30 t軸重重載道岔合金鋼組合轍叉應力分析

王璞

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著國家經(jīng)濟快速發(fā)展，重載鐵路已成為鐵路貨運現(xiàn)代化的重要標志與發(fā)展目標［1-2］。我國將瓦日鐵路、浩吉鐵路等多條重載線路列為重點任務，其中瓦日鐵路是國內(nèi)第1條30 t軸重的重載鐵路，浩吉鐵路是國內(nèi)最長的運煤專線，目前均已建成投入運營［3-5］。

道岔結(jié)構具有零部件多、構造復雜、使用壽命短、行車安全性低、養(yǎng)護維修投入大等特點，岔區(qū)輪軌接觸關系非常復雜，是重載鐵路軌道的三大薄弱環(huán)節(jié)之一［6-8］。轍叉是道岔區(qū)實現(xiàn)股道分離的控制設備，轍叉狀態(tài)對列車運行、車輛與軌道部件使用壽命影響很大。隨著重載鐵路運營軸重和速度的提高，對道岔尤其轍叉的性能提出了更高的要求。目前，我國鐵路轍叉主要有高錳鋼轍叉和合金鋼組合轍叉2種類型。

本文基于有限元方法建立彈性基底約束條件下合金鋼組合轍叉輪軌接觸耦合計算模型，選取重載鐵路道岔中典型的12號和18號合金鋼組合轍叉，分別對其在30 t軸重運營條件下的轍叉區(qū)鋼軌應力和輪軌接觸應力進行計算分析，為大軸重條件下合金鋼組合轍叉結(jié)構優(yōu)化設計提供參考。

1 計算模型

選用GB 8601—88《鐵路用輾鋼整體車輪》［9］中的840D型車輪，采用實體單元按車輪實際尺寸建立車輪模型。考慮車輪的上半部對接觸應力影響不大，只取車輪下半部進行計算。

合金鋼組合轍叉采用實體單元按實際尺寸對轍叉區(qū)的心軌、翼軌及護軌部分進行建模；扣件和間隔鐵采用線性彈簧阻尼單元模擬；長短心軌密貼面采用耦合約束模擬。

車輪和轍叉結(jié)構的有限元模型見圖1。

圖1 車輪和轍叉結(jié)構有限元模型

建立輪軌接觸耦合計算模型時，采用柔體對柔體面-面接觸單元進行建模，定義車輪踏面為目標面，軌頭表面為接觸面，建立接觸對。

根據(jù)GB 8601—88，車輪材料彈性模量取2.1×1011N/m2，泊松比取0.3，摩擦因數(shù)取0.25。根據(jù)TB/T 3467—2016《合金鋼組合轍叉》［10］，合金鋼組合轍叉材料彈性模量取2.1×1011N/m2，泊松比取0.3，摩擦因數(shù)取0.25，其抗拉強度不小于1 280 MPa，沖擊韌性不小于60 J，洛氏硬度不小于38，延伸率不小于12%。

由于車輪運動過程非常復雜，為簡化計算，做近似假設：①荷載均勻施加在車輪模型（圖1（a））上表面節(jié)點上；②車輪搖頭角、橫移量均為0；③車輪縱向、橫向位移均受到約束。

轍叉趾端與導曲線鋼軌聯(lián)結(jié)，跟端與基本軌聯(lián)結(jié)，因此轍叉趾端和跟端的縱向、橫向、垂向位移均受相鄰鋼軌的約束。為簡化計算，模型中將實際結(jié)構中的轍叉由軌枕支承簡化為轍叉支承在彈簧單元上。軌下扣件支承剛度80 kN/mm，道床支承剛度200 kN/mm，換算成等效節(jié)點支承剛度為57 kN/mm，節(jié)點橫向支承剛度為50 kN/mm。

