軌道板式車輛減速器的研制

李秀杰

車輛減速器是駝峰編組站中設(shè)置在線束或股道的車輛調(diào)速設(shè)備，與駝峰控制系統(tǒng)配合，用來對溜放中的車輛進(jìn)行速度控制，使車輛保持適當(dāng)間隔或者溜入調(diào)車線的速度滿足安全連掛要求。車輛減速器對提高駝峰車輛編解效率、保證駝峰作業(yè)安全非常重要。

減速器在制動過程中，車輛重量對減速器的垂向負(fù)載以及縱向沖擊都非常大;緩解時車輛與浮起的基本軌瞬間落到減速器基礎(chǔ)上，對減速器的垂向拍擊也非常大，負(fù)載最終會通過減速器機(jī)體傳到混凝土基礎(chǔ)上。對混凝土制品來說，沖擊和震動的工作載荷是非常惡劣的工況。尤其是近年來，隨著車輛軸重增加，對基礎(chǔ)的沖擊力也大大增加。例如，2006年以來，C70等23t軸重貨車逐步使用，到2012年，已占全部車輛的35%以上，有些編組站可達(dá)50%～70%，對減速器使用和維修是巨大考驗(yàn)。關(guān)鍵零部件受力增大，接近零部件強(qiáng)度上限，出現(xiàn)了制動鉗、制動軌、高強(qiáng)螺栓和設(shè)備基礎(chǔ)的開裂等問題。因此，改進(jìn)減速器混凝土基礎(chǔ)以適應(yīng)車輛軸重不斷提高的實(shí)際需求，是亟待解決的問題。

1 既有軌枕板基礎(chǔ)分析

減速器現(xiàn)有基礎(chǔ)為鋼筋混凝土軌枕板形式，為滿足減速器對基礎(chǔ)的需求，外形需要有高出的承軌臺。為保證下部基礎(chǔ)穩(wěn)固，現(xiàn)場使用時將軌枕板連接成整體形式。如圖1所示。通過預(yù)制或現(xiàn)場施工方式，采用鋼筋混凝土二次澆筑方法將多塊軌枕板連接成為整體道床。

圖1 經(jīng)二次澆筑形成整體道床

軌枕板在生產(chǎn)、使用和維修等過程中，存在以下不足：

1.生產(chǎn)過程中，因軌枕板形狀復(fù)雜，凸起的承軌臺較高，振搗和脫模過程比較困難，表面易產(chǎn)生氣泡，脫模時易造成邊角破損。

2.整體道床二次澆筑易造成界面結(jié)合不良，生產(chǎn)和運(yùn)輸中易形成裂紋，使用中易帶來次生病害。

3.安裝時易造成破損?，F(xiàn)場施工時間緊，很多站場由于施工不當(dāng)造成固定座壓住基本軌。而工作中基本軌需要浮起，通過固定座螺栓將軌枕板混凝土拔起，輕者造成裂紋，嚴(yán)重時導(dǎo)致承軌臺整體破壞。

4.混凝土材料本身抗拉、抗壓強(qiáng)度差異大，其比值約為1/18～1/9，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。減速器工作時，兩端高出的承軌臺受力，使軌枕板中部彎曲產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)下部基礎(chǔ)碎石不平整，中間高出時，容易形成負(fù)彎矩造成斷裂。

5.施工過程中，緊固硫磺錨固螺旋道釘，扭矩超過上限會造成混凝土開裂 (標(biāo)準(zhǔn)要求緊固扭矩低于200 N·m);或者螺栓緊固不良，因循環(huán)搖動松動，進(jìn)而造成混凝土破損。

6.混凝土破損后維修困難。一是維修時間緊。減速器是不間斷作業(yè)設(shè)備，尤其在間隔位，要點(diǎn)維修影響正常運(yùn)營，只能利用每天半小時停輪時間維修，時間嚴(yán)重不足。二是維修工藝復(fù)雜，難度大。環(huán)氧樹脂等施工材料對環(huán)境溫度要求高，維修需要模板，修后需要靜停養(yǎng)護(hù)。因此，軌枕板的修復(fù)一直都是減速器維修的一個難點(diǎn)。

以上問題給設(shè)備帶來很多隱患，維修難度大，影響設(shè)備使用效果，亟待改進(jìn)。

2 軌道板式減速器的研制

減速器基礎(chǔ)近幾年顯現(xiàn)出對貨運(yùn)重載的不適應(yīng)。而高速鐵路新技術(shù)又為減速器設(shè)計(jì)提供了新思路。無砟軌道技術(shù)，尤其是軌道板設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，為減速器混凝土基礎(chǔ)改進(jìn)提供了非常好的參考。

1.預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)。對軌道板施加預(yù)應(yīng)力，防止軌道板受拉應(yīng)力變形和開裂。

