地鐵軌下鐵墊板優(yōu)化及其靜力學性能研究

宋智慧，唐恩寬，唐善武

（1.武漢鐵路職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430205；2.湖北瑞立德科技有限公司，湖北 武漢 430062；3.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

隨著城市地鐵業(yè)務的迅速發(fā)展，在列車運行速度不斷加快、行車密度逐漸增加的同時，軌道線路設備也出現(xiàn)了大量的病害。通過對武漢軌道交通 2 號線鋼彈簧浮置板道床段線路進行調(diào)研，對中南路—寶通寺區(qū)間鋼彈簧浮置板地段現(xiàn)場工況進行分析，全面調(diào)查線路所存在的病害，區(qū)間段主要存在尼龍?zhí)坠苁?、浮置板空吊板和鐵墊板凹陷等問題，發(fā)現(xiàn)在武漢軌道交通 2 號線的曲線地段，尤其是在鋼彈簧浮置板道床的小半徑曲線地段，鐵墊板上螺栓孔位置已達到極限，而且部分區(qū)段線路的軌距、方向等仍處于超臨修狀態(tài)或接近超臨修狀態(tài)，嚴重影響著日常的維修作業(yè)及線路的安全運營［1，2］。

分析區(qū)間道床病害的成因及解決辦法，對線路上使用的定型軌下鐵墊板進行有針對性的優(yōu)化研究，從而設計出兩種螺栓孔徑、厚度不同于定型軌下鐵墊板的優(yōu)化型鐵墊板。通過對兩種優(yōu)化后的鐵墊板進行原材料檢測，對所組成的扣件系統(tǒng)各部件力學強度檢算，分析優(yōu)化后的兩種鐵墊板的靜力學性能［3］。

1 鐵墊板優(yōu)化設計

經(jīng)過對武漢市城市地鐵 2 號線中南路—寶通寺區(qū)段道床病害的主要原因進行分析，找出相應解決辦法。對該線上采用的定型軌下鐵墊板（見圖 1）進行有針對性的優(yōu)化研究，進而設計出兩個固定螺栓孔徑、厚度等不同定型軌下鐵墊板模型，以增加墊板寬度和孔徑為手段，達到調(diào)距扣板調(diào)節(jié)量和軌距調(diào)節(jié)量擴大的目的，調(diào)距扣板調(diào)整量優(yōu)化為 ±20。增加鐵墊板厚度還可提高豎向調(diào)節(jié)量，能夠做到在確?，F(xiàn)場軌下墊板調(diào)整片不超標的前提下，使豎向線路達到標準設計線型。優(yōu)化后鐵墊板設計圖如圖 2 所示。

圖1 原定型鐵墊板設計圖（單位：mm）

2 優(yōu)化后鐵墊板原材料質(zhì)量檢測

按照中國城市地鐵的有關標準要求，城市地鐵線路中所采用的軌下鐵墊板的技術條件，主要涉及鐵墊板材質(zhì)和整體性能方面的重要技術指標，且鐵墊板的總體特性與其所使用的材質(zhì)特性之間有較大關聯(lián)，因此為了全面檢驗軌下鐵墊板并改進工程中所使用材質(zhì)的整體特性，同時保證檢驗結(jié)論的準確度和權(quán)威性，先后分兩次將 6 件優(yōu)化后的鐵墊板樣品（未加厚、加厚型鐵墊板各 3 塊）送至中國國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心進行權(quán)威檢測［4］。優(yōu)化后的鐵墊板樣品圖如圖 3 所示。

2.1 檢測項目

相關規(guī)范規(guī)定的檢測項目有：材料抗拉強度（MPa）、斷后伸長率（%）、硬度（°）、外觀質(zhì)量、金相組織檢測等 5 個。材料抗拉強度不低于 500 MPa，斷后伸長率≥10 %，硬度范圍為 170°～230°，在測試完成后，對被測試件進行了外觀檢測，無破損或嚴重變化。

圖2 優(yōu)化后鐵墊板設計圖（單位：mm）

圖3 優(yōu)化后的鐵墊板樣品實體圖

2.2 檢測主要儀器及依據(jù)

檢測主要儀器有：600 DX 材料試驗機、HBE3000電子布氏硬度計、游標卡尺、LeicaDMT5000M 型金相顯微鏡等。

按照有關標準要求，本試驗所應用檢測標準為 GB/T 1348-2009《球墨鑄鐵件》、GB/T 9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗》。

2.3 檢測結(jié)果

檢測結(jié)果如表 1、表 2 所示。

表1 鐵墊板材料檢測結(jié)果

表2 鐵墊板金相組織檢測結(jié)果

圖4 金相照片

2.4 檢測結(jié)論

經(jīng)檢測，優(yōu)化后鐵墊板根據(jù)檢驗規(guī)范要求所進行檢測的 5 個項目的指標均符合要求，說明優(yōu)化后軌下鐵墊板制作所采用的原材料及成品質(zhì)量符合相關行業(yè)規(guī)范要求。

