75 kg/m鋼軌接頭預(yù)留軌縫與接頭熱應(yīng)力場(chǎng)分析

尹成斐

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

75 kg/m鋼軌接頭預(yù)留軌縫與接頭熱應(yīng)力場(chǎng)分析

尹成斐

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350)

近期某干線(xiàn)鐵路區(qū)間鋼軌接頭聯(lián)結(jié)零件出現(xiàn)大量損壞的情況，為進(jìn)一步探究故障原因，以線(xiàn)路普通接頭為研究對(duì)象，以十余年軌溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算鋪軌作業(yè)時(shí)預(yù)留軌縫、鋼軌伸縮量，并且分析其在日常環(huán)境下的溫度場(chǎng)分布及溫度效應(yīng)。依據(jù)軌道真實(shí)結(jié)構(gòu)建立75 kg/m鋼軌接頭聯(lián)結(jié)零件有限元溫度場(chǎng)模型，分析不同工況下溫度云圖，并總結(jié)其分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：該地區(qū)15 a內(nèi)，各月預(yù)留軌縫平均值相差不大；對(duì)于普通鋼軌接頭，在螺栓中部、鋼軌扣壓部分、魚(yú)尾板螺栓孔位置產(chǎn)生應(yīng)力集中；受螺栓預(yù)緊力影響，鋼軌接頭應(yīng)力集中點(diǎn)最大點(diǎn)在螺栓中部，且受預(yù)緊力影響較大；接頭聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)緊力對(duì)鋼軌溫度應(yīng)力影響比扣件更為明顯；這些研究成果為今后養(yǎng)護(hù)維修工作提供理論支持。

鐵路；鋼軌接頭；熱應(yīng)力；有限元

0 引言

目前，我國(guó)新建以及改建的鐵路正線(xiàn)均采用60 kg/m鋼軌，重載運(yùn)煤專(zhuān)線(xiàn)采用75 kg/m鋼軌[1]，如大秦鐵路、朔黃鐵路等。2007年底，為提高煤炭運(yùn)輸能力，朔黃鐵路正線(xiàn)上行線(xiàn)全部換鋪為75 kg/m鋼軌。但隨著鐵路運(yùn)輸能力大幅提高，鋼軌接頭聯(lián)結(jié)零件等零部件逐漸出現(xiàn)不同程度損壞。如果天氣溫度過(guò)高，鋼軌內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生比較大的壓應(yīng)力，溫度過(guò)低，鋼軌內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生比較大的拉應(yīng)力，當(dāng)軌溫產(chǎn)生劇烈變化時(shí)，巨大的溫度力會(huì)引起鋼軌變形、斷裂和扭曲，對(duì)安全運(yùn)輸產(chǎn)生威脅。故而，掌握鋼軌溫度力分布和變化對(duì)工務(wù)維護(hù)具有重要意義。文獻(xiàn)[2]中，利用有限元軟件ABAQUS和實(shí)驗(yàn)分析無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌溫度力與斷裂程度的關(guān)系，研究鋼軌溫度應(yīng)力分布特點(diǎn)；文獻(xiàn)[3]采用ANSYS軟件，對(duì)中低速磁懸浮軌排溫度效應(yīng)及其動(dòng)力響應(yīng)特征進(jìn)行分析，并討論行車(chē)速度與軌下膠墊的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[4]使用有限元分析方法對(duì)18號(hào)和38號(hào)無(wú)縫道岔溫度力、變形進(jìn)行分析計(jì)算；文獻(xiàn)[5]則采用施加橫向集中力法對(duì)鋼軌溫度力的測(cè)量進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[6]計(jì)算溫度場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)共同作用下的輪軌接觸應(yīng)力變化；文獻(xiàn)[7]基于彈性點(diǎn)支撐梁模型，采用三維非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)分析有限元程序建立了輪軌軌縫處接觸-沖擊有限元模型，通過(guò)模擬車(chē)輪經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)沖擊鋼軌接頭的過(guò)程，研究了沖擊過(guò)程中軌頭應(yīng)力分布情況；文獻(xiàn)[8]采用計(jì)算模型將鋼軌接頭看作半無(wú)限長(zhǎng)連續(xù)彈性點(diǎn)支承梁用彈性鉸接連接的結(jié)構(gòu)，給出鋼軌接頭強(qiáng)度計(jì)算的方法和算例。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，其考慮溫度應(yīng)力與變形對(duì)鋼軌鋪設(shè)過(guò)程影響，針對(duì)鋼軌預(yù)留軌縫進(jìn)行分析計(jì)算。然而，國(guó)內(nèi)外研究資料中缺乏對(duì)軌縫進(jìn)行統(tǒng)籌和數(shù)據(jù)分析，針對(duì)這一特點(diǎn)，利用2000—2014年每個(gè)月軌溫?cái)?shù)據(jù)，對(duì)鋼軌預(yù)留軌縫、鋼軌伸縮量進(jìn)行逐一計(jì)算分析，并且對(duì)75 kg/m線(xiàn)路接頭聯(lián)結(jié)零件進(jìn)行溫度應(yīng)力分析，為分析接頭聯(lián)結(jié)零件損傷提供理論及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 模型建立

