城市軌道交通道岔整鑄滑床板的研發(fā)與應用

張宏亮，張震遠，吳建忠，陳 鵬，辛 濤，王 敏

（1. 北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；2. 青島地鐵集團有限公司運營分公司，青島 266000；3. 北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

道岔是一種使車輛從一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設備。作為軌道的關(guān)鍵部件和薄弱環(huán)節(jié)，是工務人員日常巡檢與維護的重點和難點。滑床板是道岔轉(zhuǎn)轍器的重要零部件，它位于尖軌和基本軌組件之下，在整個轉(zhuǎn)轍器范圍內(nèi)支承著尖軌和基本軌?；舶逄峁┓€(wěn)定光滑的表面，轉(zhuǎn)轍器尖軌在其上滑移，實現(xiàn)列車線路間的轉(zhuǎn)換。近年來，中國多個城市的地鐵在經(jīng)過一段時間的運營后均出現(xiàn)了滑床板底板斷裂或滑床臺與底板脫焊等問題?；舶逡坏┏霈F(xiàn)上述問題，將危及車輛運行安全。道岔(轉(zhuǎn)轍器)平面如圖1所示。

圖1 道岔(轉(zhuǎn)轍器)平面示意Figure 1 Schematic of the turnout switch

1 研究背景

1.1 滑床板病害分類及原因分析

目前地鐵工程中，滑床板是以滑床臺與底板焊接的方式制造，滑床臺及底板材質(zhì)采用Q355B。焊接型滑床板具有原材采購便捷、制造流程成熟、鋼材表面光滑利于降低道岔扳動力等優(yōu)勢。但同時存在焊接質(zhì)量受人工操作水平影響較大的問題。根據(jù)對地鐵滑床板的統(tǒng)計分析，滑床板病害大體上可歸為焊縫病害(單面開焊或整體脫焊)、底板斷裂及壓舌斷裂3類，如圖2所示。

圖2 滑床板病害圖Figure 2 Schematic of the slider chair disease

底板斷裂及焊縫病害兩類問題均與焊接質(zhì)量不佳有關(guān)。底板與滑床臺的焊縫熱影響區(qū)的粗大組織，以及焊接收弧、滑床臺棱邊本身都會產(chǎn)生一定的應力集中效應。這些因素都將造成該處疲勞強度下降。另外，壓舌斷裂與其下顎跟部加工粗糙、圓弧較小有關(guān)，易形成應力集中。

1.2 研究現(xiàn)狀

姜志昆[1]認為滑床臺與底板的焊接質(zhì)量不佳，導致滑床板的疲勞強度有所降低。特別是焊縫起弧和收弧階段因填充金屬不足和焊接熱影響區(qū)存在馬氏體、硬度高而導致微裂紋的形成。鹿俊強[2]認為滑床板采用強度較低的 Q235材質(zhì)是造成其斷裂及脫焊的原因之一，并提出了采用高強度鋼質(zhì)型滑床板的解決辦法。魏純等[3]針對滑床板的結(jié)構(gòu)、化學成分、斷口形貌、金相組織以及非金屬夾雜物等方面對滑床板失效進行了分析，結(jié)果表明滑床板裂紋與滑床板的加工缺陷、非金屬夾雜物過多及加工工藝等因素有關(guān)。李二勇等[4]對滑床板斷裂的原因進行分析后認為，焊接工藝不當導致焊縫位置晶粒粗大、硬度偏低以及存在應力集中等是其發(fā)生疲勞斷裂的主要原因。楊祿洲[5]針對廣州地鐵5號線的滑床板的受力進行了分析，認為底板膠墊或墊片過厚、底板下空吊或側(cè)吊、鋼軌波磨等因素均與滑床板損傷存在關(guān)系，并提出了整治滑床板病害的相應措施。張建國[6]針對某地鐵出現(xiàn)的滑床板斷裂分析后認為，由于結(jié)構(gòu)與安裝造成滑床板上表面存在過大的循環(huán)拉應力是造成滑床板疲勞斷裂的主要原因。

