港鐵車輪與60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器的接觸分析

于開福

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司, 河北 秦皇島 066205)

軌道交通運(yùn)輸是中國(guó)最主要的運(yùn)輸方式。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，為了提高運(yùn)輸效率、節(jié)約成本以及提高乘客的舒適性，對(duì)鋼軌一體化的要求更加嚴(yán)苛。在一些特殊的運(yùn)輸環(huán)境中，為了避免熱脹冷縮對(duì)鋼軌形成破壞，前人針對(duì)應(yīng)用環(huán)境的不同，分別研究設(shè)計(jì)了應(yīng)用于高鐵、大橋以及地鐵運(yùn)輸?shù)匿撥壣炜s調(diào)節(jié)器。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器(簡(jiǎn)稱為調(diào)節(jié)器)是組成高速鐵路的重要軌道部件之一，是實(shí)現(xiàn)軌道現(xiàn)代化的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)很多城市的軌道交通工程，可有效避免長(zhǎng)鋼軌位移向道岔區(qū)的傳遞，保證高架線路道岔的安全正常工作。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的應(yīng)用解決了隨著科技發(fā)展、鐵路提速而帶來的超長(zhǎng)無縫軌道路線鋪設(shè)難題(即無縫線路的應(yīng)力放散問題)。

鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1、圖2、圖3所示。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器由基本軌、尖軌、扣件、軌撐板、彈性墊板、軌枕或軌道板、伸縮量標(biāo)識(shí)等部件組成，調(diào)節(jié)器里側(cè)為尖軌，外側(cè)為基本軌，軌與軌之間采用扣件連接。當(dāng)軌道發(fā)生熱脹冷縮時(shí)，調(diào)節(jié)器中的尖軌與基本軌產(chǎn)生相對(duì)滑移，從而保證軌道整體形態(tài)的穩(wěn)定。

圖1 鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器示意圖

圖2 鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器實(shí)物圖

圖3 鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

近年來，中外學(xué)者針對(duì)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器應(yīng)用中存在的問題做了大量的研究。一些學(xué)者對(duì)橋上梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器進(jìn)行了研究。王森榮通過對(duì)大跨度橋上梁端鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器及梁縫處抬軌裝置的調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得出該區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的病害，并分析了其成因[1]。何永昶系統(tǒng)計(jì)算分析了橋上鋼軌扣件型式和伸縮調(diào)節(jié)器布置對(duì)軌-橋系統(tǒng)縱向相互作用的影響，并提出了鋼軌扣件和伸縮調(diào)節(jié)器合理布置方案，研究結(jié)果表明：橋上鋪設(shè)小阻力扣件可使鋼軌制動(dòng)力幅值略有減小，伸縮附加力最大值明顯減小，撓曲力幅值有所減小，在主橋兩端設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對(duì)降低軌-橋系統(tǒng)縱向相互作用力效果最佳[2]。

許多學(xué)者從尖軌線型和溫度等方面研究調(diào)節(jié)器的影響因素。文獻(xiàn)[3]通過對(duì)各種尖軌刨切線型分析，得出結(jié)論：構(gòu)造軌距及尖軌縱向位移引起的軌距變化主要受尖軌降低值影響；減小刨切線型的曲率半徑，可減小尖軌刨切長(zhǎng)度；曲線用調(diào)節(jié)器鋪設(shè)于線路曲線半徑較大的地段，有利于減小內(nèi)外側(cè)基本軌受力的差異。丁靜波等研究了溫度變化對(duì)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的影響，并建議在橋梁上使用調(diào)節(jié)器時(shí)使用梁軌一體化設(shè)計(jì)，不建議在曲線軌道路線上鋪設(shè)調(diào)節(jié)器，在可能使用調(diào)節(jié)器的路段預(yù)留滿足調(diào)節(jié)器使用的條件，避免后期鋪設(shè)調(diào)節(jié)器而引發(fā)問題[4]。