1.1 三維模型建立

文獻(xiàn)[10]中鋼軌接頭按性能分類(lèi)可分為普通接頭及特種接頭，特種接頭由異型接頭、絕緣接頭、導(dǎo)電接頭、斜接頭和凍結(jié)接頭等組成。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11-13]，建立75 kg/m鋼軌普通接頭三維實(shí)體模型，普通接頭由75 kg/m鋼軌、75 kg/m鋼軌接頭夾板、螺栓、螺母和彈簧墊圈組成，由于彈簧墊圈[14]主要目的是螺栓防松，在分析時(shí)忽略該結(jié)構(gòu)。圖1為普通接頭三維模型，圖2為普通接頭有限元模型。

圖1 75 kg/m鋼軌普通接頭三維實(shí)體模型

圖2 75 kg/m鋼軌普通接頭有限元模型

1.2 有限元模型建立

表1 模型材質(zhì)力學(xué)性能

1.3 某地區(qū)軌溫?cái)?shù)據(jù)

鋼軌鋪軌作業(yè)的預(yù)留軌縫與鋼軌溫度關(guān)系密切。利用某機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)，將某地區(qū)2000—2014年極端最低軌溫、極端最高軌溫、平均軌溫等數(shù)據(jù)和參考文獻(xiàn)[9]相結(jié)合。通過(guò)大量計(jì)算與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌預(yù)留軌縫逐年逐月計(jì)算，分析鋼軌變溫時(shí)普通接頭溫度場(chǎng)變化。收集15 a軌溫?cái)?shù)據(jù)，為使表述清晰，僅繪制2000、2007、2014年份溫度變化曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖3 某地區(qū)2000、2007、2014年份軌溫變化曲線(xiàn)

2 計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 預(yù)留軌縫計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[9]計(jì)算預(yù)留軌縫

(1)

(2)

式中，a0為更換鋼軌或調(diào)整軌縫時(shí)預(yù)留軌縫；α為鋼軌線(xiàn)膨脹系數(shù)；L為鋼軌長(zhǎng)度；Tz為更換鋼軌或調(diào)整軌縫地區(qū)中間軌溫；Tmax,Tmin為當(dāng)?shù)貧v史最高、最低軌溫；t0為更換鋼軌或調(diào)整軌縫時(shí)軌溫；tg為構(gòu)造軌縫，38，43，50，60，75kg/m鋼軌均采用18mm。