根據(jù)上述參數(shù)，建立轍叉區(qū)輪軌接觸耦合計算模型，見圖2。

圖2 轍叉區(qū)輪軌接觸耦合計算模型

線路運營軸重為30 t時，對應靜輪載為150 kN。在轍叉區(qū)，由于輪軌間相互作用劇烈，動輪載大幅增加，一般可達靜輪載的1.5～2.0倍。本文動力系數(shù)取2.0，即動輪載為300 kN。

由于轍叉區(qū)軌線不連續(xù)，且心軌不斷加寬和抬高，當列車通過轍叉時，輪載逐漸從翼軌過渡到心軌上，至心軌頂寬50 mm位置時，輪載基本由心軌單獨承受。因此，本文選取3個特征位置進行輪軌接觸分析：咽喉區(qū)及心軌頂寬（簡稱頂寬）20，50 mm處。

2 模型驗證

為驗證所建立的輪軌接觸耦合計算模型的合理性，根據(jù)本文建模方法，采用文獻［11］中的模型參數(shù)建立模型，并將計算結(jié)果與文獻［11］中同一工況下的計算結(jié)果進行對比，見表1?？芍?種模型在同一工況下的計算結(jié)果吻合較好，誤差不超過6%。本文建立的轍叉區(qū)輪軌接觸耦合計算模型能可靠反映轍叉區(qū)鋼軌受力變形情況。

表1 同一工況下本文與文獻[11]計算結(jié)果對比

3 12號合金鋼組合轍叉應力分析

3.1 轍叉區(qū)鋼軌應力

對于12號合金鋼組合轍叉（以下簡稱12號轍叉），輪軌接觸作用下3個特征位置的鋼軌應力分布見圖3，翼軌和心軌上的最大鋼軌應力見表2。

圖3 12號轍叉3個特征位置的鋼軌應力分布

表2 12號轍叉3個特征位置的最大鋼軌應力 MPa

根據(jù)圖3和表2，從轍叉區(qū)的受力情況、輪軌接觸位置、鋼軌應力大小3方面進行分析。

在咽喉區(qū)，車輪與翼軌發(fā)生單點接觸，輪載全部由翼軌承擔。在頂寬20 mm處，車輪同時與心軌和翼軌發(fā)生接觸，大部分輪載由心軌承擔，小部分由翼軌承擔。到達頂寬50 mm處時，車輪只與心軌接觸，輪載全部由心軌承擔，翼軌不再受力。上述分析結(jié)果與實際受力情況一致。

翼軌和車輪的接觸位置始終在軌頭表面半徑300mm區(qū)域內(nèi)，距離軌頭中心20 mm左右。心軌與車輪的接觸位置在軌頭中心附近。

從咽喉區(qū)到頂寬50 mm處，翼軌應力逐漸減小，心軌應力則先增大后減小。翼軌應力的最大值出現(xiàn)在咽喉區(qū)，為1 190 MPa，未超出合金鋼材料強度極限，不會發(fā)生破壞。心軌應力的最大值出現(xiàn)在頂寬20 mm處，為2 380 MPa，超出合金鋼材料強度極限。頂寬20 mm處的輪載主要由心軌承擔，建議對該處心軌進行適當加強，并調(diào)整翼軌與心軌的相對位置，減小心軌的承載比例。

3.2 輪軌接觸應力

輪軌接觸作用下，輪軌之間的接觸應力包括輪軌法向接觸應力和因接觸產(chǎn)生的摩擦應力。12號轍叉3個特征位置的輪軌接觸應力分布見圖4，翼軌和心軌上的最大輪軌接觸應力見表3。

根據(jù)圖4和表3，從法向接觸應力和摩擦應力2方面進行分析。

從咽喉區(qū)到頂寬50 mm處，翼軌上的法向接觸應力逐漸減小，最大值為1 480 MPa，發(fā)生在咽喉區(qū)。

圖4 12號轍叉3個特征位置的輪軌接觸應力分布

表3 12號轍叉3個特征位置的最大輪軌接觸應力 MPa

從咽喉區(qū)到頂寬50 mm處，心軌上的法向接觸應力先增大后減小，且其值普遍較大，最大達3 920 MPa，發(fā)生在頂寬20 mm處。心軌上的接觸斑較小，說明該處接觸應力過大的原因是心軌頂寬不足，車輪與心軌的接觸面積過小。

