重載鐵路嵌入式組合高錳鋼轍叉強度分析研究

李培剛，王 平，劉學毅

(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)

我國開始發(fā)展重載鐵路已有近20年的歷史［1]，固定型轍叉以其造價低、易更換、維修工作量小等優(yōu)點，受到現(xiàn)場的好評，比較適應重載鐵路養(yǎng)護維修的現(xiàn)狀。對既有固定型錳鋼轍叉的結構、材質、加工工藝進行優(yōu)化，延長其使用壽命是重載道岔發(fā)展的方向。拼裝式合金鋼固定型轍叉在既有線使用良好，使用壽命高于固定型錳鋼轍叉，可以考慮在重載線路小范圍內試用［2]。

為解決轍叉使用壽命問題，某重載鐵路擬在一些地段采用組合式固定型轍叉結構，這樣可根據(jù)各部位的不同要求選擇合適的材料和優(yōu)化制造工藝。為提高心軌和翼軌的耐磨性，心軌和翼軌選用韌性高、耐磨性好的高錳鋼或合金鋼。翼軌與岔趾、心軌與岔尾采用75 kg/m標準軌拼接，從而可實現(xiàn)焊接或栓接連接的要求。匹配優(yōu)化理論尖端到心軌寬60 mm斷面轍叉墊層的剛度，降低車輪對該處的沖擊應力。根據(jù)車輪踏面形狀，優(yōu)化輪軌關系，適當提高翼軌的高度，減少新車輪對心軌的沖擊。

本文擬采用有限元分析方法，對某重載線路擬采用的75 kg/m鋼軌12號嵌入式組合高錳鋼轍叉進行受力分析，以確定其強度是否滿足使用要求。

1 嵌入式組合高錳鋼轍叉

圖1(a)是為某重載鐵路設計的75 kg/m鋼軌12號嵌入式組合高錳鋼轍叉三維效果圖。心軌和翼軌為高錳鋼整體鑄造結構，采用公司成熟的爆炸預硬化技術實施硬化，預硬化硬度不低于390HB，二者通過間隔鐵和連接螺栓等拼裝成嵌入式組合轍叉，嵌入式轍叉叉心三維效果圖如圖1(b)所示，組裝后典型的橫截面如圖1所示。心軌頂面寬度0～60 mm斷面和理論尖端前100 mm到心軌頂面寬度60 mm斷面處的翼軌軌頂質量為1級，其余軌頂為2級，軌墻和軌底為3級。翼軌與叉趾、心軌與叉尾采用牌號為PG4、軌頂表面硬度不小于390HB的75 kg/m標準軌拼接，使得心軌、翼軌、叉趾、叉跟軌頂硬度保持一致。

圖1 嵌入式組合高錳鋼轍叉示意

2 計算模型

嵌入式組合轍叉部件多，且形狀不規(guī)則，為了能準確對其進行強度分析，根據(jù)有限元方法和變形協(xié)調原則，鋼軌件(翼軌和心軌)、間隔鐵和螺栓考慮為一個整體結構，建立了如圖2所示的三維實體有限元計算模型。為簡化模型節(jié)約計算資源，將實際軌道結構中通過扣件系統(tǒng)支撐在岔枕上的轍叉簡化為支撐在彈性塊上，并使彈性塊的支撐剛度等效為岔枕的支撐剛度。模型中所有單元均采用10節(jié)點實體單元，該單元具有中間節(jié)點，能較好地適應比較復雜的模型并取得比較理想的計算結果。

圖2 三維實體有限元計算模型

轍叉在趾端與導曲線鋼軌聯(lián)結，在跟端與基本軌聯(lián)結，因此轍叉趾、跟端在空間位移均受到相鄰鋼軌的約束。因此，模型中將轍叉前后2個端面位移全部約束。同時，將支撐轍叉的彈性塊底部的位移全部約束。圖3為模型所施加的邊界條件局部放大圖。

圖3 計算模型邊界條件

3 計算工況及參數(shù)

本文以某線路運行的軸重250 kN貨物列車為例獲取計算荷載。列車運行過程中動輪載為靜輪載的2～3倍，最不利情況下甚至可達4倍以上［3]。分析時考慮輪載的動力作用效應，分別計算以下3種工況條件下轍叉的受力狀況。

(1)工況1:咽喉處翼軌同時受250 kN豎向力和100 kN橫向力作用。

(2)工況2:叉心頂寬20 mm處同時受500 kN豎向力和100 kN橫向力作用。

(3)工況3:靠翼軌端部的叉心同時受250 kN豎向力和100 kN橫向力作用。

工況荷載作用位置示意如圖4所示。

圖4 荷載工況加載位置示意

計算中，鋼軌件、間隔鐵和螺栓的彈性模量均采用206 GPa，泊松比取0.3。叉心采用高錳鋼，經(jīng)水韌處理后高錳鋼的屈服強度為440 MPa，伸長率不小于35%。翼軌采用牌號為PG4的75 kg/m標準軌，其屈服強度熱軋鋼軌為510 MPa，熱處理鋼軌為810 MPa。螺栓采用方頭螺栓，其材料的屈服強度為700 MPa。間隔鐵外形尺寸采用與標準75 kg/m軌匹配的型號，其材料的屈服強度為 550 MPa［4，5]。