3 各構(gòu)件強度檢算

本文采用高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的設計荷載進行優(yōu)化后扣件系統(tǒng)各構(gòu)件的強度檢算。

其中，垂直荷載按最大動軸重F1=340 kN 取值；橫向水平荷載按F2=80 kN 取值；縱向水平荷載只考慮列車制動力和起動力的影響，所引起的鋼軌應力按σ=10 MPa 取值［5］，由于高速鐵路及地鐵線路軌道所采用的 P60 鋼軌截面積為S=77.45 cm2，因此縱向水平荷載為F3=σ·S=10×106×77.45×10-4=77.45 kN 。

3.1 錨固螺栓檢算

扣件系統(tǒng)的扣壓力可通過給錨固螺栓施加的預緊力矩進行控制。具體的力矩控制計算方法見式（1）。

式中：Q為抗拔力，N；T為錨固螺栓的預緊力矩，N·m；d為錨固螺栓的公稱直徑，m；μ0為錨固螺栓的扭矩系數(shù)，本文按 0.15 進行取值。當螺栓的預緊力矩為200 N·m、公稱直徑為30 mm 時，擰緊后錨固螺栓的受力值即抗拔力見式（2）。

同時當扣件系統(tǒng)處于最大調(diào)高量時（單獨考慮加厚型鐵墊板受力情況），由于扣件系統(tǒng)受到鋼軌橫向力（這里分析時按照扣件系統(tǒng)所受最大橫向力 80 kN 考慮）的影響，會對螺栓產(chǎn)生一個附加的彎矩，螺栓的最不利受力位置位于螺栓與下部錨固套管的結(jié)合位置，此時螺栓的懸臂長度L見式（3）。

螺栓的受力見式（5）。

對于采用 45# 鋼材質(zhì)的錨固螺栓，螺栓的屈服極限為 355 MPa，經(jīng)計算可知安全系數(shù)為 2.07，可見螺栓的受力遠小于其材料的屈服極限，因此螺栓的受力情況是偏于安全的，滿足現(xiàn)場的使用要求。同時需要注意的是，采用通過控制扭矩的方式來控制抗拔力時，由于潤滑情況等現(xiàn)場條件存在差異，螺栓所受拉力大小會產(chǎn)生最大 25 % 的誤差。

3.2 調(diào)距扣板檢算

調(diào)距扣板沿線路橫斷面方向的長度調(diào)整 10 mm 后，降低了扣板受力結(jié)構(gòu)的剪切面積，計算時扣件系統(tǒng)所受橫向力取 80 kN，由于兩個扣板受力相同，則可計算得到扣板剪切面的受見式（6）。

對于 45 # 鋼材質(zhì)的調(diào)距扣板，扣板的屈服極限為355 MPa，經(jīng)計算可知安全系數(shù)為 5.08，調(diào)距扣板所受剪切力遠小于其屈服極限，可見扣板強度改造后仍能保證有較大的安全系數(shù)，滿足使用要求。

3.3 優(yōu)化后鐵墊板檢算

為準確地計算優(yōu)化后軌下鐵墊板的受力情況，采用ABAQUS 有限元軟件對其受力情況進行模擬，并計算出所受最大應力情況，以此對優(yōu)化后的兩種軌下鐵墊板進行強度檢算。

3.3.1 有限元模型建立

本次軌道交通鋼彈簧浮置板道床軌下鐵墊板的優(yōu)化部分主要為鐵墊板處的錨固螺栓連接孔左右各擴大10 mm，或厚度同時增加 15 mm，對優(yōu)化前和兩種改進后的鐵墊板分別建立實體模型如圖 5 所示。

圖5 鐵墊板實體模型

3.3.2 強度檢算

為了精確檢算優(yōu)化后鐵墊木在列車負荷作用下的最大剛度，并研究優(yōu)化后前鐵墊塊的最大受力狀況，從而對其結(jié)構(gòu)力學性能進行了評估，使用 ABAQUS 有限元軟件構(gòu)建了該扣件連續(xù)結(jié)構(gòu)力學分析計算系統(tǒng)的有限元模塊，對鐵墊板結(jié)構(gòu)承載力等狀況進行了仿真分析，分別測算出扣件及其連接結(jié)構(gòu)的最大變形和應力狀況。

綜合計算分析了 3 種鐵墊板扣件結(jié)構(gòu)在垂向載荷70 kN、橫向水平載荷 80 kN、縱向載荷 77.45 kN 條件下的受力情況，力作用面分別為鐵墊板承軌槽上表面、左邊側(cè)表面和鐵墊板前表面。優(yōu)化前、優(yōu)化后未加厚、優(yōu)化后加厚 3 種工況下的鐵墊板受力狀態(tài)計算結(jié)果如圖 6 所示。

