼組合轍叉應(yīng)力分析

本節(jié)采用三維彈性接觸有限元法分別對(duì)車輪與翼軌的接觸應(yīng)力和車輪與心軌的接觸應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，為心軌和翼軌受力的合理分配提供指導(dǎo)。

3.1 仿真模型建立

采用ProE進(jìn)行三維圖形繪制，HyperMesh劃分有限元網(wǎng)格和Ansys Workbench仿真計(jì)算。

3.1.1 計(jì)算模型概況

翼軌采用長度為600 mm的標(biāo)準(zhǔn)75 kg/m軌;心軌模型是截取一段長度600 mm的12號(hào)合金鋼組合轍叉用心軌;為了減少單元數(shù)量，在不影響分析的情況下，截取1/6車輪進(jìn)行分析，車輪踏面采用LMA磨耗型踏面［7］，如圖 3 所示。

圖3 輪軌接觸實(shí)體模型

3.1.2 計(jì)算參數(shù)的選取

有限元參數(shù)設(shè)置如下:鋼軌彈性模量 E=2.1×1011，泊松比 μ=0.3;輪軌間摩擦系數(shù) f=0.2，單元類型為Solid45，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分示例

3.1.3 仿真分析計(jì)算工況

約束條件為兩端約束(輪載作用于跨中)，垂向力作用于車輪軸槽內(nèi)，限制車輪沿軌道縱向和橫向的位移，僅產(chǎn)生垂向位移。依據(jù)垂向力的大小設(shè)計(jì)不同的工況。

1)翼軌工況。翼軌僅承受來自車輪的垂向荷載。當(dāng)車輪的垂向荷載全部作用于翼軌時(shí)，動(dòng)荷載系數(shù)取2.0，單股鋼軌受力250 kN;設(shè)計(jì)工況時(shí)，將荷載大小與翼軌承壓面的寬度對(duì)應(yīng)，具體工況如表2所示。

2)心軌工況。由于有護(hù)軌的保護(hù)，心軌薄弱斷面處不會(huì)承受來自車輪的橫向荷載;設(shè)置工況時(shí)，將荷載大小與心軌軌頭寬度對(duì)應(yīng)，具體工況如表3所示。

表2 翼軌不同工況下的最大等效應(yīng)力

表3 心軌不同工況下的最大等效應(yīng)力

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果

車輪與鋼軌破壞為塑性屈服，符合經(jīng)典材料力學(xué)理論的第四強(qiáng)度理論，與有限元結(jié)果中的等效應(yīng)力相當(dāng)。在表2、表3中給出了不同工況下的最大等效應(yīng)力值。計(jì)算所得輪軌接觸應(yīng)力圖如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

1)心軌接觸應(yīng)力分析。轍叉設(shè)計(jì)時(shí)，一般定義心軌頂寬50 mm處開始單獨(dú)承受垂向荷載，具體垂向荷載過渡比例如表4所示。垂向荷載對(duì)應(yīng)的心軌最大等效應(yīng)力值相差不大，說明心軌的設(shè)計(jì)荷載合理。心軌在寬度32～62 mm區(qū)間范圍內(nèi)可能單獨(dú)承受垂向荷載，同時(shí)心軌在頂寬30 mm斷面單獨(dú)承受荷載，其等效應(yīng)力值為4 025 MPa，遠(yuǎn)超心軌頂寬50 mm處單獨(dú)承受垂向力時(shí)的最大等效應(yīng)力值，因此應(yīng)適當(dāng)增加心軌在頂寬30 mm斷面的強(qiáng)度。

表4 心軌垂向力過渡比例及對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力

2)翼軌接觸應(yīng)力分析。假設(shè)車輪輪背緊貼護(hù)軌運(yùn)行，按照各參數(shù)名義尺寸，由圖3可計(jì)算出心軌頂寬與翼軌承壓面寬度和最大等效應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表5所示。一般設(shè)計(jì)時(shí)，心軌頂寬20 mm處開始承受垂向荷載，其值很小，此處認(rèn)為力值近似等于0。翼軌的最大等效應(yīng)力值可能＞9 263.0 MPa，是線路正常狀態(tài)下的18.6倍，因此翼軌三角區(qū)尖端壓潰現(xiàn)象嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)翼軌受力狀態(tài)。本節(jié)對(duì)車輪與心軌、翼軌的仿真計(jì)算忽略了一些參數(shù)變化帶來的影響，如摩擦系數(shù)、軌道剛度、心軌輪廓等，因此仿真結(jié)果會(huì)略有局限性。

