一種新型整鑄護軌墊板的設計研究及分析

劉亞航,代 豐,荊 果,王 平

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

護軌墊板是道岔的重要部件之一,其作用是保證機車車輛順利通過道岔轍叉部分而不發生脫軌事故[1]。護軌墊板承受著相當復雜的荷載作用,包括車輪通過鋼軌、護軌傳到墊板上的垂直和水平荷載、彈條壓力、T形螺栓拉力和螺栓預壓力等。在列車過岔速度過高時,橫向作用力將會有顯著的增大,這樣,對護軌墊板整體受力要求就十分苛刻。對于以前的舊式焊接型護軌墊板,立墻與底座板之間通過焊接連接,其焊縫的強度已逐漸無法滿足高速列車通過時對其產生的橫向受力要求,加之焊縫本身存在內部殘余應力,對整個護軌墊板的強度和穩定性都有明顯的不利影響。

為滿足現今高速鐵路的發展要求,需要一種能夠承受更高沖擊力,具有更高的整體穩定性的護軌墊板,以提供列車高速過岔時的安全保證。那么,新型的整鑄式護軌墊板就十分必要了。

1 新型護軌墊板設計方案

新型整鑄護軌墊板是針對現場焊接護軌墊板容易折斷而設計的一種新型護軌墊板,其特征是在結構上強化了薄弱斷面,增加了橫向和垂向彈性,其流線形設計,外觀比較優美,同時還可以節約材料。與焊接墊板相比,整鑄墊板消除了焊縫,底板和立墻用較大的圓弧連接,緩解了墊板的豎向剛度突變,整鑄墊板采用邊墻結構,使墊板上部有足夠的橫向剛度。同時墊板在縱向和橫向有較好的彈性。墊板材料采用QT400-15,彈性模量E=2.06×105MPa,泊松比0.3,屈服強度250 MPa,極限抗拉強度450 MPa。新型整鑄護軌墊板設計如圖1、圖2所示。

圖1 整鑄護軌墊板立面(單位：cm)

圖2 整鑄護軌墊板平面(單位：cm)

2 計算模型及參數

2.1 分析模型

由于缺少鐵路道岔荷載譜,對墊板分析采用靜力分析法。通過對護軌墊板的結構進行分析,將墊板所受荷載簡化為作用于承軌面上的列車垂直荷載和作用于立墻上部的水平荷載,并考慮螺栓拉力及扣件扣壓力,另外還有扣件系統對墊板的力,包括：扣件壓力、上拔力和扣件對鋼軌的壓力。墊板位于彈性支承上,基本分析模型如圖3所示。

圖3 護軌墊板力學分析模型

2.2 荷載工況及其邊界條件

18號可動心軌提速道岔護軌墊板最不利荷載工況為：對于高速鐵路來說,當25 t軸重貨車以80 km/h速度側向過岔時,護軌對墊板產生最大水平力約為70 kN[4]；當16 t軸重客車以90 km/h速度側向過岔時,護軌對墊板產生最大水平力約為50 kN[4,均布于立墻側面螺栓孔上部區域。

行走軌對墊板荷載PA均布于承軌面上,貨車時,取PA=125 kN[4](其中單個彈條的扣壓力10 kN；貨物列車軸重25 t,提速貨車動力系數取為1.68,考慮到護軌的幫軌作用,作用于墊板上的分配系數取為0.5)；客車時,取PA=70 kN[4](其中單個彈條的扣壓力10 kN；客車軸重16 t,提速客車動力系數取為2.0,考慮到護軌的幫軌作用,作用于墊板上的分配系數取為0.5)。