輪軌接觸產(chǎn)生的摩擦應力由于受具體接觸位置、接觸壓力等因素影響，變化規(guī)律并不明顯。翼軌、心軌上的最大摩擦應力均發(fā)生在頂寬20 mm處，分別為167 ，495 MPa。

4 18號合金鋼組合轍叉應力分析

4.1 轍叉區(qū)鋼軌應力

對于18號合金鋼組合轍叉（以下簡稱18號轍叉），輪軌接觸作用下3個特征位置的鋼軌應力分布見圖5，翼軌和心軌上的最大鋼軌應力見表4。

對圖5和表4進行分析，并對比圖3和表2，發(fā)現(xiàn)18號轍叉與12號轍叉的鋼軌應力在受力情況、輪軌接觸位置、鋼軌應力大小3方面具有相似的規(guī)律。對比2種轍叉的最大鋼軌應力，發(fā)現(xiàn)：18號轍叉的翼軌應力最大值比12號轍叉大5.04%；心軌應力最大值比12號轍叉小3.78%。2種轍叉在鋼軌應力最大值方面很接近。

4.2 輪軌接觸應力

18號轍叉3個特征位置的輪軌接觸應力分布見圖6，翼軌和心軌上的最大輪軌接觸應力見表5。

圖6 18號轍叉3個特征位置的輪軌接觸應力分布

表5 18號轍叉3個特征位置的最大輪軌接觸應力 MPa

對圖6和表5進行分析，并對比圖4和表3，發(fā)現(xiàn)18號轍叉與12號轍叉的輪軌接觸應力具有相似的規(guī)律。對比2種轍叉的輪軌接觸應力最大值，發(fā)現(xiàn)：18號轍叉的翼軌法向接觸應力最大值比12號轍叉大6.08%，翼軌摩擦應力最大值比12號轍叉小1.80%；心軌法向接觸應力及摩擦應力最大值分別比12號轍叉小2.04%，2.02%。2種轍叉在輪軌接觸應力最大值方面也很接近。

5 結(jié)論

本文基于有限元方法建立了彈性基底約束條件下的合金鋼組合轍叉輪軌接觸耦合計算模型，通過與既有文獻對比，驗證了模型反映轍叉區(qū)鋼軌受力變形情況可靠性。分別選取12號和18號轍叉的3個特征位置，對其鋼軌應力及輪軌接觸應力進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬并分析計算結(jié)果，得出結(jié)論：

1）車輪在咽喉區(qū)與翼軌發(fā)生單點接觸，在心軌頂寬20 mm處同時與翼軌和心軌接觸，到達心軌頂寬50 mm處時，輪載完全過渡到心軌上。翼軌與車輪接觸位置始終在軌頭表面半徑300 mm區(qū)域，心軌接觸位置在軌頭中心附近。

2）2種轍叉翼軌最大應力均出現(xiàn)在咽喉區(qū)，且未超出合金鋼材料強度極限；心軌最大應力均出現(xiàn)在頂寬20 mm處，分別為2 380，2 290 MPa，均超出合金鋼材料強度極限，建議對該處心軌進行適當加強，并調(diào)整翼軌與心軌的相對位置，減小心軌的承載比例。

3）從咽喉區(qū)至頂寬50 mm處，2種轍叉翼軌上的接觸應力均逐漸減??；心軌上的接觸應力均先增大后減小，12號和18號轍叉心軌最大接觸應力分別達到3 920，3 840 MPa。由于心軌頂寬不足，輪軌接觸面積過小導致了較大的接觸應力出現(xiàn)。

4）輪軌接觸摩擦應力變化規(guī)律不明顯，2種轍叉心軌和翼軌上的最大摩擦應力均出現(xiàn)于頂寬20 mm處。