還有大量專家通過分析調(diào)節(jié)器病害的原因，對(duì)新路線的設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的建議。王宏昌等通過研究發(fā)現(xiàn)在新線路的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)做好統(tǒng)籌規(guī)劃，避免在曲線路段鋪設(shè)調(diào)節(jié)器，以增加軌道的鋪設(shè)難度以及后期維護(hù)工作量[5]。許多學(xué)者對(duì)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn),檢測(cè)包括鋼軌強(qiáng)度在內(nèi)的大量?jī)?nèi)容，驗(yàn)證了該線路使用的雙向曲線型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的合理性，對(duì)該調(diào)節(jié)器的性能優(yōu)越性予以肯定[6-8]。大量研究人員通過對(duì)病害原因的分析，結(jié)合運(yùn)營(yíng)線路上病害整治施工的難度以及盡量減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾、降低施工風(fēng)險(xiǎn)和成本，制定切實(shí)可行的整治措施和設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

探究不同情況下的車輪與調(diào)節(jié)器的接觸，充分總結(jié)車輪與鋼軌的接觸規(guī)律，將有助于改善國(guó)內(nèi)日漸龐大的鐵路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況，直接提高路段的使用壽命。并且，只有充分了解了鋼軌上的薄弱環(huán)節(jié)的具體情況，才能在此基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的預(yù)防與技術(shù)革新，且滿足鐵路運(yùn)營(yíng)日漸嚴(yán)苛的要求。

本文對(duì)港鐵車輪與60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器的接觸情況進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，并通過仿真結(jié)果做出分析，總結(jié)了不同工況下港鐵車輪與60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器的接觸情況變化規(guī)律，分析病害的產(chǎn)生原因，并提出合理建議。

1 單向伸縮調(diào)節(jié)器的有限元仿真計(jì)算

1.1 單向伸縮調(diào)節(jié)器有限元模型的建立

以60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器上的一個(gè)具有典型特點(diǎn)的截面(圖4)處的輪軌接觸情況作為研究對(duì)象，應(yīng)用有限元軟件建立三維模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4 60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器的截面

圖5所示為港鐵車輪的幾何外形圖，通過幾何外形圖可知，車輪踏面是由許多不同曲率半徑的曲線組合而成。

圖5 港鐵車輪幾何外形圖

圖6為B截面處60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器的幾何外形圖，港鐵車輪將實(shí)現(xiàn)從基本軌向尖軌的移動(dòng)。

圖6 截面的鋼軌幾何外形圖

圖7所示為通過鋼軌與車輪的幾何外形圖建立的三維有限元模型，根據(jù)輪軌接觸時(shí)的實(shí)際受力特點(diǎn)，與所學(xué)的知識(shí)相結(jié)合，可以將模型分為“接觸區(qū)”和“非接觸區(qū)”，在接觸區(qū)附近區(qū)域有較大的接觸應(yīng)力，而非接觸區(qū)域受力遠(yuǎn)小于接觸區(qū)域。為了減少計(jì)算的時(shí)間成本，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，建立模型時(shí)，只將接觸區(qū)畫為1×1的正六面體，非接觸區(qū)為逐漸增大的六面體單元。

圖7 輪軌接觸有限元模型

1.2 材料屬性

港鐵車輪與60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器材料應(yīng)用如圖8所示的雙線性模型進(jìn)行定義，在軟件的參數(shù)設(shè)置中，材料力學(xué)性能中的彈塑性特性將依據(jù)該曲線進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。屈服極限為689.6 MPa，楊氏模量為205 000 MPa，硬化模量為20 500 MPa。

圖8 雙線性模型

1.3 載荷與邊界條件

在有限元仿真計(jì)算中，在三維模型施加相應(yīng)的約束，以模擬輪軌準(zhǔn)靜態(tài)接觸狀況。輪軌間的摩擦系數(shù)為0.3，在車軸的兩端施加集中載荷，以模擬不同的軸重的影響。在軌底施加全約束；輪對(duì)只有一個(gè)垂向自由度，即沿垂向的移動(dòng)，對(duì)3個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)以及縱向和橫向的移動(dòng)進(jìn)行約束。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 接觸斑

