重載鐵路WJ-12型扣件TPEE墊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

蔡世生郄錄朝崔樹坤張歡李子睿劉炳彤賀志文

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京102206

隨著我國重載鐵路的高速發(fā)展，軸重大、運量大的貨運鐵路已成為鐵路貨運現(xiàn)代化的發(fā)展目標(biāo)，我國30 t軸重的重載鐵路目前已建成投入運營［1-3］。隨著軸重和運量不斷加大，如何提高重載鐵路軌道的服役性能和使用壽命以及減少使用過程中的維修量成了當(dāng)前重載鐵路的重大挑戰(zhàn)［4-5］。運量的增加、軸重的增大會造成軌道結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)承受更大的作用力，進(jìn)而會造成軌道部件的損壞及壽命降低。軌道結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)的性能良好及長壽命是重載鐵路長期安全運行的基礎(chǔ)，軌道結(jié)構(gòu)幾何狀態(tài)的維持主要依靠扣件系統(tǒng)，軌道結(jié)構(gòu)的彈性主要依靠彈性墊板［6］。在大軸重的反復(fù)荷載作用下，彈性墊板和軌枕易發(fā)生損壞。

針對重載鐵路部件傷損問題，文獻(xiàn)［7］建立彈性墊板與軌枕的動態(tài)磨損分析模型，對比分析不同外形、硬度及楊氏模量的彈性墊板與軌枕界面的磨損規(guī)律。文獻(xiàn)［8］通過室內(nèi)試驗，給出了扣件類型對軌枕壓力分布的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［9］從軌道系統(tǒng)靜態(tài)受力分析角度研究了40 t軸重作用下的軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)，給出了不同服役狀態(tài)下軌枕承軌槽處的靜態(tài)應(yīng)力規(guī)律。

WJ-12型扣件在中國第一條設(shè)計軸重30 t的重載線路瓦日鐵路上鋪設(shè)了40萬套，后續(xù)又在準(zhǔn)朔鐵路、張?zhí)畦F路、浩吉鐵路、衢寧鐵路等線路上大量鋪設(shè)。WJ-12型扣件由T形螺栓、平墊圈、螺母、彈條、軌距擋板、絕緣軌距塊、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板、預(yù)設(shè)調(diào)高墊板和預(yù)埋鐵座組成。鐵墊板下彈性墊板為扣件系統(tǒng)提供彈性，材料為熱塑性聚酯彈性體，稱TPEE墊板。

本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，對TPEE墊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，建立有限元模型，模擬計算結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計前后的彈性墊板靜剛度和受力狀態(tài)并進(jìn)行試驗驗證，為重載鐵路彈性墊板的應(yīng)用提供參考。

1 現(xiàn)場調(diào)研

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前WJ-12型扣件使用情況良好，能夠有效保持軌距，保證列車運行安全。但是，服役一定年限的TPEE墊板出現(xiàn)穿刺、磨損、掉塊等傷損現(xiàn)象，這種傷損使得TPEE墊板無法繼續(xù)起到提供軌道彈性、緩沖沖擊荷載、提供縱向阻力等作用，隨著使用年限增長可能會影響行車安全；當(dāng)TPEE墊板和混凝土軌枕直接接觸時（無調(diào)高狀態(tài)），混凝土軌枕承軌面出現(xiàn)較嚴(yán)重的磨損，暴露出了混凝土骨料，并有砂漿和細(xì)骨料剝離現(xiàn)象。傷損現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 TPEE墊板和混凝土軌枕傷損現(xiàn)場

根據(jù)Q/CR 479—2015《30 t軸重重載鐵路WJ-12型扣件》要求，彈性墊板的靜剛度為（50±10）kN/mm，動靜比不應(yīng)大于2.0；300萬疲勞試驗后，彈性墊板及組裝后的扣件靜剛度變化率均不大于20%。對現(xiàn)有WJ-12型扣件的TPEE墊板和組裝后的扣件做靜剛度試驗（表1），發(fā)現(xiàn)300萬疲勞試驗后TPEE墊板和扣件靜剛度變化率均大于20%。因此，有必要對TPEE墊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

表1 現(xiàn)有TPEE墊板及扣件疲勞前后靜剛度試驗結(jié)果

2 TPEE墊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

對TPEE墊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時遵循下列原則［10］：①保持TPEE墊板的面內(nèi)尺寸和厚度不變；②保持TPEE墊板靜剛度在（50±10）kN/mm，基本不變；③保持TPEE墊板的材料以及凸臺形狀不變；④降低TPEE墊板使用過程中的應(yīng)力及與軌枕耦合作用下的軌枕應(yīng)力。

對現(xiàn)有TPEE墊板［圖2（a）］進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)其凸臺元胞的面積較小，易造成單個元胞承受的應(yīng)力較大，引起凸臺發(fā)生較大變形，使得TPEE墊板發(fā)生損傷。遵循上述優(yōu)化設(shè)計原則，以應(yīng)力為設(shè)計目標(biāo)，凸臺面積和凸臺單胞數(shù)量為設(shè)計變量，TPEE墊板靜剛度為約束條件，進(jìn)行多輪迭代，優(yōu)化后的TPEE墊板結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。優(yōu)化后，TPEE墊板的厚度和面內(nèi)尺寸保持不變，單個凸臺的面積增大。

圖2 優(yōu)化前后TPEE墊板結(jié)構(gòu)