最高、最低軌溫差不大于85 ℃地區(qū)，在按式(1)、式(2)計(jì)算以后，可根據(jù)具體情況將軌縫值縮小1～2 mm。

通過(guò)分析2000—2014年逐月軌溫?cái)?shù)據(jù)，預(yù)設(shè)各月?lián)Q軌溫度見(jiàn)表2。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，近15 a中有近一半月份最高最低軌溫差≥85 ℃，其中2002、2005、2006、2008年的4～9月出現(xiàn)溫差≥85 ℃，其余年份每年為5～9月。經(jīng)計(jì)算，該地區(qū)近15 a內(nèi)預(yù)留軌縫平均值為12.4 mm，最大值為14.3 mm，最小值為10.9 mm。表3為2000—2014年某地區(qū)各月預(yù)留軌縫計(jì)算結(jié)果，預(yù)留軌縫計(jì)算結(jié)構(gòu)暫未考慮縮小軌縫溫差≯85 ℃需縮小軌縫值的因素。

表2 某地區(qū)各月預(yù)設(shè)換軌溫度

表3 2000—2014年某地區(qū)各月預(yù)留軌縫計(jì)算

2.2 熱應(yīng)力分析

雖然沒(méi)有分組功能，但是16組不同的通信頻率能夠很大程度地確保拍攝時(shí)不受干擾。2.4GHz的無(wú)線(xiàn)電通信頻率支持最大100米的工作距離。永諾宣稱(chēng)RF-602最高可以達(dá)到1/250秒的引閃速度，在我們的測(cè)試中卻只能做到1/160秒。這款引閃器的穩(wěn)定性讓人滿(mǎn)意，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)漏閃。值得一提的是，RF-602還可以作為無(wú)線(xiàn)快門(mén)線(xiàn)使用。將接收器與相機(jī)的快門(mén)線(xiàn)接口相連，使用引閃器上的快門(mén)鈕就可以實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)有限元模型溫度場(chǎng)產(chǎn)生變化時(shí)，模型會(huì)產(chǎn)生變形，其應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變[15]。為探究鋼軌在變溫環(huán)境中螺栓與扣件對(duì)鋼軌溫度應(yīng)力的影響大小，為減少接頭損壞提供理論依據(jù)，故對(duì)75 kg/m鋼軌普通接頭真實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力分析。分析2000—2014年極端高低溫軌溫?cái)?shù)據(jù)，其溫度最低為-13.9 ℃，最高為62.9 ℃，根據(jù)文獻(xiàn)[16]內(nèi)容，設(shè)置有限元溫度變化為-15 ℃、65 ℃，10 ℃。在線(xiàn)路上，鋼軌接頭處車(chē)輪產(chǎn)生較大沖擊動(dòng)載荷，因此接頭處鋼軌軌枕間距會(huì)比普通線(xiàn)路小一些。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，設(shè)置Load及BC。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鋼軌最大溫度應(yīng)力變化

圖4 螺栓緊固力矩500 N·m時(shí)，65 ℃鋼軌接頭應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖5 螺栓緊固力矩700 N·m時(shí)，65℃鋼軌接頭應(yīng)力云圖(單位：MPa)

經(jīng)分析，當(dāng)鋼軌溫度升高時(shí)，鋼軌受熱發(fā)生膨脹，但是由于鋼軌兩端受到扣件和魚(yú)尾板約束，其縱向不能自由伸縮，而且魚(yú)尾板承受螺栓較大預(yù)緊力，因此在螺栓中部、鋼軌扣壓部分、魚(yú)尾板螺栓孔位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，受預(yù)緊力影響，鋼軌最大應(yīng)力集中處為螺栓中部位置。如只查看鋼軌應(yīng)力，以某一單元為例：查看軌腰中性軸處2 760單元應(yīng)力值，螺栓緊固力矩為500 N·m時(shí)，Mises應(yīng)力為149.396 MPa(-15 ℃)、190.511 MPa(65 ℃)；螺栓緊固力矩為700 N·m時(shí)，Mises應(yīng)力為214.806 MPa(-15 ℃)、257.623 MPa(65 ℃)；查看扣件緊固位置處4 246單元應(yīng)力值，螺栓緊固力矩為500 N·m時(shí)，Mises應(yīng)力為46.968 8(-15 ℃)、87.548 3(65 ℃)；螺栓緊固力矩為700 N·m時(shí)，Mises應(yīng)力為67.799 8(-15 ℃)、111.411(65 ℃)。