2.1.1 橫移量對(duì)接觸斑的影響

因鋼軌上的接觸斑較之輪對(duì)更易于觀察，以鋼軌左軌上接觸斑為研究對(duì)象。保持軸重不變是多少？將輪對(duì)左右橫移，向左移動(dòng)記為“-”，向右移動(dòng)記為“+”，取-4、-2、0、+2、+4 mm 5個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的橫移量進(jìn)行對(duì)比分析，以研究橫移量對(duì)接觸斑的影響。

將計(jì)算所得的接觸斑列于表1中，由表1可知，接觸斑呈現(xiàn)較規(guī)則的橢圓形，并且在對(duì)中位置時(shí)的面積最小為79.5 mm2，對(duì)中位置橫移量為2 mm時(shí)相較于對(duì)中位置觸斑面積均呈增加趨勢(shì)，且增加量基本一致；橫移量為4 mm時(shí)相較于橫移量為2 mm時(shí)呈減小趨勢(shì)。

表1 不同橫移量的接觸斑

接觸斑面積根據(jù)橫移量的不同以對(duì)中位置為中心展現(xiàn)出對(duì)稱變化。由于調(diào)節(jié)器基本軌的軌面是對(duì)稱的，左移和右移具有對(duì)稱的變化規(guī)律。接觸斑面積差最大為4.07 mm2，相同的軸重工況，接觸斑面積越大，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力越小。橫移量發(fā)生改變，接觸斑面積顯著變化，將加速車輪的磨耗。

2.1.2 軸重對(duì)接觸斑的影響

在對(duì)中位置模型中，施加不同的軸重進(jìn)行計(jì)算，以分析軸重對(duì)接觸斑的影響。分別選取了16、18、20 t 3種軸重載荷進(jìn)行計(jì)算，不同軸重時(shí)的接觸斑形狀與面積見表2。

表2 軸重對(duì)接觸斑的影響

從接觸斑的外形可知，3種工況下的接觸斑都呈現(xiàn)較為規(guī)則的橢圓形，隨著軸重的增加，接觸斑的外形逐漸變的“狹長(zhǎng)”，即橢圓形的長(zhǎng)軸增加，短軸減小。這是由于軸重的增加，使得車輪的塑性變形加劇。

接觸斑的面積隨軸重的增加而增大，18 t軸重相較于16 t軸重接觸斑面積增加了6.75%，而20 t軸重相較于18 t軸重接觸斑面積增加了12.64%。較大面積的接觸斑有利于調(diào)節(jié)器的承載，但是對(duì)等效應(yīng)力具有一定的影響。

2.2 等效應(yīng)力

通過建立三維有限元仿真模型探究港鐵車輪與60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器的靜態(tài)接觸系統(tǒng)中左軌上的等效應(yīng)力。經(jīng)過計(jì)算，等效應(yīng)力的分布情況大致相同，以橫移量為4 mm時(shí)的計(jì)算結(jié)果為例，等效應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 等效應(yīng)力分布

調(diào)節(jié)器在軸重的作用下，接觸區(qū)域內(nèi)有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大等效應(yīng)力在鋼軌表面以下 2～4 mm位置處出現(xiàn)，從最大等效應(yīng)力中心處向外輻射狀擴(kuò)散應(yīng)力逐步減小。由于橫移量的不同，輪軌接觸狀態(tài)不同，應(yīng)力集中分布范圍(分布圖中紅色區(qū)域)的大小不同。

2.2.1 橫移量對(duì)等效應(yīng)力的影響

在5個(gè)不同橫移量下進(jìn)行有限元計(jì)算，并將計(jì)算所得的最大等效應(yīng)力值繪于圖10。

圖10 不同橫移量的最大等效應(yīng)力值

每個(gè)橫移量下受到的最大等效應(yīng)力均超過了車輪材料的屈服極限689.6 MPa,因此在輪軌接觸中發(fā)生塑性變形。在對(duì)中位置時(shí)受到的最大等效應(yīng)力值為1 103 MPa，左右移動(dòng)車輪時(shí)的最大等效應(yīng)力值波動(dòng)較大。

