重载线路固定型合金钢组合辙叉受力研究

2013-09-05王树国

铁道建筑 2013年4期

关键词：心轨辙叉合金钢

葛晶，王树国，王猛

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

重载线路固定型合金钢组合辙叉受力研究

葛晶，王树国，王猛

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

固定型合金钢组合辙叉维修工作量少，造价低，易安装，在我国重载线路上大量使用，但使用中出现了辙叉翼轨和心轨件伤损严重的现象，直接影响了辙叉的使用寿命。目前固定型辙叉的通用设计方法是在心轨薄弱断面让翼轨和心轨共同承受垂向荷载，保护心轨的薄弱断面，为验证翼轨和心轨承受垂向荷载的适合比例，本文依据目前中国轮对尺寸和固定型辙叉主要尺寸计算轮轨垂直力在辙叉上的过渡区间，并利用ProE、HyperMesh、Ansys Workbench等有限元软件，单独分析了车轮与心轨、车轮与翼轨在不同垂向荷载下的接触应力。分析结果表明目前设计的轮轨垂直力过渡值对于合金钢材质的心轨较合理，但翼轨受力不合理，对结构优化提出了建议。

辙叉受力有限元仿真心轨加宽

辙叉是车轮由一股钢轨转移到另一股钢轨的轨道结构，主要有可动心轨辙叉和固定型辙叉，各有优缺点。对我国在用的辙叉进行调研后发现虽然相比于可动心轨辙叉，固定型辙叉存在轨距线不连续、易产生轨道不平顺等缺点，但凭借维修工作量少，造价低，易安装等优点在我国时速低于160 km/h的既有线路和重载线路上得到了大量应用［1-2］。目前，线路上使用的固定型辙叉主要有钢轨拼装、锰钢整铸、合金钢组合和合金钢拼装式结构，固定型合金钢组合辙叉因加工简单、成本低廉和寿命长等优点，被广泛采用。

1 合金钢组合辙叉现场应用状况

我国的固定型合金钢组合辙叉自1997年研制并上道试验，至今有十余年运营经验。通过总重达到约2亿t，其优越性能受到广大用户的欢迎。目前我国重载线路的最大轴重为25 t，辙叉主要伤损类型为翼轨、心轨的垂向磨耗及剥离掉块，部分辙叉翼轨在对应于心轨尖端到心轨50 mm宽断面区间内磨出一个三角坑，造成磨耗超限而下道，直接影响辙叉寿命。

2 固定型合金钢组合辙叉设计

2.1 合金钢组装辙叉设计思想

合金钢组装辙叉主要由翼轨、心轨、叉跟轨、护轨、螺纹联结件和扣件系统组成，其中翼轨和心轨是辙叉的关键部件，其结构特点和使用寿命直接影响了辙叉的使用效果和质量，因此在设计辙叉时应重点考虑。

1)磨耗车轮为锥形踏面，列车逆向进岔时，车轮由翼轨滚向心轨时，车轮与翼轨接触点逐渐远离转向架中心，滚动半径逐渐变小，引起的后果是车轮逐渐下降，同时转向架中心向着车轮滚动半径减小的一侧转动。为了保持车轮中心在一个水平面上运动，翼轨需要设置抬高。

2)对于心轨轨头宽20～50 mm的薄弱断面，翼轨需要和心轨共同承担机车车辆过岔时的轮轨力，心轨需要设置轨顶纵坡，保护薄弱断面，承受的垂向荷载应在合理范围内。

3)设置护轨，保护心轨薄弱断面不受横向力水平冲击。

通过设置翼轨抬高值和心轨轨顶纵坡，使翼轨与心轨按照一定的百分比承受车轮垂向荷载。辙叉应用现状显示，心轨和翼轨的垂直磨耗一般同时出现在辙叉垂直力过渡区间，对辙叉过渡区间垂直力进行计算，分析合金钢组合辙叉在该区间内翼轨和心轨的受力。

2.2 辙叉上轮轨垂直力过渡区计算

列车过岔时的车轮碾压面如图1所示。列车的车轮轮辋宽度，轮缘槽宽度和车轮与钢轨间的游隙影响翼轨的承压面。由图1可以看出，逆向过岔时车轮逐渐脱离翼轨，翼轨承压面逐渐减小直至为0，形成三角区。此三角区内翼轨承受过多荷载时，极易出现剥离掉块，顶面压溃，形成三角坑。

列车过岔时，车轮存在两个极限位置，分别为工况1和工况2。

图1 车轮碾压面

1)工况1。车轮轮背紧贴护轨运行，即图2所示A点接触位置，此时翼轨承压宽度最大，为翼轨承载最有利位置。

2)工况2。车轮轮缘沿翼轨运行，即图2所示C点接触位置，此时翼轨承压宽度最小，为翼轨承载最不利位置。

图2 轮轨位置尺寸

目前中国轮对尺寸和固定辙叉主要尺寸及其养护维修公差管理值有关参数［3-6］参见表1。

表1 新标准中规定的轮对尺寸及轨道资料 mm

根据表1中车辆和轨道的尺寸，计算列车位于工况1和工况2时翼轨和心轨的受力区间(假定车轮完全脱离翼轨，护轨轮缘槽th仍处于平直段，忽略车轮和钢轨尺寸测量基准不统一引起的误差)。