圖5 工況1荷載作用下鋼軌件位移分布云圖(單位:mm)

4 計算結果分析

圖5為工況1荷載作用下鋼軌件垂、橫向位移分布云圖，圖6為工況2荷載作用下鋼軌件等效應力分布云圖，圖7、圖8分別為工況1作用下間隔鐵螺栓等效應力和間隔鐵等效應力分布云圖。

由圖5可以看出，當荷載作用在咽喉處翼軌上時，鋼軌件的最大豎向位移為1.479 mm，位于荷載作用位置，最大豎向位移均分布范圍較廣，約為2跨軌枕間距。最大橫向位移為1.29 mm，位于荷載作用位置。鋼軌件的橫向位移比豎向位移小，主要是由于作用的橫向荷載(100 kN)小于作用的豎向荷載(250 kN)。

圖6 工況2荷載作用下鋼軌件等效應力分布云圖(單位:MPa)

由圖6(a)可以看出，在工況2荷載作用下，應力分布約占4跨軌枕間距，鋼軌件的最大等效應力為349.702 MPa，小于高錳鋼的屈服應力440 MPa，表明在該處具有較大的強度儲備。從圖6(b)可以看出，最大等效應力出現(xiàn)在荷載作用處截面的上邊緣，心軌尖端上部分布范圍內大部分地方的應力水平都在200 MPa左右。

由圖7(a)可以看出，在工況1荷載作用下，咽喉區(qū)左端間隔鐵螺栓最大等效應力為488.253 MPa，小于其屈服強度700 MPa。從圖7(b)可以看出，最大等效應力發(fā)生在與翼軌接觸的部位，下部應力大于上部應力，外部應力大于內部應力，這主要是因為在荷載作用下螺栓本身要彎曲產生的應力和因與翼軌接觸增大了接觸部位應力集中而造成的。

圖7 工況1荷載作用下咽喉區(qū)左側間隔鐵螺栓等效應力分布(單位:MPa)

由圖8可以看出，工況1荷載作用下，咽喉區(qū)左端間隔鐵最大等效應力為245.581 MPa，小于其屈服強度550 MPa。由圖8(b)可以看出，較大的等效應力主要發(fā)生在間隔鐵兩側與螺栓接觸的部位。

圖8 工況1荷載作用下間隔鐵截面等效應力分布(單位:MPa)

工況1、工況3鋼軌件等效應力分布規(guī)律和工況2類似，在荷載作用位置的上邊緣以及與螺栓接觸位置較大。工況2和工況3的垂橫向位移、螺栓和間隔鐵等效應力的大小和分布規(guī)律也和工況1類似。限于篇幅原因本文不再一一列出其余工況的相關分析項目分布云圖，各種工況作用下鋼軌件的最大垂橫向位移以及鋼軌件、螺栓和間隔鐵的最大等效應力列于表1所示。

表1 各種工況下轍叉各部件變形和受力最大值

從表1可以看出，鋼軌件豎向位移工況2最大，橫向位移工況1最大;鋼軌件等效應力工況1小于翼軌的屈服強度510 MPa，工況2、工況3均小于高錳鋼的屈服強度440 MPa;螺栓等效應力均小于其屈服強度700 MPa;間隔鐵等效應力工況1、工況3均小于其屈服強度550 MPa，工況2中間隔鐵位置離荷載作用位置較遠，其受力可忽略不計。

5 結論及建議

根據(jù)有限元方法和位移協(xié)調原則，對重載鐵路75 kg/m鋼軌12號嵌入式組合高錳鋼轍叉的強度進行分析研究，得出了如下結論及建議。

(1)計算所選的3種工況荷載作用位置均為轍叉的薄弱環(huán)節(jié)，并且在計算中考慮了輪載的動力效應。結果表明:在所選的3個位置轍叉的豎向位移均在2 mm以內，橫向位移除荷載作用在咽喉處翼軌外均在1 mm以內;鋼軌件、螺栓、間隔鐵的等效應力均小于對應的屈服強度，滿足強度要求。

(2)螺栓與鋼軌件或間隔鐵之間有一定的應力集中，建議在道岔的實際生產過程中采取一定的措施避免或減小應力的集中，尤其是咽喉區(qū)附近。

(3)本文僅從靜力強度對轍叉受力進行了研究，今后還應該對其進行動力分析和疲勞強度研究，為延長轍叉使用壽命提供理論指導。

［1]裴 穎，孫中正，陳彥芬.高速、重載鐵路的發(fā)展動態(tài)［J].鐵道建筑技術，1994(2):35-41.

［2]趙洪雁.大秦線重載鐵路道岔技術指標探討［J].鐵道建筑，2010(4):89-91.

［3]陳小平，王 平.鐵路道岔合金鋼組合轍叉聯(lián)結螺栓強度分析［J].鐵道建筑，2010(3):89-92.

［4]張銀花，陳朝陽，周清躍.鋼軌屈服強度指標取值研究［J].鐵道建筑，2006(3):92-94.

［5]鐵道部第三設計院.道岔設計手冊［M].北京:人民鐵道出版社，1975.