一種高速道岔用應急加固裝置的有限元分析

李　楠　張東風

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055 )

The Finite Element Analysis of an Emergency Reinforcement Device for High-Speed Turnouts

NAN Li　ZHANG Dongfeng

一種高速道岔用應急加固裝置的有限元分析

李楠張東風

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京100055 )

The Finite Element Analysis of an Emergency Reinforcement Device for High-Speed Turnouts

NAN LiZHANG Dongfeng

摘要針對高速道岔基本軌、尖軌、心軌等不同位置發生折斷的情況，“內撐外鎖”是一種最典型的加固方式，適用性很廣。“內撐外鎖”這一典型加固裝置由多個部件組成，其整體受力較為復雜。采用solidworks三維造型建模，對“內撐外鎖”結構進行有限元分析，分析表明“內撐外鎖”加固裝置的各部件受力狀態均滿足材料強度要求，加固后斷口處最大縱、橫向位移分別為0.185 mm和0.14 mm，“內撐外鎖”加固裝置起到了對斷口的固定作用，滿足道岔應急加固裝置的設計要求。

關鍵詞道岔，加固裝置，內撐外鎖，急救器，有限元分析

1概述

道岔是高速鐵路軌道的重要設備，在高速列車強大動力荷載作用下，鋼軌和道岔的沖擊應力會加大，形成應力集中，嚴重時產生折斷故障，影響行車安全。對于鋼軌、道岔主要部件的折斷傷損，《鐵路工務安全規則》規定，無論是道岔還是鋼軌一旦發生折斷，要在規定時間內進行快速加固，加固后必須保證道岔直向運行安全，最大程度地減少其對鐵路運輸的影響[1]。目前急救裝置主要是針對正線鋼軌設計的，若用于道岔和伸縮器的鋼軌時，會出現安裝困難，加固不牢，甚至不能使用的情況，當列車通過斷口時，斷口會迅速惡化，產生極大安全隱患[2-3]。在道岔應急加固方面，為保證行車安全，也開發了鉤鎖器、釘閉器等。針對道岔基本軌、尖軌、心軌等不同位置發生折斷的情況，“內撐外鎖”是一種最典型的加固方式，適用性很廣[4]。“內撐外鎖”這一典型加固裝置由多個部件組成，其整體受力較為復雜，本文采用三維造型建模，對“內撐外鎖”這一結構進行有限元分析，確保受力、結構和位移等各方面滿足材料強度及斷軌后列車通過道岔的安全要求。

2鋼軌折斷后的受力分析

以60AT2鋼軌制作尖軌為例[5，6]，發生折斷后受力可簡化為一個簡支梁模型。如圖1所示，鋼軌折斷后，斷軌處鋼軌受力可簡化為懸臂梁模型，極端情況下其鋼軌折彎處受力情況如圖2所示。

圖1　AT軌折斷處受力情況

圖2　尖軌折斷處簡支梁受力模型

Pd為列車豎向設計載荷，Pj為靜輪載；Pd=α·Pj

其中：靜輪載取17 t；300 km/h以上線路動載系數α取3.0[7]。

則：Pd=255 kN；

以U71MnG材質為例，無縫線路設計規范中屈服強度σs僅為457 MPa[8]，通過計算可知，軌枕間距通常為600～650 mm，承軌臺頂面寬度通常為220～250 mm，極端情況下，折斷位置距離軌枕邊緣最遠時為440 mm。如圖3所示，尖軌軌折斷后，在軌枕邊緣處，尖軌斷口處承受的最大應力σAT-max≈533.6 MPa，已經超過材料屈服強度；尖軌折斷后，鋼軌最大應力σAT-max≥σs，斷口鋼軌發生塑性變形，折斷處的最大變形量為2.42 mm，如圖4所示。在車輪的不斷沖擊下，斷口會迅速增大并惡化，對安全影響很大。若折斷發生在尖軌、心軌等截面更小位置時，則應力更大，易引發二次折斷或其他病害。

因此，道岔部件發生折斷傷損后必須立即加固處理，“內撐外鎖”加固裝置是快速解決這一問題有效途徑。

圖3　尖軌折斷最大應力

圖4　端部最大位移

3“內撐外鎖”加固裝置受力與結構分析

3.1　結構與原理

“內撐外鎖”結構的典型特征是內部頂撐，外部拉鎖。與傳統鉤鎖器不同，“內撐外鎖”結構通過2根螺旋連桿將前、后頂板連接，根據基本軌與尖軌距離的不同，調節內撐裝置的長度與角度，通過“內撐外鎖”的加固形式對鋼軌的分離部位進行加固，可保證斷縫與基本軌形成一個整體框架，保證其剛度和穩定性，典型結構如圖5所示。