2.2.2 軸重對(duì)等效應(yīng)力的影響

圖11列出3個(gè)軸重工況下的最大等效應(yīng)力值。18 t軸重工況下的等效應(yīng)力最大，16、20 t軸重工況下的最大等效應(yīng)力基本相同，呈明顯的對(duì)稱分布，合理的設(shè)置軸重可有效地減緩輪軌磨耗。

圖11 不同軸重下的最大等效應(yīng)力

2.3 等效塑性應(yīng)變

輪軌接觸的最大等效應(yīng)力超過了材料的屈服極限，產(chǎn)生塑性變形，分析輪軌等效塑性應(yīng)變可探究港鐵車輪輪對(duì)與60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器的軌道部件最易產(chǎn)生病害的位置。

輪軌接觸的等效塑性應(yīng)變分布基本一致，如圖12所示，以橫移量為-2 mm時(shí)為例分析等效塑性應(yīng)變分布，等效塑性應(yīng)變分布情況與等效應(yīng)力相一致，等效應(yīng)力大的位置塑性變形越明顯，等效塑性應(yīng)變也越大。

圖12 等效塑性應(yīng)變的分布

2.3.1 橫移量對(duì)等效塑性應(yīng)變的影響

不同橫移量下的最大等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D13所示。在對(duì)中位置時(shí)，最大等效塑性應(yīng)變的值在5個(gè)位置中最大，橫移量為-2 mm和橫移量為 +2 mm 的最大等效塑性應(yīng)變相同均為3.932×10-3mm，而橫移量為-4 mm與橫移量為+4 mm時(shí)的最大等效塑性應(yīng)變相差2×10-6mm。最大等效塑性應(yīng)變隨著橫移量的增加，以對(duì)中位置為中心呈對(duì)稱變化趨勢(shì)。

圖13 不同橫移量下的最大等效塑性應(yīng)變

2.3.2 軸重對(duì)等效塑性應(yīng)變的影響

等效塑性應(yīng)變的分布與該工況下的等效應(yīng)力分布相對(duì)應(yīng)，最大等效應(yīng)力處出現(xiàn)最大的等效塑性應(yīng)變。不同軸重下的最大等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D14所示。最大接觸應(yīng)變?cè)谳S重工況18 t時(shí)6.648×10-3mm，隨軸重的改變以軸重18 t為中心呈對(duì)稱分布。

圖14 不同軸重下的等效塑性應(yīng)變

結(jié)合等效應(yīng)力與接觸應(yīng)變分析根據(jù)鋼軌的接觸應(yīng)變分布，鋼軌的病害易出現(xiàn)在軌面以下2～4 mm 處，合理的軸重能減少病害的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

運(yùn)用有限元仿真計(jì)算的方法，針對(duì)港鐵車輪與60E1鋼軌單向伸縮調(diào)節(jié)器的接觸做了深入的研究，分析接觸斑、等效應(yīng)力及等效塑性應(yīng)變的變化，得出以下結(jié)論：

1)接觸斑面積隨著橫移量的改變以對(duì)中位置為中心呈現(xiàn)對(duì)稱變化規(guī)律，隨軸重的增大而增加。最大等效應(yīng)力隨橫移量與軸重的改變，呈現(xiàn)處相似的變化規(guī)律，即在對(duì)中位置和18 t軸重時(shí)擁有最大值，合理的安排軸重將有助于減緩輪軌的磨耗。

2)在對(duì)中位置，軸重為18 t時(shí)，接觸斑面積為79.5 mm2，等效應(yīng)力為1 103 MPa，等效塑性應(yīng)變?yōu)?.648×10-3mm，接觸斑面積為五個(gè)橫移量中最小，等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變反而為最大；該接觸情況下，將加速輪軌磨耗。

3)最大等效應(yīng)力和最大接觸應(yīng)變均產(chǎn)生于軌面下方2～4 mm處，此處易出現(xiàn)鋼軌病害，因此應(yīng)著重對(duì)軌面下2～4 mm進(jìn)行探傷。