鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置故障分析

陳 磊

（西安鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，西安 710100）

轉(zhuǎn)轍機(jī)及安裝裝置是道岔信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是保障行車安全、提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)聯(lián)鎖關(guān)系的基礎(chǔ)設(shè)備，其安全性、可靠性直接影響到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托?。尖端鐵是道岔尖軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿件連接的關(guān)鍵零件，其失效可能導(dǎo)致尖軌鎖閉失效，嚴(yán)重時(shí)引起行車安全事故。因此，轉(zhuǎn)轍機(jī)及安裝裝置安全可靠運(yùn)行對(duì)鐵路行車安全有重要意義。

目前，普速鐵路道岔現(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)及安裝裝置的維護(hù)以鐵路電務(wù)人員定期上道巡視維護(hù)為主，由于工作環(huán)境惡劣，上道天窗時(shí)間短，轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置在故障初期很難有效的發(fā)現(xiàn)并維護(hù)，可能造成一定的安全隱患。由于道岔系統(tǒng)工況環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，且所涉領(lǐng)域較小，國(guó)內(nèi)對(duì)道岔振動(dòng)及仿真分析的應(yīng)用研究較少。本文針對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置的尖端鐵斷裂故障問(wèn)題，研究人員利用動(dòng)態(tài)測(cè)試儀器對(duì)道岔進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析，結(jié)合有限元模態(tài)仿真對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置工作狀態(tài)進(jìn)行故障原因分析并給出維護(hù)建議。

1 牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工況分析

1.1 牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示， 牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)轍機(jī)、安裝裝置動(dòng)作桿組件、安裝裝置表示桿組件、斥離側(cè)基本軌、斥離側(cè)尖軌、密貼側(cè)尖軌、密貼側(cè)基本軌組成，其中安裝裝置的表示桿組件由尖端鐵、連接桿組成。安裝裝置表示桿組件通過(guò)其尖端鐵和連接桿將尖軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)表示桿連接。當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)換時(shí)，尖軌將其位置信息依次通過(guò)尖端鐵、連接桿，最后傳遞到轉(zhuǎn)轍機(jī)表示桿，因此控制室通過(guò)轉(zhuǎn)轍機(jī)表示電路的通斷即可判斷尖軌與基本軌的密貼狀態(tài)信息。

圖1 牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of turnout system at traction point

1.2 工況分析

轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置表示桿組件的工作狀態(tài)分為兩種：一種是隨著道岔轉(zhuǎn)換被動(dòng)的水平移動(dòng)從而檢測(cè)尖軌位置狀態(tài)；另一種是在列車通過(guò)時(shí)，道岔和岔枕的振動(dòng)引起尖軌、安裝裝置和轉(zhuǎn)轍機(jī)振動(dòng)。由于道岔轉(zhuǎn)換時(shí)安裝裝置表示桿組件為隨動(dòng)關(guān)系，載荷主要是摩擦阻力，且每次動(dòng)作時(shí)間短，摩擦阻力數(shù)值較小對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置的影響可以忽略。因此，列車通過(guò)道岔時(shí)引起的振動(dòng)是道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備系統(tǒng)主要工況，尤其是道岔垂向振動(dòng)應(yīng)作為本次分析的主要內(nèi)容。

2 道岔及轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置建模

道岔的振動(dòng)主要以隨機(jī)振動(dòng)為主，當(dāng)尖軌和轉(zhuǎn)轍機(jī)同時(shí)振動(dòng)且頻率不同時(shí)會(huì)引起中間的安裝裝置受力，因此分析安裝裝置受力前，需要先了解道岔系統(tǒng)振動(dòng)情況。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性常用的方法，通過(guò)計(jì)算獲取結(jié)構(gòu)固有參數(shù)，其結(jié)果可以判斷結(jié)構(gòu)在不同頻率下的振動(dòng)情況。本文采用模態(tài)分析方法研究道岔系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以了解其振動(dòng)特性。

2.1 三維建模

由于牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文根據(jù)以往仿真經(jīng)驗(yàn)，建立三維模型并進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，采用3 m長(zhǎng)道岔、省略岔枕、以質(zhì)量點(diǎn)替代轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部零部件并簡(jiǎn)化尖軌外形尺寸。

2.2 有限元模態(tài)分析

將道岔系統(tǒng)三維簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入有限元仿真分析軟件中，建立有限元模型，邊界條件為基本軌兩端支撐、尖軌尾部支撐。

有限元分析前需要對(duì)各部分材料進(jìn)行定義，主要材料屬性如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Performance parameter of materials mechanics

模態(tài)分析結(jié)果是動(dòng)力學(xué)分析的依據(jù)。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，當(dāng)外界激勵(lì)的頻率接近或達(dá)到結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)就會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振，從而加速結(jié)構(gòu)的破壞。在有限元仿真分析軟件中完成模態(tài)分析，并提取前10階模態(tài)分析結(jié)果，其中第1～4階模態(tài)分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 道岔系統(tǒng)模態(tài)振型Fig.2 Modal shape of turnout system