3 建立模型

參照WJ-12型扣件彈性墊板靜剛度試驗方法，采用有限元軟件建立TPEE墊板靜剛度計算模型。所有部件均采用實體單元模擬，真實反映其幾何特征和力學(xué)行為。將荷載分布板與TPEE墊板以及TPEE墊板與支撐鋼板界面設(shè)置為摩擦接觸，采用罰函數(shù)摩擦模擬其接觸關(guān)系，摩擦因數(shù)取0.3。

為了進(jìn)一步研究重載鐵路混凝土軌枕與扣件的相互作用關(guān)系，定量分析在較大垂向荷載作用下混凝土軌枕與TPEE墊板的受力變形特征，采用有限元軟件建立鋼軌-TPEE墊板-軌枕耦合模型。將鋼軌與TPEE墊板以及TPEE墊板與軌枕界面設(shè)置為摩擦接觸，采用罰函數(shù)摩擦模擬其接觸關(guān)系，摩擦因數(shù)取0.3。

有限元模型見圖3，部件材料及參數(shù)見表2。

圖3 有限元模型

表2 有限元模型部件材料及參數(shù)

4 優(yōu)化前后力學(xué)性能對比

4.1 數(shù)值計算結(jié)果及分析

根據(jù)有限元模型，對TPEE墊板靜剛度和TPEE墊板與軌枕耦合應(yīng)力進(jìn)行計算，對比結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計前后TPEE墊板的力學(xué)性能。

4.1.1 TPEE墊板靜剛度

在荷載分布板上施加0~100 kN荷載，并讀取不同荷載下荷載分布板的平均位移，得到荷載-位移曲線。優(yōu)化前后TPEE墊板的荷載-位移曲線見圖4。取20~90 kN的割線剛度為墊板靜剛度。計算可知，優(yōu)化前后TPEE墊板靜剛度分別為53.6、47.3 kN/mm，均滿足（50±10）kN/mm的要求。

圖4 優(yōu)化前后TPEE墊板的荷載-位移曲線

4.1.2 TPEE墊板與軌枕耦合應(yīng)力

Mises應(yīng)力代表第四強(qiáng)度準(zhǔn)則提出的等效應(yīng)力，是判斷能否發(fā)生強(qiáng)度破壞的重要依據(jù)。參照Q/CR 479—2015疲勞試驗加載方法，在鋼軌表面施加90 kN的垂向作用力，得到優(yōu)化前后TPEE墊板和軌枕的Mises應(yīng)力分布，見圖5、圖6。可知：優(yōu)化前，TPEE墊板應(yīng)力最大處位于凸臺的邊緣部位，軌枕表面的應(yīng)力分布與TPEE墊板的凸臺形狀基本吻合，說明凸臺的面積及形狀影響TPEE墊板和軌枕的受力狀態(tài)，優(yōu)化前的TPEE墊板凸臺形狀造成TPEE墊板和軌枕表面受力較為集中；優(yōu)化后，TPEE墊板和軌枕表面受力更為分散，更為合理。算得優(yōu)化前TPEE墊板和軌枕的最大應(yīng)力分別為284.90、33.62 MPa，優(yōu)化后分別為77.62、17.48 MPa，分別降低了72.8%和48.0%。可見，優(yōu)化后TPEE墊板與軌枕的相互作用更小。

圖5 優(yōu)化前TPEE墊板和軌枕Mises應(yīng)力分布

圖6 優(yōu)化后TPEE墊板和軌枕Mises應(yīng)力分布

4.2 室內(nèi)試驗

根據(jù)Q/CR 479—2015對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的TPEE墊板及扣件的靜剛度進(jìn)行測試。為了驗證優(yōu)化后TPEE墊板的適用性，分別對TPEE墊板和扣件進(jìn)行300萬次疲勞試驗后，再次進(jìn)行靜剛度試驗，計算疲勞前后的靜剛度變化率，并與優(yōu)化前進(jìn)行對比。疲勞試驗中，荷載參數(shù)為垂直力90 kN，橫向力47.7kN，其余參照TB/T 3396.4—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第4部分：組裝疲勞性能試驗》。經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后，各部件均未損壞。優(yōu)化前后TPEE墊板及扣件靜剛度試驗結(jié)果見表3。其中優(yōu)化前的數(shù)據(jù)取表1中4個測點的平均值。

由表3可知：①優(yōu)化前后TPEE墊板靜剛度分別為54.1、44.7 kN/mm，與數(shù)值計算結(jié)果的差值分別為0.92%和5.82%，均在6%以內(nèi)，驗證了有限元模型的合理性和計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。②優(yōu)化后，疲勞試驗后的TPEE墊板和扣件靜剛度變化率較小，均小于20%。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后TPEE墊板具有更優(yōu)異的性能，能有效地為軌道系統(tǒng)提供彈性，更長久地維持軌道狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）現(xiàn)有TPEE墊板易造成彈性墊板和軌枕表面發(fā)生損傷，影響軌道正常狀態(tài)；現(xiàn)有TPEE墊板300萬次組裝疲勞試驗后靜剛度和組裝靜剛度變化率超過20%，不能滿足設(shè)計要求。

2）通過增大單個凸臺的面積和減少凸臺數(shù)量，對TPEE墊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后TPEE墊板靜剛度滿足（50±10）kN/mm的設(shè)計要求，300萬次組裝疲勞試驗后靜剛度和扣件靜剛度變化率均小于20%。

3）鋼軌-TPEE墊板-軌枕耦合作用下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后TPEE墊板和軌枕的最大Mises應(yīng)力均小于現(xiàn)有TPEE墊板和軌枕的最大Mises應(yīng)力，分別降低了72.8%和48.0%，表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后的TPEE墊板具有更好的受力狀態(tài)。