兩種高速道岔部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉 皓

(中國鐵建重工集團(tuán)有限公司道岔分公司,湖南株洲 412005)

RAMS是IRIS標(biāo)準(zhǔn)之一，貫穿產(chǎn)品整個生命周期，在產(chǎn)品全生命周期中需要建立可靠性、可用性、可維修性和安全性的RAMS論證過程?？删S修性是RAMS標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，其主要是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時，保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力。

道岔是機(jī)車車輛從一股軌道轉(zhuǎn)入或跨越另一股軌道的線路設(shè)備，是鐵路軌道的重要組成部分和系統(tǒng)集成。道岔是線路上的薄弱環(huán)節(jié)，是養(yǎng)護(hù)維修的重點和難點，是影響列車運行速度和安全的關(guān)鍵設(shè)備。高速道岔集中了鋼軌、扣件、軌枕、道床等軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)，無縫線路、輪軌關(guān)系、電務(wù)轉(zhuǎn)換與軌道電路等專業(yè)的接口技術(shù)，系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度大，其主要技術(shù)特點體現(xiàn)為：高精度、高平順性、高可靠性和少維護(hù)工作量[1]。

高速鐵路運營特點決定了線路維修時間短、維修標(biāo)準(zhǔn)要求高，因此，道岔零部件維護(hù)性就顯得非常重要。高速道岔的穩(wěn)定性比普速道岔有了顯著的提升，維修工作量也大幅減少[2]，但部分零部件由于結(jié)構(gòu)限制或使用性能要求，存在安裝空間狹窄，不便于安裝或拆卸，不易于維護(hù)，在使用過程中部件更換或調(diào)整的作業(yè)時間較長。本文基于提高部件維護(hù)性的目的，介紹了對道岔轉(zhuǎn)轍器、可動心軌轍叉零部件所做的優(yōu)化設(shè)計。

1 轉(zhuǎn)轍器滑床板

滑床板是轉(zhuǎn)轍器固定基本軌并承載尖軌和實現(xiàn)尖軌轉(zhuǎn)換的部件。

1.1 現(xiàn)狀

高速道岔滑床板里側(cè)采用彈性夾扣壓基本軌，外側(cè)采用II型彈條和軌距塊扣壓基本軌[3-5]。因其要承載尖軌，所以滑床臺的卡口長度較長?；舶宀鹦稌r，需將尖軌拆除后，將滑床板豎向旋轉(zhuǎn)傾斜后方能從基本軌上拆卸。按照這種作業(yè)方式更換滑床板涉及工務(wù)和電務(wù)配合作業(yè)，拆除尖軌工作量大，更換后還需工電聯(lián)調(diào)，影響了滑床板的更換作業(yè)效率。

目前的滑床板更換流程為：拆除尖軌轉(zhuǎn)換鎖閉裝置→拆除滑床板扣件系統(tǒng)→起升尖軌→拆除舊滑床板→安裝新滑床板→安裝滑床板扣件→放置尖軌→安裝尖軌轉(zhuǎn)換鎖閉裝置→工電聯(lián)調(diào)。

1.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

為了便于拆卸，將滑床板“鐵座+軌距塊”的結(jié)構(gòu)改為“軌距擋板”的結(jié)構(gòu)，同時將T形螺栓改為沉頭螺栓，為墊板的橫向移動提供了較大的空間，從而方便了滑床板的安裝拆卸，同時，通過更換不同規(guī)格的軌距擋板可實現(xiàn)軌距調(diào)整?；舶寮败壘鄵醢宓慕Y(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

圖1 滑床板結(jié)構(gòu)

圖2 軌距擋板

采用軌距擋板形式的結(jié)構(gòu)時，拆除扣件系統(tǒng)后，滑床板可平移并直接從基本軌上拆下，不再需要拆裝尖軌、轉(zhuǎn)換鎖閉裝置等。拆除步驟示意見圖3。

圖3 拆除步驟示意

優(yōu)化后的滑床板更換流程為：拆除滑床板扣件系統(tǒng)→拆除滑床板→安裝新滑床板→安裝滑床板扣件。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)簡化了更換工藝，減少了更換作業(yè)時間。

1.3 計算分析

采用有限元方法對該方案的滑床板、軌距擋板進(jìn)行了受力分析?；舶搴蛙壘鄵醢辶W(xué)分析模型見圖4。

圖4 滑床板和軌距擋板力學(xué)分析模型

墊板采用焊接形式，材料為Q235，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為490 MPa。軌距擋板采用ZG230-450，其屈服強(qiáng)度為230 MPa，抗拉強(qiáng)度為450 MPa。

分析條件：車輪作用于鋼軌上并傳遞至墊板的豎向荷載P3=125 kN，岔枕螺栓預(yù)緊力P=60 kN，車輪作用于鋼軌上并傳遞至墊板的橫向力PH=70 kN，軌距擋板的壓力P1=11 kN，T形螺栓拉力P2=22 kN，彈性夾作用力P4=21 kN、P5=10 kN，Ⅱ型彈條扣壓力P6=11 kN，墊板下橡膠墊板的剛度為60 kN/mm[1，6，7]。