2.3 有限元仿真結(jié)果分析

對(duì)于各階振型情況，查看各階頻率下的最大變形位置。牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)前10階固有頻率及最大位移發(fā)生位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 道岔系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Modal calculation result of turnout system

由表2可以看出，不同的模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)不同道岔系統(tǒng)變形情況。隨著模態(tài)階次的增加，振型的變化逐漸由單方向移動(dòng)轉(zhuǎn)為扭轉(zhuǎn)變形，其中第6、8、9、10階振型系統(tǒng)位移集中在安裝裝置的動(dòng)作連接桿和表示連接桿上。

3 測(cè)試分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

如圖3所示，道岔處于左側(cè)密貼，右側(cè)斥離的狀態(tài)。在道岔牽引點(diǎn)處的密貼側(cè)尖軌、密貼側(cè)基本軌、斥離側(cè)尖軌和斥離側(cè)基本軌的軌底設(shè)置加速度傳感器，監(jiān)測(cè)并記錄列車經(jīng)過(guò)牽引點(diǎn)時(shí)道岔的振動(dòng)情況。

圖3 道岔狀態(tài)Fig.3 Turnout state

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

列車通過(guò)道岔時(shí)垂向加速度時(shí)域波形如圖4所示。

圖4 道岔振動(dòng)加速度時(shí)域波形Fig.4 Time domain waveform of turnout vibration acceleration

由道岔垂向振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，道岔的最大振動(dòng)加速度發(fā)生在密貼側(cè)尖軌垂向上，加速度最大值為981.6 m/s2；其次是基本軌垂向振動(dòng)最大值為912.8 m/s2；斥離尖軌振動(dòng)最小，最大加速度223.5 m/s2；由斥離側(cè)基本軌垂向振動(dòng)時(shí)域波形圖4(b)可以看出，列車經(jīng)過(guò)時(shí)斥離側(cè)基本軌垂向加速度在某些時(shí)刻形成了一定的持續(xù)時(shí)間，產(chǎn)生一定的位移量。

3.3 振動(dòng)功率譜分析

通過(guò)傅里葉積分和變換，將列車通過(guò)道岔時(shí)產(chǎn)生的垂向加速度時(shí)域信號(hào)用頻域信號(hào)表示，即道岔各軌道的功率譜密度，如圖5所示。

圖5 道岔振動(dòng)信號(hào)功率譜Fig.5 Signal power spectrum of turnout vibration

如表3所示，密貼側(cè)尖軌和基本軌加速度功率譜能量主要分布在高頻1 910和3 720 Hz附近，斥離側(cè)尖軌和基本軌振動(dòng)加速度能量頻率小于200 Hz，其中斥離側(cè)基本軌垂向振動(dòng)頻率主要在10 Hz附近，振動(dòng)能量集中度高，達(dá)到總能量的45.2%。

表3 道岔垂向振動(dòng)功率譜密度峰值統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of peak power spectrum density of turnout vertical vibration

3.4 軌道振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

對(duì)比有限元模態(tài)分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可以看出，道岔系統(tǒng)共振一階模態(tài)11.013 Hz與近轉(zhuǎn)轍機(jī)的斥離側(cè)基本軌的振動(dòng)頻率10 Hz接近，由此判斷在列車經(jīng)過(guò)時(shí)，由斥離側(cè)基本軌局部振動(dòng)響應(yīng)成為了牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)共振的起源，從而引起斥離側(cè)的轉(zhuǎn)轍機(jī)和安裝裝置垂向產(chǎn)生較大位移；而密貼側(cè)尖軌和基本軌響應(yīng)頻率在1 900 Hz以上，遠(yuǎn)高于道岔系統(tǒng)共振頻率，其垂向振動(dòng)位移量相對(duì)較??；此時(shí)牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)形成了以密貼側(cè)的尖軌和基本軌為支撐點(diǎn)，安裝裝置為連接桿，轉(zhuǎn)轍機(jī)為遠(yuǎn)端質(zhì)量點(diǎn)的單支撐懸臂梁振動(dòng)模型，尖軌連接鐵則成為了應(yīng)力集中的系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，所以牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)共振是引起轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置斷裂故障的主要原因。

因此，在日常維護(hù)過(guò)程中應(yīng)定期檢查牽引點(diǎn)處枕木和彈簧扣件等元件的支撐情況，如搗鼓道砟提高其密實(shí)程度，同時(shí)保證彈簧扣件的螺栓的預(yù)緊力等，確保有砟道床局部支撐剛度足夠，降低牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)發(fā)生局部共振的幾率。

4 結(jié)論

本文介紹了道岔牽引點(diǎn)處轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置的結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)故障，并對(duì)道岔現(xiàn)場(chǎng)安裝裝置尖端鐵斷裂故障進(jìn)行分析研究。建立了道岔系統(tǒng)的三維簡(jiǎn)化模型及有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析。采用便攜式數(shù)字采集儀器對(duì)道岔系統(tǒng)工況進(jìn)行測(cè)試，掌握了其工作狀態(tài)。將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行比較，得出故障原因，為道岔系統(tǒng)故障的判斷提供新思路，也為道岔系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行提供保障。