1)工况1的翼轨承压宽度b2=H－b1－t2－(S－T－th)，当b2=0时，翼轨不再承受垂向荷载，对应的心轨宽度最大值b1max=62 mm;对应的心轨宽度最小值b1min=34 mm。

2)工况2的翼轨承压宽度 b2=H－t2－b1－t2，当b2=0时，翼轨不再承受垂向荷载，对应的心轨宽度b1max=50 mm;对应的心轨宽度b1min=32 mm。

根据以上的计算可知，翼轨在心轨宽度32～62 mm区间范围内停止承受荷载。

3 合金钢组合辙叉应力分析

本节采用三维弹性接触有限元法分别对车轮与翼轨的接触应力和车轮与心轨的接触应力进行仿真计算，为心轨和翼轨受力的合理分配提供指导。

3.1 仿真模型建立

采用ProE进行三维图形绘制，HyperMesh划分有限元网格和Ansys Workbench仿真计算。

3.1.1 计算模型概况

翼轨采用长度为600 mm的标准75 kg/m轨;心轨模型是截取一段长度600 mm的12号合金钢组合辙叉用心轨;为了减少单元数量，在不影响分析的情况下，截取1/6车轮进行分析，车轮踏面采用LMA磨耗型踏面［7］，如图 3 所示。

图3 轮轨接触实体模型

3.1.2 计算参数的选取

有限元参数设置如下:钢轨弹性模量 E=2.1×1011，泊松比 μ=0.3;轮轨间摩擦系数 f=0.2，单元类型为Solid45，如图4所示。

图4 网格划分示例

3.1.3 仿真分析计算工况

约束条件为两端约束(轮载作用于跨中)，垂向力作用于车轮轴槽内，限制车轮沿轨道纵向和横向的位移，仅产生垂向位移。依据垂向力的大小设计不同的工况。

1)翼轨工况。翼轨仅承受来自车轮的垂向荷载。当车轮的垂向荷载全部作用于翼轨时，动荷载系数取2.0，单股钢轨受力250 kN;设计工况时，将荷载大小与翼轨承压面的宽度对应，具体工况如表2所示。

2)心轨工况。由于有护轨的保护，心轨薄弱断面处不会承受来自车轮的横向荷载;设置工况时，将荷载大小与心轨轨头宽度对应，具体工况如表3所示。

表2 翼轨不同工况下的最大等效应力

表3 心轨不同工况下的最大等效应力

3.2 仿真计算结果

车轮与钢轨破坏为塑性屈服，符合经典材料力学理论的第四强度理论，与有限元结果中的等效应力相当。在表2、表3中给出了不同工况下的最大等效应力值。计算所得轮轨接触应力图如图5所示。

图5 仿真结果

3.3 结果分析

1)心轨接触应力分析。辙叉设计时，一般定义心轨顶宽50 mm处开始单独承受垂向荷载，具体垂向荷载过渡比例如表4所示。垂向荷载对应的心轨最大等效应力值相差不大，说明心轨的设计荷载合理。心轨在宽度32～62 mm区间范围内可能单独承受垂向荷载，同时心轨在顶宽30 mm断面单独承受荷载，其等效应力值为4 025 MPa，远超心轨顶宽50 mm处单独承受垂向力时的最大等效应力值，因此应适当增加心轨在顶宽30 mm断面的强度。

表4 心轨垂向力过渡比例及对应的最大等效应力

2)翼轨接触应力分析。假设车轮轮背紧贴护轨运行，按照各参数名义尺寸，由图3可计算出心轨顶宽与翼轨承压面宽度和最大等效应力的对应关系，如表5所示。一般设计时，心轨顶宽20 mm处开始承受垂向荷载，其值很小，此处认为力值近似等于0。翼轨的最大等效应力值可能＞9 263.0 MPa，是线路正常状态下的18.6倍，因此翼轨三角区尖端压溃现象严重，应当改进翼轨受力状态。本节对车轮与心轨、翼轨的仿真计算忽略了一些参数变化带来的影响，如摩擦系数、轨道刚度、心轨轮廓等，因此仿真结果会略有局限性。

表5 与心轨承载对应的翼轨等效应力值

4 结构设计优化建议

1)减少辙叉轮缘槽，加宽心轨轨头宽度，增加心轨承载能力。我国铁路道岔固定辙叉及护轨各部间隔尺寸(查照间隔、护背距离、护轨平直段轮缘槽、辙叉轮缘槽、辙叉咽喉轮缘槽)是依据中国机车及车辆轮对尺寸和容差确定的。轮对参数相关标准在20世纪80年代和21世纪初更新过2次，对应的辙叉轮缘槽尺寸也应当作出相应的调整［8］。具体方法是将心轨单边加宽5 mm后，辙叉轮缘槽尺寸由46 mm减小至41 mm;调整心轨降低值和翼轨升高值，使受力比例更合理;调整后翼轨最大等效应力值如表6所示。翼轨的最大等效应力值约为2 492.4 MPa，是线路正常状态下的2.6倍，若翼轨采用合金钢钢轨则可实现同心轨等强度。