圖6 螺栓緊固力矩500 N·m時(shí)，65 ℃鋼軌應(yīng)力云圖(單位：MPa)

與文獻(xiàn)[2]作對(duì)比，由于該文獻(xiàn)中對(duì)無(wú)縫鋼軌進(jìn)行分析，并未考慮鋼軌接頭螺栓預(yù)緊力對(duì)應(yīng)力影響，故而其結(jié)論為：扣件施加鋼軌垂向作用力對(duì)縱向溫度力具有較大影響，需要對(duì)此部位重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。因無(wú)縫線(xiàn)路一般為1 000～2 000 m，因此在其研究背景下其結(jié)論有效，但工程實(shí)際中，鋼軌?mèng)~尾板接頭螺栓預(yù)緊力對(duì)鋼軌溫度應(yīng)力影響比扣件更為明顯。

圖7 螺栓緊固力矩700 N·m時(shí)，65 ℃鋼軌應(yīng)力云圖(單位：MPa)

為防止該地區(qū)線(xiàn)路出現(xiàn)連續(xù)瞎縫、軌道方向變形、低頭接頭或軌縫過(guò)大等接頭病害，故對(duì)鋼軌表面施加熱流載荷，分析其自由狀態(tài)下應(yīng)力、變形、溫度等分布情況。根據(jù)文獻(xiàn)[17]設(shè)置鋼軌熱力學(xué)參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等均為非線(xiàn)性，隨溫度變化而變化，鋼軌初始溫度為-15 ℃。鋼軌溫度分布云圖如圖8，具體數(shù)值見(jiàn)表5。

圖8 鋼軌溫度分布云圖(單位：℃)

時(shí)間/s軌頂溫度/℃軌腰溫度/℃軌底中部溫度/℃軌底邊緣溫度/℃0-15-15-15-151-7．894-6．075-6．394-2．7212-1．1352．5092．4817．52835．76910．92711．54017．1104．516．39023．41925．07330．9636．7532．68841．97044．97651．15710．1357．62369．48074．05380．56315．1995．709110．273116．472123．37922．78153．327170．560178．322185．72534．17239．506259．427268．685276．80051．26366．643389．595400．358409．50676．89533．574559．566571．694582．115115．3796．554827．760841．751854．092

通過(guò)分析可知，在采用均勻熱流載荷工況下，鋼軌軌底邊緣位置升溫速度最快，軌頂最慢，在加熱后，鋼軌軌底平均溫度最高，軌腰其次，軌頂最低，鋼軌溫度場(chǎng)分布均勻性較差，軌腰升溫速度最快、平均溫度最高，鋼軌頭部升溫速度最慢、平均溫度最低，可以為今后實(shí)際工程應(yīng)用提供計(jì)算參考。

而且在鋼軌表面增加熱流載荷工況下，理論計(jì)算某溫差下鋼軌變形量為0.094 mm，有限元計(jì)算結(jié)果為0.096 8 mm，誤差為0.002 8 mm，故認(rèn)為有限元模型與理論相差不大。根據(jù)3.2中計(jì)算結(jié)果，15 a中，軌溫最低為-13.9 ℃，最高為62.9 ℃，溫差為76.8 ℃，根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]，可計(jì)算出長(zhǎng)度為25 m的75 kg/m鋼軌在此溫差下變化量為22.7 mm。

(3)

(4)

式中，Δa0為鋼軌在某該溫差下的變化量；α為鋼軌線(xiàn)膨脹系數(shù)；L為鋼軌長(zhǎng)度；Tmax,Tmin為當(dāng)?shù)貧v史最高、最低軌溫。

故根據(jù)15a軌溫溫差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算鋼軌變形量見(jiàn)表6。