上述研究均是從優(yōu)化焊接型滑床板制造工藝水平或工程應用條件等角度提出的改進措施，能夠在一定程度上改善滑床板的結(jié)構(gòu)強度和受力狀態(tài)，但難以從根本上解決脫焊和底板斷裂等問題。

2 滑床板方案優(yōu)化研究

現(xiàn)結(jié)合工程需求從方案優(yōu)化、理論仿真分析、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試鋪等方面進行系統(tǒng)研究。

2.1 方案優(yōu)化

結(jié)合焊接型滑床板的上述問題及原因分析，從結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化、制造工藝優(yōu)化和材質(zhì)選取優(yōu)化3個方面著手提升滑床板部件的結(jié)構(gòu)強度。

2.1.1 結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

1) 焊接型滑床板的滑床臺寬度為130 mm，滑床臺與底板焊接。整鑄滑床板上下一次澆注成型，滑床臺與底板連為一體，并將滑床臺部分的寬度增加為170 mm，以提升強度。

2) 壓舌的細部優(yōu)化設計。結(jié)合整鑄的工藝特點，在壓舌下顎跟部設計 R5倒圓，消除了金屬工藝切割帶來的應力集中；壓舌內(nèi)側(cè)的倒圓半徑由 R5調(diào)整為R10。通過上述 2種方式，可降低壓舌下顎跟部應力值，結(jié)構(gòu)強度得到加強?；才_結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意如圖3所示。

圖3 滑床臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意Figure 3 Structural optimization diagram of sliding plate

2.1.2 制造工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)滑床板采用焊接的方式將滑床臺與底板結(jié)合，焊接操作由人工完成，焊接質(zhì)量受工人的操作水平及責任心等因素的影響較大。

若采用整鑄成型的制造工藝，可從根本上消除與焊接質(zhì)量相關(guān)的所有缺陷，可改善滑床臺與底板的結(jié)合，大大提高滑床板整體質(zhì)量和強度。

2.1.3 材質(zhì)優(yōu)化

地鐵工程中非道岔區(qū)扣件鐵墊板多采用QT450-10鑄鐵材質(zhì)；道岔區(qū)部分墊板的鐵座采用ZG230-450鑄鋼材質(zhì)。道岔區(qū)轉(zhuǎn)轍器范圍內(nèi)滑床板的受力更為復雜，宜選用性能更為優(yōu)良的鑄鋼材質(zhì)。經(jīng)調(diào)研，Q355B相較于QT450-10及ZG230-450等材質(zhì)具備更優(yōu)的屈服強度、抗拉強度和伸長率。故選用Q355B鋼作為道岔區(qū)滑床板的材質(zhì)，以充分提升滑床板的強度及耐久性。不同材質(zhì)的機械性能對比見表1[7-9]。

表1 不同材質(zhì)機械性能對比Table 1 Comparison of mechanical properties of different materials

2.2 建模計算

為了驗證上述優(yōu)化設計方案的合理性，建立了有限模型元進行計算驗證。滑床板及相關(guān)部件的參數(shù)取值見表2。

表2 滑床板及相關(guān)部件計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of the slider chair and related parts

垂向荷載取為150 kN，單個車輪靜輪載P為75 kN，作用在單個滑床板的荷載約為0.5P?？紤]到道岔與車輪之間的動力作用，使得輪載幅值增大，可達靜輪載的1.5～2.0倍，則滑床板處的荷載P偏保守地按75 kN取值，橫向力按垂向力的0.3倍取值，為22.5 kN[10-11]?；舶寮昂缚p采用實體單元模擬，強度視為與滑床板材料一致，滑床板有限元模型及加載方式如圖4所示。

圖4 滑床板有限元模型及加載示意Figure 4 Finite element model and loading diagram of the slider chair