螺栓預緊力P簡化為作用于墊板螺栓孔周圍圓環區域的均布壓力,根據螺栓扭矩換算所得的預緊力為60 kN。

扣件對墊板的壓力PV均布作用在弧形槽的底部,PV=10 kN；

扣件上螺栓上拔力,均布于彈條座和螺栓的接觸面上,PL=20 kN；

臺板可能承受從基本軌傳來的輪軌力,作用在臺板伸出部分扣壓鋼軌的部位。初步取為與扣件扣壓力相等的壓力10 kN。

取兩種工況對護軌墊板進行強度和疲勞分析,荷載工況如表1所示。

表1 荷載工況

2.3 計算模型及參數

整鑄墊板結構復雜,無法用平面單元來模擬其受力和變形,計算時用三維實體單元來模擬。ANSYS單元庫中的solid95單元為20節點的三維實體單元,該單元是具有中間節點的高次單元,能對復雜結構的受力行為進行良好的模擬。分析時,根據整鑄墊板的實際尺寸在ANSYS軟件的前處理器中建立實體模型(圖4),并用solid95單元對實體模型進行離散,得到分析整鑄墊板強度所需的有限元模型(圖5)。

圖4 護軌墊板實體模型

圖5 護軌墊板有限元模型

整鑄墊板下支承著彈性橡膠墊層,分析中若采用直接約束鍛造墊板底面,則人為阻礙了墊板變形的泊松效應,使其脫離實際情況。故分析中采用ANSYS單元庫中14號彈簧單元combin14來模擬橡膠墊板對整鑄墊板的彈性支承。

3 護軌墊板應力分析

根據上述荷載工況對護軌墊板模型加載,利用ANSYS進行計算。計算結果分析如下。

3.1 工況一

其中護軌墊板整體等效應力如圖6所示,橫向位移與豎向位移如圖7、圖8所示。

圖6 墊板等效應力圖(單位：MPa)

圖7 墊板橫向位移圖(單位：mm)

圖8 墊板豎向位移圖(單位：mm)

由圖6～圖8可看出：在70 kN橫向力和125 kN垂向力作用下,墊板最大等效應力為340.31 MPa(應力集中處),小于材料的容許抗拉強度,出現在立墻承受鋼軌橫向水平作用力處,而在立墻與臺板連接處,即護軌墊板的高應力區集中在立墻與臺板相連處周圍,該區域最大等效應力為306.58 MPa。在扣件壓力及扣件螺栓上拔力作用下,鐵座與墊板相連接處最大等效應力為255.97 MPa,小于材料的容許抗拉強度。墊板大部分區域的應力在70 MPa以下。立墻側面受集中荷載處周圍應力約在200 MPa以下,在圖中立墻側面頂部應力計算存在應力集中,局部應力很大,但仍在應力極限范圍以內。墊板橫向位移最大值為0.365 mm,出現在立墻的頂部中間(即承受水平橫向荷載處),并且從頂部向下向兩側逐漸減小,到臺板上已基本為0。墊板的最大垂向位移0.066 mm,出現在與走行軌接觸面的中心。

3.2 工況二

其中護軌墊板整體等效應力如圖9所示,橫向位移與豎向位移如圖10、圖11所示。

圖9 墊板等效應力圖(單位：MPa)

圖10 墊板橫向位移圖(單位：mm)

圖11 墊板豎向位移圖(單位：mm)

由圖9～圖11可看出：在50 kN橫向力和70 kN垂向力作用下,墊板最大等效應力為243.01 MPa(應力集中處),小于材料的容許抗拉強度,出現在立墻承受鋼軌橫向水平作用力處,而在臺板與墊板連接處,即護軌墊板的高應力區集中在臺板與墊板相連處周圍,該區域最大等效應力為231.10 MPa。在這里出現與工況一相異的情況,但可以看出,在立墻與臺板相連接處,同樣存在222.20 MPa的高應力,并且與臺板與墊板連接處的應力相差不多,所以,此種情況仍在理論高應力受力區范圍之內。在扣件壓力及扣件螺栓上拔力作用下,鐵座與墊板相連接處最大等效應力為239.44 MPa,小于材料的容許抗拉強度。墊板大部分區域的應力在70 MPa以下。立墻側面受集中荷載處周圍應力約在200 MPa以下,在圖中立墻側面頂部應力計算存在應力集中,局部應力很大,但仍在應力極限范圍以內。墊板橫向位移最大值為0.268 mm,出現在立墻的頂部中間(即承受水平橫向荷載處),并且從頂部向下向兩側逐漸減小,到臺板上已基本為0。墊板的最大垂向位移0.048 mm,出現在與走行軌接觸面的中心。