2.整體混凝土鋼模，高頻振搗技術(shù)。

3.現(xiàn)地蒸汽養(yǎng)生和浸水養(yǎng)生。

將以上新技術(shù)、新工藝應(yīng)用于車輛減速器軌道板生產(chǎn)中，基礎(chǔ)的整體水平煥然一新。

除了材料、工藝上的進(jìn)步，設(shè)計(jì)上也在不斷改進(jìn)。減速器軌道板采用了外形簡單的平板結(jié)構(gòu)，為滿足減速器工作中對基礎(chǔ)形狀的需求，采用了與軌道板配套的鋼臺座技術(shù)。將凸起的混凝土承軌臺用整體鋼結(jié)構(gòu)的鋼臺座替代，簡化了混凝土外形，消除了復(fù)雜形狀造成的應(yīng)力集中。鋼材料代替混凝土材料受拍擊，避免了混凝土的破壞。鋼臺座底面與混凝土接觸面積大，是軌枕板的幾倍，分散了受力，減小了壓強(qiáng)，極大地改善了混凝土局部受力過大的狀況。鋼臺座軌道板技術(shù)提高了基礎(chǔ)強(qiáng)度，延長使用壽命，為減速器適應(yīng)重載運(yùn)輸發(fā)展提供了解決方案。

3 有限元仿真計(jì)算

新技術(shù)的采用需要在理論計(jì)算上充分驗(yàn)證。因此，采用了有限元分析方法對軌道板基礎(chǔ)進(jìn)行校核，定量分析改進(jìn)對基礎(chǔ)的影響程度。

采用三維仿真技術(shù)建立車輛減速器仿真分析平臺，通過平臺對間隔位、目的位減速器進(jìn)行尺寸校核、零件布置、運(yùn)動干涉檢查，如圖2所示;采用有限元分析方法對基礎(chǔ)和關(guān)鍵零部件進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校核、疲勞壽命分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真分析平臺的應(yīng)用提高了設(shè)計(jì)水平和一次成功率。

圖2 應(yīng)用仿真平臺對車輛減速器進(jìn)行模擬

除應(yīng)用仿真平臺進(jìn)行減速器整體設(shè)計(jì)外，還對基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度校核和對比分析，比較軌枕板和軌道板2種形式的差異，即對新設(shè)計(jì)采用的鋼臺座和軌道板分別進(jìn)行仿真計(jì)算。圖3、圖4為應(yīng)用有限元分析軟件對鋼臺座和混凝土基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算后的結(jié)果示意圖。圖中顯示零件應(yīng)力梯度分布情況，最大應(yīng)力位置即圖中箭頭指示位置。通過顏色可以找到零件最大應(yīng)力位置、最大應(yīng)力值。比較不同零件的最大應(yīng)力值，即可比較出零件的強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果如下：

1.鋼臺座工作中最大應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料許用應(yīng)力，如圖3所示。

2.軌道板正常工作中，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力值。

3.模擬非正常工況，下部基礎(chǔ)不平使基礎(chǔ)產(chǎn)生負(fù)彎矩時，軌道板最大應(yīng)力為6.4 MPa，約為軌枕板最大應(yīng)力的三分之一，如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，軌道板比軌枕板的受力狀況改善明顯。

圖3 對鋼臺座進(jìn)行強(qiáng)度校核

圖4 對軌枕板、軌道板基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度校核

4 軌道板式減速器樣機(jī)試制

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果，試制了樣機(jī)，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。軌道板式減速器由于外形、強(qiáng)度、壽命等綜合水平的提高，受到用戶的歡迎。目前中國鐵道科學(xué)研究院的軌道板式減速器系列包括間隔位T·JK3-B60型、T·JK3-B50型、適用于美國鐵路的US136型;目的位T·JK2-B50型減速器。間隔位軌道板式減速器在蘇家屯、寶雞東、太原、阜陽等站場安裝使用，目的位軌道板式減速器在新豐鎮(zhèn)安裝使用，如圖5、6所示。

圖5 T·JK3-B60型、T·JK3-B50型軌道板式減速器在蘇家屯、寶雞東應(yīng)用

圖6 T·JK2-B50型軌道板式車輛減速器在新豐鎮(zhèn)應(yīng)用

5 結(jié)論

軌道板式減速器是為了適應(yīng)重載發(fā)展，在設(shè)備基礎(chǔ)上做了重大升級的減速器產(chǎn)品。具有以下特點(diǎn)：

1.基礎(chǔ)強(qiáng)度大幅提高。將軌枕板結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力部位，替換為整體鋼臺座軌道板結(jié)構(gòu)，解決了混凝土基礎(chǔ)在震動、拍擊工作環(huán)境易損壞問題，并且有限元強(qiáng)度分析結(jié)果優(yōu)于軌枕板基礎(chǔ)。

2.軌道板一次澆鑄完成，解決了整體道床二次澆鑄引起的邊緣開縫及表面裂紋問題。

3.減少減速器基礎(chǔ)維修工作量，提高維修安全性。

軌道板式減速器在外形、強(qiáng)度、壽命、維修方便性等方面表現(xiàn)出的優(yōu)勢，為鐵路重載產(chǎn)生的問題提供了解決方案，它將成為減速器的發(fā)展方向，并得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 李凱華，高立中.車輛減速器混凝土基礎(chǔ)的改進(jìn)和研制［J］.鐵道通信信號，2012(7)：25-27.

［2］ 李秀杰，郭玉華，高立中.提高車輛減速器傳動機(jī)構(gòu)可靠性的研究［J］.鐵道通信信號，2013(12)：1-3.

［3］ 宋玉普，王清湘.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.