重載鐵路用組合轍叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閆 旭 輝

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司技術(shù)中心軌道線路研究院，陜西 寶雞 721006)

1 概述

組合轍叉以適應(yīng)無縫線路、使用壽命長、養(yǎng)護(hù)方便、運(yùn)營成本低等特點(diǎn)，成為鐵路轍叉產(chǎn)品發(fā)展的重要方向之一，重載運(yùn)輸是國際上公認(rèn)的鐵路貨物運(yùn)輸?shù)挠行Х绞街?，具有軸重大、牽引質(zhì)量大、運(yùn)量大的特點(diǎn)。隨著重載鐵路的發(fā)展，鐵路道岔(轍叉)無縫化技術(shù)逐漸進(jìn)行推廣，作為道岔的核心部件——轍叉，固定型轍叉壽命僅為1億t～2.5億t，而線路天窗時(shí)間短，更換軌件工作量大，較頻繁的更換，不但增加養(yǎng)護(hù)維修成本，對(duì)行車安全也造成隱患，已不能滿足既有線路要求。

傳統(tǒng)組合轍叉鐵墊板以上部分呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，心軌、鑲嵌翼軌主流材質(zhì)是合金鋼或高錳鋼或鍛造高錳鋼，因此制造成本較高。而大多數(shù)轍叉在服役過程中，轍叉直股過車密度及載荷遠(yuǎn)多于轍叉曲股，因此，分析大量下道的轍叉?zhèn)麚p特征，轍叉?zhèn)麚p主要發(fā)生在轍叉直股心軌、翼軌車輪踏面區(qū)域，而曲股心軌、翼軌車輪踏面區(qū)域未出現(xiàn)重傷。因此，在既有制造工藝基礎(chǔ)上，在滿足線路使用工況條件下，開發(fā)75 kg/m鋼軌12號(hào)新型組合轍叉，采用不對(duì)稱鑲嵌翼軌結(jié)構(gòu)，即組合轍叉直股設(shè)計(jì)鑲嵌翼軌，鑲嵌翼軌選用力學(xué)性能優(yōu)異的材料制造；曲股設(shè)計(jì)普通結(jié)構(gòu)翼軌，翼軌選用與線路同材質(zhì)鋼軌制造。此結(jié)構(gòu)不但結(jié)構(gòu)安全性高，且充分發(fā)揮了組合轍叉不同部位材料特性。同時(shí)，心軌、鑲嵌翼軌滿足成型數(shù)控加工要求，提高了制造精度，重量減輕，而且能實(shí)現(xiàn)叉心線上、線下互換組裝，大幅降低制造和養(yǎng)護(hù)成本，延長了服役壽命。

2 設(shè)計(jì)原則

1)適用27 t軸重以下，列車以V≤90 km/h直向速度通過的運(yùn)行條件。

2)與既有高錳鋼轍叉、合金鋼轍叉可互換。

3)適應(yīng)跨區(qū)間無縫線路。

4)錳叉心總重不大于400 kg，適合人工互換組裝。

5)轍叉趾、跟端設(shè)1∶40的軌底坡。

6)扣件采用彈條Ⅱ型扣件。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 組合轍叉

組合轍叉主要由心軌、叉跟軌、直股翼軌、鑲嵌翼軌、曲股翼軌、A/B型間隔鐵、墊板、橋式墊板組成(見圖1)。心軌、鑲嵌翼軌選用鍛造高錳鋼材料制作，直股翼軌、曲股翼軌選用普通鋼材料制作，通過A型和B型間隔鐵在高強(qiáng)螺栓副作用下進(jìn)行連接緊固。心軌底面與墊板支撐臺(tái)接觸，在轍叉服役過程中，將載荷傳遞至墊板，穩(wěn)定性較好，同時(shí)縮減了心軌規(guī)格，減少了質(zhì)量，降低材料成本。心軌和鑲嵌翼軌兩個(gè)側(cè)面長度方向設(shè)計(jì)凹槽結(jié)構(gòu)，鑲嵌翼軌位于轍叉直股側(cè)，鑲嵌翼軌與直股翼軌上下斜面進(jìn)行配合，從而降低組裝難度，提高單件配合質(zhì)量,為心軌、鑲嵌翼軌線上和線下互換提供保障。組合轍叉有害空間區(qū)域設(shè)計(jì)橋式墊板結(jié)構(gòu)，若線路發(fā)生“空吊板”病害，可減少車輪對(duì)組合轍叉沖擊載荷作用下造成的疲勞破壞損傷，延緩組合轍叉?zhèn)麚p發(fā)生時(shí)間；雙咽喉結(jié)構(gòu)，提高組合轍叉咽喉處強(qiáng)度。單孔、雙孔間隔鐵配合使用結(jié)構(gòu)，簡化了組合轍叉結(jié)構(gòu)。

3.2 心軌

心軌選用鍛造高錳鋼制造。心軌20 mm斷面至50 mm斷面區(qū)間采用心軌加寬設(shè)計(jì)，提高心軌粗壯度，在組合轍叉服役過程中，減少或避免心軌發(fā)生病害；采用合金化高錳鋼材料制造，確保關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)屈服強(qiáng)度大于400 MPa；叉心行車面經(jīng)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行三次爆炸硬化后，軌頂面硬度由初始硬度170HBW～229HBW提高至352HBW硬度以上，距離頂面20 mm范圍內(nèi)材料抗拉強(qiáng)度也獲得明顯提升，其缺點(diǎn)是爆炸硬化使高錳鋼的延伸率和沖擊韌性分別降低，且爆炸硬化的表面層的沖擊韌性下降較大，近年來我們對(duì)在京廣線、隴海線上線的高錳鋼組合轍叉使用狀況調(diào)研分析可知，叉心行車面較高的硬度盡管可以有效減少磨耗、塑性變形，但易在心軌出現(xiàn)裂紋病害，致使多數(shù)轍叉未磨耗到限而下線，影響其使用壽命。基于此，我們采用控制表面粗糙、溫度、炸藥后的爆炸罐深度爆炸硬化工藝，對(duì)心軌行車面進(jìn)行爆炸硬化，硬度不大于321HBW，確保叉心硬度、強(qiáng)度、韌性指標(biāo)在合理的匹配范圍，組合轍叉上線后，充分發(fā)揮高錳鋼特性，減少或者避免叉心發(fā)生水平裂紋、嚴(yán)重掉塊等等病害。心軌、鑲嵌翼軌質(zhì)量約380 kg，適合人工裝卸。

