高速道岔尖軌矯直參數研究

周 文

(中鐵軌道系統集團有限公司，長沙 410100)

高速道岔作為高速鐵路軌道的組成部分，需要很高的平順性，以滿足列車高速、平穩、安全運行［1］。高速道岔的精度要求十分嚴格，直線尖軌工作邊及軌頂的直線度 ＜0.2 mm/m，全長直線度 ＜1.5 mm［2］。高速道岔尖軌經機加工、熱處理后會產生一定的變形，直尖軌須進行矯直，曲尖軌矯直后還須頂彎成設計的線型。

國內外對鋼軌矯直及尖軌矯直進行了一定的研究［3-4］，由于尖軌斷面非對稱，沿長度方向不斷變化，且矯直前原始變形不一致，因此確定矯直參數比較困難。尖軌矯直采用三點壓力矯直方法［5］，加載支距和加載量是尖軌矯直兩個關鍵參數。本文采用有限單元法，以客運專線18號道岔直線尖軌為例，研究確定尖軌不同部位的矯直參數，為高速道岔尖軌矯直提供理論指導。

1 客運專線18號道岔尖軌斷面特征

客運專線18號道岔平面線型采用R 1 100 m導曲線，全長69 m，尖軌采用60D40鋼軌加工制造，長度為21.45 m。直線尖軌的斷面設計如圖1所示，軌頭刨切段長度為10.962 m，軌底刨切段長度為11.792 m，軋制跟端長度為0.6 m。

圖1 客運專線18號道岔尖軌斷面刨切示意(單位:mm)

2 尖軌矯直支點壓點組合

2.1 尖軌矯前變形分類

AT軌軋制生產過程中軋機的壓下量不均、運輸過程中外力的碰撞、冷卻過程中溫降不均及AT軌自重的作用等都會造成AT尖軌加工前的初始變形，AT軌機加工、熱處理后也將發生一定的變形。尖軌軸線常見變形有單彎型、波浪型和空間曲線型，如圖2所示。

圖2 尖軌軸線常見變形

2.2 支點壓點確定

尖軌矯直壓點、支點組合與尖軌初始彎曲形態有關。對于圖2(a)所示單彎型，壓點應盡量選在初始彎曲變形最大點處，而支點則盡量對稱分布于壓點兩側，根據零件校直時的彎矩變化梯度和零件的初始彎曲變形梯度應盡可能一致的原則來調整加載支距［5］。尖軌前端矯直時加載支距要小，后端矯直時加載支距要大，但不能超過矯直機容許范圍。

尖軌矯直前彎曲形狀往往是復雜多變的，不是單一曲率彎曲，而是不同部分有不同的彎曲曲率，通常采用隔離法確定壓點、支點。根據對尖軌的檢測，將尖軌按曲率分成幾個單獨的單弧度初始彎曲單元，按以下兩種組合方法確定壓點、支點［6］:

1)逐一矯直法:根據零件彎曲情況和檢測要求，為每一矯直截面提供固定的校直壓點、支點組合。例如檢測到尖軌某一段有三段不同曲率的彎曲變形，如圖3所示。則尖軌的固定壓點、支點組合為:壓點1和支點1、支點2組合;壓點2和支點2、支點3組合;壓點3和支點3、支點4組合。

圖3 逐一矯直法壓點、支點組合

2)優先矯直法:先對最大初始彎曲所在的單個弧度進行矯直，然后經檢測，再次考察整個軸的彎曲情況，找到新的最大初始彎曲所在單個弧度進行校直，逐步使整個軸的直線度達到設計要求。

兩種方法各有優缺點，逐一矯直法簡單方便，但由于壓點、支點組合固定，不能有效排除校直點對相鄰校直點的影響，有可能在某點校直過程中，破壞己有校直結果，校直整體效果可能不好，造成多次反復校直，使生產效率降低。優先矯直法的特點在于從整體角度考察矯直過程，為在矯直計算中綜合考慮校直點對相鄰校直點的影響提供了實現的基礎。實踐中兩種方法交替使用，以達到最佳矯直效率。

3 加載量計算

加載量的確定與加載支距、尖軌的初始曲率及矯直部位有關，本文采用三維彈塑性有限單元方法計算加載量，計算給定加載支距、尖軌的初始曲率及矯直部位條件下的加載量。

3.1 高速道岔尖軌矯直計算模型

3.1.1 三維有限元模型

由于 AT尖軌斷面復雜、變化大，而且沒有對稱性，故建立實體模型較合適，實體模型能仿真尖軌斷面各點的力學性能。以客運專線18號道岔直線尖軌為例進行計算，取尖軌軌頂寬35 mm，斷面前后各0.75 m部分建模，選擇8節點實體單元建有限元計算模型，模型長度尺寸為1.5 m，在受力區進行網格加密處理，有限元計算模型如圖4所示。