圖5　“內撐外鎖”結構示意

3.2　“內撐外鎖”典型加固裝置的有限元分析

(1)三維造型

使用Solidworks造型軟件，對典型的“內撐外鎖”應急加固裝置進行三維造型，如圖6所示，加固裝置由鐵靴、內頂套、異型螺栓，螺母幾部分構成，加固裝置的頂部和底部構造特征如圖7所示。

圖6　三維造型圖

圖7　頂部與底部特征

(2)邊界條件及網格化

鋼軌為60 kg/m的U71MnG，彈性模量2.1E11Pa，泊松比為0.3；鋼軌套靴ZG310-570材料的許用應力為310 MPa，異型連接螺栓和螺母為45#合金鋼，屈服不低于355 MPa。為方便計算，對模型邊界條件適當優化，固定端約束鋼軌兩側端頭，鐵靴的螺栓進行固定約束，鋼軌套靴內側與鋼軌外側邊緣完全貼合，內頂套與鋼軌軌腰貼合，通過螺栓螺母結構鎖閉，螺母鎖定扭矩按照150 Nm，單根鋼軌上的垂向作用力按255 kN，橫向力按垂向力的80%計算[4]，約束如圖8所示，網格劃分如圖9所示。

圖8　“內撐外鎖”加固裝置整體約束

圖9　網格劃分

(3)靜力學分析

強度分析：

整個加固裝置最大應力出現在內頂套接近斷口處的螺栓結構邊緣，這是由于此處鋼軌折斷，缺乏鋼軌本身產生的約束，因此輪子的作用力施加到了內頂套頂板上，符合其本身的受力狀態，而整個內頂套的應力基本在100～300 MPa之間，內頂套頂板的受力約為120 MPa，遠小于其材料屈服強度，強度符合設計要求。需要指出的是，內頂套螺栓與頂板是焊接為一體的，此處應力易產生集中，焊接質量需有保障。鋼軌套靴螺孔處和加強筋處的最大應力均為100 MPa左右，滿足強度要求。

位移分析：

最不利條件下，輪子作用于斷口鋼軌一側，增加“內撐外鎖”的應急加固裝置后，其最大綜合位移發生在斷口處，最大縱向位移僅為0.185 mm，最大橫向位移為0.14 mm，位移量從斷口向兩側遞減，符合受力狀態和物理規律，“內撐外鎖”加固裝置起到了對斷口的加固作用，符合設計要求。

4現場模擬安裝

小批量試制了“內撐外鎖”應急加固裝置，在線路上進行模擬安裝和試用。將夾板貼在基本軌的內側腰部，將單頂套固定在斷口位置，鎖緊頂套螺母，視部位安裝高強外鎖夾具將尖軌與基本軌鎖緊，完成對斷口的應急加固。

5結論

(1)通過對典型的“內撐外鎖”應急加固裝置的受力分析可知，其設計強度可滿足對道岔軌件的加固需求，材料選擇合適，結構較為合理。

(2)“內撐外鎖”應急加固裝置的最大應力集中在斷口附近的內頂套上，應力水平普遍在100~300 MPa之間，內頂套螺栓與頂板的焊接質量需要保證；鋼軌套靴的螺栓孔附近和肋板加強筋上的應力約為100 MPa，遠低于材料屈服強度，均滿足設計要求。

(3)“內撐外鎖”應急加固裝置的整體鎖閉性能較好，加固裝置安裝后，斷口處的垂、橫向位移很小，分別為0.185 mm和0.14 mm，幾乎可以忽略不計，滿足高速道岔應急加固的要求。

參考文獻

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵路線路修理規則[S].北京：中國鐵道出版社，2010

[2]王國祥，高俊，等.高速鐵路軌道幾何狀態控制指標及檢測技術探討[J].鐵道勘察，2012(1)

[3]武孟嘗.高速鐵路軌道精調作業技術[J].鐵道勘察，2012(4)

[4]牟運生，張卓欣，等.提速道岔尖軌折斷受力分析及其應急處理[J].鐵道技術監督，2010，39(4)

[5]《常用道岔主要參數手冊》編寫組.常用道岔主要參數手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2007

[6]TB/T 3109—2013鐵路道岔用非對稱斷面鋼軌[S]

[7]TB/T 10621—2009高速鐵路設計規范[S]

[8]TB10015—2012鐵路無縫線路設計規范[S]

中圖分類號：U213.6+3

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0108-03

作者簡介：第一李楠(1983—)，男，2013年畢業于北京交通大學車輛工程專業，工學博士，工程師，E-nanlichina@163.com。

收稿日期：2015-01-23