表6 逐年逐月鋼軌溫差變形量 mm

經(jīng)過(guò)與預(yù)留軌縫對(duì)比分析，15 a中共計(jì)180個(gè)月，其中有75個(gè)月鋼軌長(zhǎng)度變化量小于當(dāng)月預(yù)留軌縫長(zhǎng)度，即不會(huì)發(fā)生鋼軌接頭病害，占總數(shù)41.67%。其余月份如在當(dāng)月未對(duì)軌縫進(jìn)行調(diào)整，則由于溫差可能會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路軌縫出現(xiàn)嚴(yán)重接頭病害，故應(yīng)針對(duì)當(dāng)月氣候變化及時(shí)對(duì)軌縫進(jìn)行巡檢。

3 結(jié)論

建立普通鋼軌接頭三維及有限元模型，以鋼軌預(yù)留軌縫、應(yīng)力為主要研究對(duì)象，對(duì)某地區(qū)2000—2014年鋼軌預(yù)留軌縫進(jìn)行逐月計(jì)算，并對(duì)鋼軌溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，隨后利用模型仿真計(jì)算不同螺栓預(yù)緊力作用下鋼軌溫度應(yīng)力狀況，為深入進(jìn)行這方面研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，并得到結(jié)論如下：

(1) 經(jīng)計(jì)算，2000—2014年某地區(qū)該15 a內(nèi)預(yù)留軌縫平均值為12.4 mm，最大值為14.3 mm，最小值為10.9 mm。

(2) 分析普通鋼軌接頭部分溫度應(yīng)力過(guò)程中，應(yīng)力集中處出現(xiàn)在螺栓中部、鋼軌扣壓部分和魚(yú)尾板螺栓孔位置；且接頭聯(lián)結(jié)螺栓預(yù)緊力對(duì)鋼軌溫度應(yīng)力影響比扣件更為明顯。

(3) 鋼軌軌底邊緣位置升溫速度最快，軌頂最慢；在加熱后，鋼軌軌底平均溫度最高，軌腰其次，軌頂最低；鋼軌溫度場(chǎng)分布均勻性較差，軌腰升溫速度最快、平均溫度最高，鋼軌頭部升溫速度最慢、平均溫度最低。

(4) 通過(guò)對(duì)比預(yù)留軌縫、鋼軌變形量，2000—2014年中，如不調(diào)整軌縫，受溫度影響但不發(fā)生接頭病害概率為41.67%。其余月份應(yīng)及時(shí)對(duì)軌縫進(jìn)行巡檢、調(diào)整，防止線(xiàn)路出現(xiàn)嚴(yán)重接頭病害。

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Analysis of Reserved Rail Gap and Thermal StressFields of 75 kg/m Rail Joint

Yin Chengfei

(Shuohuang Railway Development Co. Ltd., Suning 062350, China)

To explore the causes of the appearance of a large amount of damage in the rail joints of some main trunk railway in recent years, in this paper, the common line connector is taken as the research object to calculate the reserved rail gap as well as the the rail expansion, and analyze the temperature distribution and temperature effect in the daily environment based on the temperature data of ten years. The finite element model was established of temperature field of 75 kg/m rail joint connection parts according to the real structure of track to analyze the temperature contour in different conditions, and summarize its regularities of distribution. The study found that: Within 15 years in this region, the average of reserved rail gap was little changed by month; For the common rail joint, the middle bolt, rail buckling part and position of fishbolt hole would create a stress concentration; Because of the bolt pre-tightening force, the maximum point of the rail joint stress concentration was in the middle of the bolt, and was influenced obviously by the bolt pretightening force; The effect of the bolt pretightening force on the temperature stress of the rail was more obvious than that of the fastener. These research results may provide theoretical support for the maintenance and repair work in the future.

railway；rail joint；thermal stress；finite element

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃 (2012G011)

尹成斐(1974-), 男,博士, 高級(jí)工程師，主要從事鐵道運(yùn)輸管理的研究。E-mail: shuohuangycf@163.com

U213.4

A

2095-0373(2017)02-0089-07

2016-11-24 責(zé)任編輯:車(chē)軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.16

尹成斐.75 kg/m鋼軌接頭預(yù)留軌縫與接頭熱應(yīng)力場(chǎng)分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(2):89-95.