表5 與心軌承載對(duì)應(yīng)的翼軌等效應(yīng)力值

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化建議

1)減少轍叉輪緣槽，加寬心軌軌頭寬度，增加心軌承載能力。我國鐵路道岔固定轍叉及護(hù)軌各部間隔尺寸(查照間隔、護(hù)背距離、護(hù)軌平直段輪緣槽、轍叉輪緣槽、轍叉咽喉輪緣槽)是依據(jù)中國機(jī)車及車輛輪對(duì)尺寸和容差確定的。輪對(duì)參數(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初更新過2次，對(duì)應(yīng)的轍叉輪緣槽尺寸也應(yīng)當(dāng)作出相應(yīng)的調(diào)整［8］。具體方法是將心軌單邊加寬5 mm后，轍叉輪緣槽尺寸由46 mm減小至41 mm;調(diào)整心軌降低值和翼軌升高值，使受力比例更合理;調(diào)整后翼軌最大等效應(yīng)力值如表6所示。翼軌的最大等效應(yīng)力值約為2 492.4 MPa，是線路正常狀態(tài)下的2.6倍，若翼軌采用合金鋼鋼軌則可實(shí)現(xiàn)同心軌等強(qiáng)度。

表6 心軌頂寬加寬后對(duì)應(yīng)的翼軌等效應(yīng)力范圍

2)對(duì)翼軌頂面進(jìn)行加工，減少75 kg/m鋼軌頂面半徑15 mm圓弧范圍，增加翼軌有效承壓面。采用1∶20錐度的刀具，將軌頂加工3 mm。重新計(jì)算翼軌軌頂加工后最大等效應(yīng)力，加工前、后最大等效應(yīng)力的對(duì)比如表7所示。工況3的等效應(yīng)力云圖如圖6所示。

表7 翼軌頂面加工前、后最大等效應(yīng)力對(duì)比

由表7可以看出，翼軌承壓面寬度為19 mm時(shí)，頂面加工前、后對(duì)應(yīng)工況的等效應(yīng)力值明顯下降，為重載線路升級(jí)改造留出空間。

3)適當(dāng)減小護(hù)軌平直段的長度，讓心軌可提前承受來自車輪的橫向力。

圖6 表7中工況3的仿真結(jié)果

心軌加寬有利于其薄弱斷面的受力，車輪通過轍叉心軌尖端后，隨著心軌的快速加寬，可讓心軌提前承擔(dān)來自車輪的橫向荷載;當(dāng)車輪貼靠護(hù)軌運(yùn)行時(shí)，提前進(jìn)入護(hù)軌緩沖區(qū)，有利于增加翼軌有效承壓面。

［1］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所．延長鋼軌和道岔修理周期關(guān)鍵技術(shù)研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2012．

［2］顧經(jīng)文.75 kg/m鋼軌12號(hào)鋼軌組合式可動(dòng)心軌轍叉單開道岔的研究設(shè)計(jì)［J］．鐵道建筑，1997(5):2-5．

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 3314—2006 內(nèi)燃機(jī)車通用技術(shù)條件［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 3317—2006 電力機(jī)車通用技術(shù)條件［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB/T 1718—2003 鐵道車輛輪對(duì)組裝技術(shù)條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2003．

［6］中華人民共和國冶金工業(yè)部．GB 8601—1988 鐵路用輾鋼整體車輪［S］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988．

［7］中華人民共和國鐵道部．TB/T 449—2003 機(jī)車車輛車輪輪緣踏面外形［S］．北京:中國鐵道出版社，2003．

［8］中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所．重載鐵路道岔轍叉基礎(chǔ)參數(shù)研究報(bào)告［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，2012．

U213．6+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．36

1003-1995(2013)04-0117-04

2012-12-10;

2013-01-20

葛晶(1981— )，女，天津人，助理研究員，碩士。

(責(zé)任審編 王 紅)