表2所示為兩種工況下的計算結果。經分析,墊板大部分區域應力都在70 MPa以下,部分易出現應力集中的區域應力也都在200 MPa以下,低于QT400-15的屈服極限應力,高應力區域出現在立墻承受橫向水平力和立墻與臺板連接處,最大應力接近QT400-15的極限抗拉強度,但仍未超過,且留有一定余量。立墻最大橫向位移為0.365 mm。表明該護軌墊板強度能夠滿足使用要求。

表2 兩種工況下的計算結果

4 護軌墊板疲勞強度分析

強度、穩定和抗疲勞是結構設計的3個主要方面,墊板的疲勞強度是衡量墊板耐久性的重要指標。作用在墊板上的廣義的疲勞荷載包括荷載作用在結構上產生的應力歷程、應力幅與應力循環次數。狹義的疲勞荷載主要是指列車作用在墊板上的輪載,以及鋼軌的橫向荷載,除此之外還包括扣壓力、上拔力,螺栓預壓力[2]。

利用ANSYS軟件進行疲勞檢算,主要是通過在結構可能產生疲勞破壞的位置(通常是應力最大點)定義事件和荷載,輸入材料的S-N曲線和Sm-T曲線,指定循環次數,最后得出允許的疲勞循環次數和疲勞使用系數。QT400-15的S-N曲線如圖12所示。

圖12 QT400-15 S-N曲線

墊板的疲勞強度分析結果見表3,可看出護軌墊板能夠滿足疲勞強度要求。

表3 護軌墊板疲勞強度

5 結論

(1)根據計算結果可以看出,護軌墊板受到比較大的橫向力作用時,在立墻承受橫向水平作用力處,會出現一處高應力集中點,此點主要是鋼軌與護軌立墻接觸點處,在長期橫向力沖擊荷載下容易產生磨損,因此需對此處進行局部加強。

(2)由于結構尺寸的突變,在臺板與立墻相交區域有較大的拉應力,此處容易出現應力集中,并且長期處于基本軌動力沖擊作用,是整個護軌墊板的薄弱環節,比較容易破壞,有必要對該部分進行加強。

(3)墊板容許的疲勞使用系數小于1,應力循環次數超過300萬次,能夠滿足疲勞強度要求。

(4)墊板下橡膠墊板的剛度對護軌墊板應力和豎向位移以及立墻上部的橫向位移影響較大,相同受力情況下,較大的剛度有利于減小應力和位移。

(5)此新型整鑄護軌墊板相對于目前舊式的整鑄護軌墊板和焊接墊板而言,無論在應力集中處受力情況還是橫豎位移方面都有所降低,對列車提高過岔速度起到了至關重要的作用,對高速鐵路發展而言具有良好的推進功能。

[1] 郭建平.護軌墊板的強度分析檢算及結構優化[J].鐵道標準設計,1999(8、9):1-2.

[2] 李糧余,黃立紅,熊 維.高速道岔護軌墊板設計研究[J].四川建筑,2008,28(2):1-2.

[3] 王 平,劉學毅.無縫道岔受力與變形的影響因素分析[J].中國鐵道科學,2003(2).

[4] 趙國堂.高速鐵路無砟軌道結構[M].北京：中國鐵道出版社,2006：80-85.

[5] 王 平,劉學毅著.無縫道岔計算理論與設計方法[M].成都：西南交通大學出版社，2007：125-130.

[6] 西南交通大學.橋上無縫道岔模型試驗研究報告[R].成都：西南交通大學，2010.