結(jié)論：滑床板和軌距擋板的應(yīng)力未超限，結(jié)構(gòu)能滿足使用要求。見圖5、圖6。

圖5 滑床板應(yīng)力云圖

圖6 軌距擋板應(yīng)力云圖

1.4 應(yīng)用范圍

除上述的轉(zhuǎn)轍器滑床板結(jié)構(gòu)，在道岔中由臺板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致拆卸困難的轉(zhuǎn)轍器轍跟墊板、可動心軌轍叉翼軌墊板[8-9]均可參照上述方案優(yōu)化為“軌距擋板”結(jié)構(gòu)，可避免轉(zhuǎn)換鎖閉設(shè)備的拆卸、安裝以及工電聯(lián)調(diào)的復(fù)雜作業(yè)工程，使得道岔墊板的維護(hù)或更換作業(yè)大為簡化。

2 可動心軌轍叉跟端間隔鐵

2.1 現(xiàn)狀

可動心軌轍叉的心軌可根據(jù)行車方向分別與翼軌密貼，從而消除了固定型轍叉的有害空間，因此在高速道岔中得到了普遍應(yīng)用。為了適應(yīng)無縫線路的需要，可動心軌轍叉翼軌、心軌跟端設(shè)置了一定數(shù)量的間隔鐵[10-12]，同時，在廠內(nèi)采用膠粘劑將“心軌-間隔鐵-翼軌”粘接為一體，有效提升間隔鐵的溫度力傳遞能力和轍叉跟端的穩(wěn)定性[13]。

但“心軌-間隔鐵-翼軌”粘接一體的結(jié)構(gòu)，也增加了心軌、翼軌部件的現(xiàn)場更換難度。可動心軌轍叉鋼軌件現(xiàn)場維修更換時，一般采取整組可動心軌轍叉更換的方式[14]或加熱拆解間隔鐵后再更換軌件的方式。整組更換轍叉費用高、施工作業(yè)面大；而加熱拆解更換方式工藝復(fù)雜、施工難度大。

加熱拆解方式更換鋼軌件的流程：拆除轉(zhuǎn)換鎖閉裝置→拆除墊板扣件系統(tǒng)→拆除間隔鐵連接螺栓→加熱融化膠結(jié)層→拆解間隔鐵→更換軌件→打磨鋼軌、間隔鐵接觸面→膠結(jié)間隔鐵→安裝間隔鐵螺栓→安裝墊板扣件系統(tǒng)→安裝轉(zhuǎn)換鎖閉裝置→工電聯(lián)調(diào)。

2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

為了便于拆卸，將間隔鐵“整體+膠結(jié)”的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化為“分體+膠結(jié)”的結(jié)構(gòu)形式，同時為了實現(xiàn)溫度力的有效傳遞和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，設(shè)置了剪切傳力的凹槽結(jié)構(gòu)。分體式間隔鐵由剪切板和間隔鐵組成，分別與翼軌和心軌膠結(jié)，用高強(qiáng)度螺栓將剪切板與間隔鐵連接為一體后可通過凹槽傳遞縱向溫度力，詳見圖7、圖8。

圖7 分體式間隔鐵結(jié)構(gòu)

圖8 分體式間隔鐵安裝示意

因剪切板與間隔鐵間沒有膠結(jié)，拆除掉翼軌側(cè)螺栓后，兩者可直接分離，見圖9。

圖9 分體式間隔鐵拆解示意

優(yōu)化后的鋼軌件更換工藝：拆除墊板扣件系統(tǒng)→拆除間隔鐵連接螺栓→拆解間隔鐵→更換軌件→膠結(jié)間隔鐵→安裝間隔鐵螺栓→安裝墊板扣件系統(tǒng)→調(diào)試。

2.3 計算分析

采用有限元方法對分體式間隔鐵進(jìn)行了受力分析，力學(xué)分析模型如圖10所示。

圖10 剪切板和間隔鐵力學(xué)分析模型

剪切板材料為Q235，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，抗拉強(qiáng)度為490 MPa。間隔鐵采用鑄鋼材料ZG270-500，其屈服強(qiáng)度為270 MPa，抗拉強(qiáng)度為500 MPa。

分析條件為：膠粘面設(shè)定為剛度足夠大的彈簧約束；每個高強(qiáng)螺栓施加的預(yù)緊力P2和接觸反力P4均為250 kN；單個間隔鐵縱向溫度力為250 kN[10-12，15]，其中，剪切板與間隔鐵之間的摩擦系數(shù)按0.15計算時摩擦傳遞溫度力P3為150 kN，而剪切凹槽傳遞的溫度力P1的總和為100 kN。

經(jīng)計算，剪切板和間隔鐵應(yīng)力均在材料允許范圍內(nèi)，凹槽部位的應(yīng)力較小同時縱向位移也較小，表明分體式間隔鐵能夠滿足使用要求。應(yīng)力分析見圖11、圖12。

圖11 剪切板應(yīng)力云圖

圖12 間隔鐵應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

(1)從提高可維護(hù)性出發(fā)，創(chuàng)新性的將滑床板扣件優(yōu)化為軌距擋板形式、將整體式間隔鐵優(yōu)化為分體式結(jié)構(gòu)，在保證使用性能的前提下，避免了更換作業(yè)時電務(wù)設(shè)備的拆卸、安裝和工電聯(lián)調(diào)，極大降低道岔零部件的更換維護(hù)難度，具有一定的實用意義。

(2)采用有限元方法對新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求，可實現(xiàn)與原有零件的互換。