圖6 3 種工況鐵墊板下受力情況

由仿真結(jié)果可知，鐵墊板在 70 kN 垂向載荷、80 kN橫向水平載荷、77.45 kN 縱向載荷作用下，優(yōu)化前、優(yōu)化后未加厚、優(yōu)化后加厚 3 種鐵墊板的最大應力分別為 124.3 MPa、121.7 MPa 及 122.1 MPa。應力分布從鐵墊板由上而下擴散逐漸增大，最大應力產(chǎn)生在鐵墊板下表面四周邊緣處，計算得到的最大應力均小于鐵墊板的設計強度 450 MPa，因此縱向力載荷分析表明優(yōu)化后鐵墊板的強度滿足使用要求。

3.3.3 變形分析

科學研究證實，扣件連接時垂向剛性越低，減振去噪的效果就越好。所以，豎向靜剛度也是橡膠減震扣件的主要技術指標之一。通過對優(yōu)化前、優(yōu)化后未加厚、優(yōu)化后已增厚 3 種鐵墊板材料進行的熱靜力學模擬，研究其變形特征，以檢驗其側(cè)向剛性與豎向強度能否與實際狀況相匹配。3 種鐵墊板結(jié)構(gòu)的變形如圖 7 所示。

圖7 優(yōu)化前后三種鐵墊板變形圖

優(yōu)化前鐵墊板結(jié)構(gòu)的總體變形如圖 7（a）所示，最大位移為 1.412 mm，產(chǎn)生在彈條孔上表面邊緣處，4 個象限內(nèi)鐵墊板頂面四角的位移分別為 0.589、1.295、0.942、0.706 mm。按照實驗條件，求得的仿真豎向強度為 54.6 kN/mm。仿真得到的豎向強度都在中等減振扣件設計強度的范圍內(nèi)，而且都與實際狀況基本吻合，而且材料設置合理，模型準確。

優(yōu)化后未加厚鐵墊板結(jié)構(gòu)的總體變形如圖 7（b）所示，最大位移為 1.883 mm，產(chǎn)生在彈條孔上表面邊緣處，鐵墊板頂面分別位于 4 個象限的 4 個角點的位移分別為 0.655、1.412、1.255、0.784 mm。根據(jù)試驗要求，求得仿真豎向剛度為 46.4 kN/mm。仿真得到的豎向剛度在中等減振扣件設計剛度的范圍內(nèi)，并且與實際情況相符，所以材料設置合理，模型正確。

優(yōu)化后加厚鐵墊板結(jié)構(gòu)的總體變形如圖 7（c）所示。最大位移為 1.323 mm，產(chǎn)生在彈條孔上表面邊緣處，在鐵墊板頂面處分別處于 4 個象限的 4 個角點之間的位置差分別為 0.331、0.882、0.935、0.661 mm。按照實驗條件，求得的仿真豎向強度約為 58.4 kN/mm。仿真得到的豎向強度都在中等減振扣件設計強度的范圍內(nèi)，而且都與實際狀況基本吻合，可以得出材料設置合理，模型準確。

3.4 檢算結(jié)論

通過采用高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的設計荷載，對優(yōu)化前后的軌下鐵墊板所組成的扣件系統(tǒng)各構(gòu)件進行強度檢算，可以得出錨固螺栓、調(diào)距扣板以及優(yōu)化前后鐵墊板的強度均小于其屈服極限或設計強度，并且對優(yōu)化前、優(yōu)化后未加厚、優(yōu)化后加厚 3 種鐵墊板進行的靜力學仿真，研究其變形特性，驗證其豎向剛度與實際情況相符，符合安全使用要求。

4 結(jié)語

1）經(jīng)檢測，優(yōu)化型鐵墊板按照 GB/T 1348-2009《球墨鑄鐵件》和 GB/T 9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗》要求，所進行測試的材料抗拉強度、斷后伸長率、硬度、外觀質(zhì)量、金相組織檢測等 5 個項目的指標均符合要求。說明改進型軌下鐵墊板制作所采用的原材料及成品質(zhì)量符合相關行業(yè)規(guī)范要求。

2）采用高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的設計荷載，對優(yōu)化前后的軌下鐵墊板所組成的扣件系統(tǒng)各構(gòu)件進行強度檢算，可以得出錨固螺栓、調(diào)距扣板強度均小于其屈服極限或設計強度，螺栓及調(diào)距扣板的受力情況是偏于安全的，錨固螺栓和扣板強度改造后仍能保證有較大的安全系數(shù)，滿足現(xiàn)場的使用要求。

3）采用 ABAQUS 有限元軟件對優(yōu)化前后 3 種鐵墊板結(jié)構(gòu)受力情況進行模擬，并計算出在高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的設計荷載作用下鐵墊板所受的最大應力情況，對優(yōu)化后的兩種軌下鐵墊板進行強度檢算，得到優(yōu)化前后鐵墊板所受最大應力均小于設計強度，并通過對優(yōu)化前、優(yōu)化后未加厚、優(yōu)化后加厚 3 種鐵墊板進行的靜力學仿真，研究其變形特性，驗證其豎向剛度與實際情況相符，因此符合安全使用要求。Q