一款新型非对称轨道减振扣件的设计

2012-01-17李金卫黄友剑

城市轨道交通研究 2012年10期

李金卫黄友剑

（中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，高级工程师）

轨道扣件是用来固定钢轨的联接件，并通过锚固螺栓将钢轨牢固地锁定在道床上的正确位置。由于列车运行时轮轨冲击振动较大，因此在轨道扣件上设计有弹性垫板和扣压弹簧，为轨道提供必要的缓冲［1－2］。随着城市轨道交通的发展，出于减振降噪要求的需要，不同类型的减振型扣件相继产生。

众所周知，要达到减振降噪的目的，就必须降低轨道垂向支撑刚度，提供足够的缓冲，减小轮轨冲击的作用力。但是，当轨道的垂向支撑刚度降低后，轨道的垂向位移加大，从而使得轨道的横向稳定性变差，影响轨道安全。这是一对矛盾：既要降低轨道垂向支撑刚度，又必须保证钢轨横向稳定。

1 现有减振扣件的基本概况

普通扣件的轨下支撑刚度较大，一般在70kN／mm左右，因而其垂向位移较小，横向稳定性较好。而减振型扣件的垂向刚度一般在25kN／mm以下。图1所示的轨道减振器扣件，采用了完全对称的设计结构，其垂向刚度为12kN／mm。当钢轨在垂向40kN、横向20kN的力作用下，轨道的垂向位移达3.3mm，横向位移达3.8mm。

图1 对称性减振器扣件

图2 所示的先锋扣件，为提高轨道的横向稳定性采取了支撑轨头的方式，其垂向钢度为7kN／mm。当钢轨在垂向40kN、横向20kN的力作用下，轨道的垂向位移达到5.7mm，横向位移只有1mm。

2 理论分析及设想

列车运行时，轨道在承受垂向载荷的同时也承受着从钢轨内侧向外作用的横向载荷，特别是在小半径弯道，其横向作用力更大。因此，为保持钢轨的横向稳定和轨距，必须在扣件的设计上采取能克服横向力的特殊结构。

图2 先锋扣件

轨道减振扣件在垂向力P和横向力f的作用下，其轨头横向位移来自两个方面，一是钢轨与承轨板整体横向水平位移，二是以钢轨外侧的承轨板为支点的扭转产生的偏转位移，这两个位移之和构成轨距扩张。为此，在设计上对减振扣件的钢轨内、外侧结构采取不对称的结构设计（见图3）。这种设计能使钢轨外侧有效限制承轨板水平位移及偏转，并可达到轨道横向稳定性的目标。

图3 非对称减振扣件

3 结构设计

基本设计参数：车辆轴重160kN，车速80km／h，钢轨为60kg／m轨，轨距1 435mm，轨枕间距625mm，轨底坡1∶40，弹条为Ⅲ型弹条，扣件节点刚度为9～12kN／mm。按图4所示的受力分布进行垂向受力计算，P＝160kN／2×40%＝32kN。横向力f按25kN计算。

图4 钢轨支撑节点受力分布图

扣件采用外型为蛋形、弹性材料为剪切型的基本结构。整体由承轨板、橡胶圈和底座三部分组成。其结构如图5所示。钢轨外侧的底座高度设为70mm，剪切型橡胶形面倾角设为75℃，钢轨内侧的底座高度设为55mm，剪切型橡胶形面倾角设为70℃。

图5 非对称设计轨道减振扣件

4 计算机有限元分析计算

4.1 模型及计算参数

由于非对称轨道减震扣件的结构特征和垂、横向加载特性都具有对称特性，因此，模拟非对称轨道减震扣件的垂向和横向特性可以使用对称模型进行。网格划分软件采用HYPERMESH，网格布局及网格划分以适应大变形为考量；分析拟采用非线性的ABAQUS软件，其中橡胶部位采用CAX4H单元，铁件部位采用CAX4R单元。其有限元模型及加载工况如图6所示。

图6 轨道减震器对称模型

橡胶材料在拉伸、压缩或剪切载荷的作用下所形成的载荷位移曲线，是其弹性、粘性，以及应变速率和Mullins效应共同作用的结果。在加载速率低于10mm／min，重复测试多次后形成的载荷位移特性曲线可以视为完全弹性的刚度曲线［3－4］，由于这种弹性在橡胶被扯断前一直保留，因此描述这一特性的本构模型称为超弹模型。在计算非对称轨道减震扣件的静态特性时，通常铁件部分选择线弹性模型，橡胶部分选择超弹本构模型进行模拟，在本分析中，非对称轨道减震扣件的橡胶材料参数使用一阶多项式进行拟合，其中参数0.42MPa、0.12MPa用来描述材料的弹性变形行为；而其体积压缩特性则是根据经验大致定义［5］。分析所使用的本构模型见表1。

表1 计算用本构模型

4.2 应变结果及刚度特性曲线

有限元分析预测结果见图7。载荷位移特性曲线如图8所示。由图7、图8可知，非对称结构轨道减震扣件在垂向承载工况作用下，橡胶材料的应变最大值为0.31%，且其垂向载荷位移特性曲线基本为线性，表明橡胶元件在承载过程中橡胶材料始终处于线性状态，而这非常有益于提高橡胶元件的疲劳寿命；非对称结构的轨道减震扣件在横向载荷作用下，其承载时橡胶材料的应变分布均匀，最大为0.51%，而且其横向载荷位移特性曲线也表现为线性。根据天然橡胶材料疲劳寿命的基础设计准则［4］评估，在此工况下，橡胶悬架的疲劳寿命可达到200万次的设计要求。因此，非对称特征的扣件结构能满足设计要求。