壓舌根部應力云圖如圖5所示。焊接型滑床板最大應力發(fā)生在焊縫處，大小為 291.1 MPa，壓舌跟部最大應力值為 202.9 MPa。整鑄滑床板最大應力值發(fā)生在壓舌處，大小為132 MPa，相較于焊接型滑床板應力值減小了35.2%。

圖5 壓舌根部應力云圖Figure 5 Stress nephogram of the tongue's root

計算結(jié)果表明，焊接型滑床板存在焊縫及壓舌跟部兩處應力極值點，其中焊縫處的應力值較大，發(fā)生破壞的概率更高，這與現(xiàn)場破壞形態(tài)及概率是吻合的。整鑄滑床板僅在壓舌跟部存在一處應力極值點，且應力幅值相較于焊接型滑床板壓舌跟部的應力值有較大幅度的降低。

3 室內(nèi)對比試驗研究

為了驗證整鑄滑床板的力學性能，針對滑床板壓舌和焊縫2處薄弱部位進行極限破壞對比試驗。鑒于國內(nèi)目前并不存在類似的試驗方法，為了對比整鑄滑床板與焊接型滑床板的差異，結(jié)合試驗室的條件設計了極限破壞對比試驗方案。

3.1 壓舌極限破壞試驗

通過在滑床臺壓舌部位作用向下豎向力，測試滑床臺壓舌極限承載力。為保證作用在滑床臺壓舌處受力，中間放置一根圓鋼。加載方式如圖6所示。

圖6 極限破壞試驗加載Figure 6 Schematic of the ultimate failure strength test

對于整鑄滑床板，加載至56 kN時，壓舌上表面端部的最大變形量約 3.8 mm；焊接型滑床板加載至39 kN時，壓舌上表面端部的最大變形量約10 mm。壓舌強度極限破壞試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 壓舌強度極限破壞試驗結(jié)果Figure 7 Schematic of the ultimate failure test result of tongue’s strength

3.2 焊縫極限破壞試驗

通過對滑床臺銷釘部位作用向上拉力，測試臺板與底板的連接強度。加載方式如圖6(b)所示。

焊接型滑床板在加載至145 kN時，滑床臺和底板焊接部位出現(xiàn)了裂紋。整鑄滑床板在加載至 200 kN時，滑床臺和底板連接部位依然完好，未出現(xiàn)裂紋[12]。試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 焊縫強度極限破壞試驗結(jié)果Figure 8 Schematic of the ultimate failure test result of weld’s strength

室內(nèi)試驗表明，整鑄滑床板力學性能顯著優(yōu)于焊接型滑床板。

4 試驗段鋪設及使用效果

為進一步驗證整鑄滑床板的性能，在某地鐵折返車站進行了在線鋪設，運營2年來道岔區(qū)內(nèi)所有30塊整鑄滑床板的工作狀態(tài)良好，比焊接型滑床板的使用性能有顯著改善。整鑄滑床板試驗段位置及鋪設現(xiàn)場如圖9和圖10所示。焊接型滑床板和整鑄滑床板性能對比見表3。

表3 不同類型滑床板優(yōu)缺點對比Table 3 Comparison of the advantages and disadvantages of different types of slider chairs

圖9 整鑄滑床板試驗段位置Figure 9 Schematic of the integral casting slider chair test section’s site

圖10 整鑄滑床板鋪設現(xiàn)場Figure 10 The integral casting slider chair applied in subway

5 結(jié)語

整鑄滑床板的研發(fā)是一種創(chuàng)新性嘗試，研究人員從材料選型、方案設計、理論分析、生產(chǎn)制造、線上試鋪及跟蹤觀測等方面開展了系統(tǒng)性研究。經(jīng)過 2年的在線使用，整鑄滑床板工作狀態(tài)良好，解決了焊接型滑床板壓舌斷裂、底板斷裂、滑床臺與底板焊縫開裂等常見病害問題，大幅降低了道岔區(qū)養(yǎng)護維修工作量，為解決既有線焊接型滑床板的病害提供了新的思路。