圖4 尖軌矯直有限元計算模型

3.1.2 邊界條件

將加載頂頭與尖軌的作用簡化為面荷載，不考慮它們之間的接觸計算，在作用小面積內施加位移荷載，尖軌與支座接觸面施加位移約束。

3.1.3 計算參數

材料彈性模量為 E=206 GPa，泊松比 ν=0.3，屈服強度 σ0.2=510 MPa，抗拉強度 σb=1 180 MPa。考慮材料的彈塑性非線性，采用多線性等向強化Von Mises屈服準則，材料應力—應變曲線如圖5。加載方式如圖6所示，l為加載支距，d為加載量，F為加載力。

3.2 尖軌矯直有限元計算實例

假定尖軌初始曲率半徑R=250 m，取加載支距l=0.8 m、加載量 d=3.0 mm進行有限元仿真計算。尖軌矯直時線形變化如圖7所示，從圖中可以看出，尖軌在矯直荷載作用下產生反彎變形，卸載后回彈，并產生永久塑性變形。尖軌矯直后曲率減小，得到部分矯直。中間截面的軸向殘余應力分布如圖8所示，軌底為殘余拉應力，軌頭為殘余壓應力。

3.3 加載量計算

加載量的計算按以下步驟進行:①根據尖軌變形情況及尖軌幾何特性建立有限元分析計算模型，定義材料參數及邊界條件等。②輸入加載量，并求解。③結果后處理。提取節點位移，擬合尖軌殘余幾何線形，由幾何線形計算出尖軌殘余曲率，并與設定值進行對比。若尖軌殘余曲率絕對值小于設定值，則此加載量即為所求加載量;若尖軌殘余曲率絕對值大于設定值，當殘余曲率值為“－”時，表明尖軌矯直過量，則應減小加載量，當殘余曲率值為“+”時，表明尖軌矯直不足，則應增大加載量。加載量的增量按由大到小的原則確定，按新的加載量重新計算，直至尖軌殘余曲率絕對值小于設定值。

考慮尖軌初始曲率半徑及加載支距的影響，本文計算了九種工況，如表1所列，并編寫有限元計算程序進行計算。

圖5 尖軌材料應力—應變曲線

圖6 尖軌矯直加載方式

圖7 尖軌矯直線型變化

圖8 尖軌中間截面軸向殘余應力分布(單位:Pa)

表1 計算工況 m

表2 加載量、殘余曲率及軌底最大殘余拉應力

客運專線道岔線直線度要求為0.2 mm/m，換算為曲率為0.001 6，因此矯直后的殘余曲率應小于0.001 6。加載量計算結果如表2所列，從表1、表2可以得出，相同初始曲率半徑下，加載支距越大，所需加載量也越大。相同加載支距下，初始曲率半徑越大，所需加載量越小。尖軌初始曲率半徑越大，矯直后軌底殘余拉應力越小。

4 結論

1)尖軌矯直前初始變形分為單彎型、波浪型和空間曲線型三類;交替使用逐一矯直法和優先矯直法，可提高矯直效率。

2)加載量由尖軌初始變形及加載支距確定，相同初始變形下，加載支距越大，所需加載量也越大;相同加載支距下，初始變形越小，所需加載量越小。通過有限元計算可以得到不同條件下尖軌矯直所需加載量，精度為0.1 mm。

3)尖軌初始變形越大，矯直后軌底殘余拉應力越大，初始曲率為150 m尖軌矯后殘余應力最大為190.74 MPa。

［1］張梅，郭福安.鐵路客運專線相關技術研究［J］.中國鐵路，2007，46(12):7-12.

［2］何華武.時速250 km級18號道岔設計理論與試驗研究［J］.鐵道學報，2007，29(1):66-71.

［3］周文，劉學毅.高速道岔尖軌矯直的有限元分析［J］.西南交通大學學報，2008，43(1):82-85，95.

［4］王權，李春龍，付學義，等.鋼種、軌型及生產工藝對鋼軌矯后殘余應力的影響［J］.金屬熱處理，2002，27(9):35-37.

［5］崔甫.矯直原理與矯直機械［M］.北京:冶金工業出版社，2005:113-138.

［6］翟華.軸類零件矯直工藝機理研究［D］.合肥:合肥工業大學博士學位論文，2003.