3.3 鑲嵌翼軌

鑲嵌翼軌采用鍛造高錳鋼制作，與直股翼軌藏尖配合。行車面進(jìn)行爆炸硬化，硬度不大于321HBW。

3.4 直/曲股翼軌、叉跟軌

采用與線路同材質(zhì)U75V在線熱處理鋼軌制造，實(shí)現(xiàn)組合轍叉與線路無縫化連接。為了減少翼軌折彎點(diǎn)與螺栓孔中心之間應(yīng)力，螺栓孔中心距離彎折點(diǎn)距離不小于80 mm，這樣也可避免在螺栓孔附近因彎折角度大造成彎折點(diǎn)處垂直裂紋。

4 檢算分析

4.1 動(dòng)能損失計(jì)算

翼軌與護(hù)軌一樣在緩沖段部分存在沖擊角，翼軌平直段至雙咽喉起始處存在沖擊角，車輛順、逆向通過時(shí)，車輪輪緣會(huì)沖擊翼軌，產(chǎn)生動(dòng)能損失。由動(dòng)能損失公式Vsinβ≤3 km/h(β為沖擊角，V為列車速度)計(jì)算可知，車輪接觸翼軌時(shí)，無橫向沖擊翼軌或卡阻車輪的現(xiàn)象。組合轍叉沖擊角角度滿足列車過叉要求，設(shè)計(jì)合理。

4.2 組合轍叉強(qiáng)度計(jì)算

由組合轍叉結(jié)構(gòu)分析可知，危險(xiǎn)截面位于叉心跟端縮頸處，因此，忽略對(duì)計(jì)算準(zhǔn)確度影響較小邊角，借助非線性有限元軟件，建立叉心有限元網(wǎng)格模型，有限元單元總數(shù)約為65萬個(gè)，為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，對(duì)計(jì)算結(jié)果關(guān)心的部位進(jìn)行了更進(jìn)一步的網(wǎng)格細(xì)化，進(jìn)行有限元計(jì)算分析。

4.2.1 動(dòng)載荷Pd

按電力機(jī)車牽引27 t軸重，直向通過速度V=90 km/h計(jì)算動(dòng)載荷Pd。

Pd=(1+α)P=415.8 kN。

其中，α為速度系數(shù),α取0.6 V/100；P為靜輪載。

按動(dòng)載荷平均分配到每個(gè)車輪上，單個(gè)車輪產(chǎn)生的動(dòng)載荷Pd1為：

Pd1=Pd/2=415.8/2=207.9 kN。

4.2.2 材料參數(shù)

鍛造高錳鋼材料彈性模量E=210 GPa，泊松比v=0.3，屈服強(qiáng)度約為400 MPa。

4.2.3 計(jì)算結(jié)果

圖2為叉心有限元S，Miss應(yīng)力分布云圖。應(yīng)力集中部分位于叉心與叉跟軌的連接部位(跟端縮頸處)，最大應(yīng)力為207 MPa，小于叉心材料本身的屈服強(qiáng)度(400 MPa)。因此，本次設(shè)計(jì)的叉心強(qiáng)度滿足實(shí)際工況需要。

4.3 無縫線路適應(yīng)性分析

設(shè)定軌溫變化幅度Δt=55 ℃，由鋼軌溫度力計(jì)算公式Pt=2.48×Δt×F，其中,F為鋼軌橫斷面積。計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)軌件、間隔鐵進(jìn)行膠接條件下，75 kg/m鋼軌12號(hào)高錳鋼組合轍叉在設(shè)定的溫度變化區(qū)間，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度穩(wěn)定，適合無縫線路工況要求。

5 輪軌關(guān)系分析

5.1 組合轍叉平順性分析

組合轍叉鑲嵌翼軌、曲股翼軌均進(jìn)行了抬高設(shè)計(jì)，心翼軌頂面均與車輪踏面匹配，平順性滿足要求。

5.2 組合轍叉叉跟軌結(jié)構(gòu)平順性分析

6 結(jié)語

新型75 kg/m鋼軌12號(hào)組合轍叉心軌、鑲嵌翼軌采用鍛造高錳鋼材料制造，鐵墊板以上部分呈不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，減少了材料使用成本，組合轍叉重量減輕，充分發(fā)揮組合轍叉不同部位材料特性；叉心與翼軌配合面截面為等寬形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)成型加工，降低制造成本，滿足叉心線下、線上叉心互換組裝結(jié)構(gòu)要求；橋式墊板的應(yīng)用，改善了組合轍叉有害空間受力狀況；鍛造高錳鋼材料的應(yīng)用，提高了材料力學(xué)性能，減少轍叉病害，延長轍叉使用壽命。這種結(jié)構(gòu)可以形成不同鋼軌類型、不同號(hào)數(shù)、不同品種的轍叉系列產(chǎn)品，因此，具有較高的推廣價(jià)值。