鄒小魁,沈艷杰

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司,河北秦皇島 066205)

1 概述

復(fù)合定位套是在以圖號GLC命名的“工聯(lián)岔”道岔設(shè)計時研發(fā)出來的新產(chǎn)品,最初設(shè)計的復(fù)合定位套采用將鋼套管與橡膠套管通過硫化工藝粘結(jié)在一起的基本結(jié)構(gòu),其斷面形式見圖1；一般情況下鐵墊板與螺栓間設(shè)置復(fù)合定位套,工作狀態(tài)如圖2所示。復(fù)合定位套在列車橫向力作用下用以緩沖鐵墊板對螺栓的橫向沖擊,起到緩沖、定位的雙重作用；同時使螺栓緊固時對鐵墊板不產(chǎn)生較大的垂向壓力,有利于充分發(fā)揮鐵墊板下彈性墊層的彈性。但受歷史條件技術(shù)發(fā)展局限性的影響,當(dāng)時理論分析手段和試驗條件還不夠完善,因此復(fù)合定位套的設(shè)計受到了一定的制約。通過近幾年的運營實踐,特別是貨運方面提出了250 kN軸重貨物列車,時速120 km的要求后,復(fù)合定位套外層橡膠套管在列車橫向力的作用下易發(fā)生疲勞破損；同時由于橡膠體積不可壓縮,加上復(fù)合定位套高度設(shè)計的不合理性,兩方面的因素使得復(fù)合定位套在沒有受到岔枕螺栓扭矩作用時,其下端與岔枕頂面已經(jīng)相接觸,導(dǎo)致鐵墊板下彈性墊層的彈性沒有真正發(fā)揮出來。

針對以上復(fù)合定位套出現(xiàn)的不足之處,優(yōu)化原有復(fù)合定位套的結(jié)構(gòu),將復(fù)合定位套外層橡膠套管材料更換為尼龍66；同時增加橡膠墊圈,橡膠墊圈下端為圓形結(jié)構(gòu),以提供復(fù)合定位套在垂向力作用下,橡膠變形所需要的壓縮空間；最后將原有復(fù)合定位套高度尺寸減小1 mm,以避免復(fù)合定位套在沒有受到任何岔枕螺栓扭矩時而與岔枕頂面相接觸,以利于充分發(fā)揮鐵墊板下彈性墊層的彈性。優(yōu)化后復(fù)合定位套斷面形式見圖3。

圖1 未優(yōu)化復(fù)合定位套(單位：mm)

圖2 復(fù)合定位套工作狀態(tài)

圖3 優(yōu)化后復(fù)合定位套(單位：mm)

本文采用有限元法計算優(yōu)化前后復(fù)合定位套橡膠套管和尼龍66套管的等效應(yīng)力,橡膠套管和橡膠墊圈的最大垂向位移,以驗證優(yōu)化后復(fù)合定位套的合理性。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

在有限元分析中,常用Mooney材料來模擬橡膠的行為,Mooney形式對于天然橡膠和硫化橡膠,在相當(dāng)大的范圍內(nèi)都給出了良好的近似。本文采用兩參數(shù)(C01、C10)Mooney-Rivilin超彈材料本構(gòu)模型及八節(jié)點六面體超彈單元hyper58模擬橡膠[1-3]。

鋼套管、尼龍66套管采用線彈性材料本構(gòu)模型及八節(jié)點六面體單元solid45模擬[1]。

2.2 材料參數(shù)

橡膠材料：楊氏模量為8 MPa,泊松比為0.49,密度為1 600 kg/m3,參數(shù)C01為0.879 6 MPa,C10為0.044 MPa。

其他金屬材料：楊氏模量為2.1×105MPa,泊松比為0.3,密度為7 800 kg/m3。

尼龍66：楊氏模量為9 GPa,泊松比為0.35,密度為1 140 kg/m3。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 優(yōu)化前后復(fù)合定位套強(qiáng)度比較分析

復(fù)合定位套主要應(yīng)用于200 km/h客貨混用線路,分析計算時取最不利狀態(tài),貨車250 kN軸重,考慮速度效應(yīng)及偏載效應(yīng)[4],取軸重2倍的靜輪載作為豎向力；橫向力取豎向力0.25倍[5]。根據(jù)道岔鋪設(shè)的要求,岔枕螺栓扭矩為300 N·m,由此計算可得岔枕螺栓的豎向力為50 kN,取鐵墊板與橡膠墊板摩擦系數(shù)為0.5,則可計算出鐵墊板與橡膠墊板之間的摩擦力為25 kN。通過計算分別可得優(yōu)化前后復(fù)合定位套非金屬件最大等效應(yīng)力值以及垂向位移值，見表1。

表1 復(fù)合定位套優(yōu)化前后非金屬件最大等效應(yīng)力及垂向位移

由表1可知,復(fù)合定位套在未優(yōu)化前,橡膠套管在岔枕螺栓豎向力及列車橫向力的雙重作用下,其最大等效應(yīng)力達(dá)到1.7 MPa,而其容許應(yīng)力一般取為3 MPa,在長期使用過程中的疲勞容許應(yīng)力為容許應(yīng)力的40%左右,即疲勞容許應(yīng)力為1.2 MPa。這樣,橡膠套管在長時間的豎向力及橫向力的作用下,將發(fā)生疲勞破損,這在工程應(yīng)用中是不允許的；復(fù)合定位套在未優(yōu)化之前,橡膠套管的垂向最大位移為1.3 mm,而最初設(shè)計時并沒有考慮橡膠套管的豎向壓縮,只是簡單的將橡膠套管與岔枕基面相接觸,這也影響了道岔扣件系統(tǒng)各方位彈性接觸的效果。而優(yōu)化后的復(fù)合定位套,通過計算可知,尼龍66套管的最大等效應(yīng)力為29.4 MPa,豎向最大位移為1.05 mm,尼龍66的屈服強(qiáng)度為118 MPa,疲勞強(qiáng)度為47.26 MPa。可以看出,優(yōu)化后的尼龍?zhí)坠芸梢詽M足復(fù)合定位套的設(shè)計與使用要求；考察優(yōu)化后復(fù)合定位套橡膠墊圈,其最大等效應(yīng)力為1.2 MPa,等于橡膠的疲勞容許應(yīng)力,滿足橡膠墊圈的設(shè)計要求,同時橡膠墊圈的最大垂向位移為1.05 mm,在復(fù)合定位套高度減小1 mm后,因其兩者數(shù)值幾乎完全相同,因此優(yōu)化后的復(fù)合定位套完全可以滿足自身向下移動的空間。

3.2 摩擦系數(shù)對優(yōu)化后復(fù)合定位套強(qiáng)度的影響

摩擦系數(shù)決定著列車通過墊板作用在復(fù)合定位套上的橫向力大小,保持荷載、軌道系統(tǒng)各參數(shù)不變,僅改變鐵墊板與橡膠墊板摩擦系數(shù),考察復(fù)合定位套中的尼龍?zhí)坠芘c橡膠墊圈等效應(yīng)力的變化規(guī)律,通過計算可得尼龍?zhí)坠芤约跋鹉z墊圈等效應(yīng)力與摩擦系數(shù)關(guān)系如表2所示。

表2 摩擦系數(shù)與尼龍?zhí)坠芤约跋鹉z墊圈的等效應(yīng)力關(guān)系

由表2可知,對于優(yōu)化后的復(fù)合定位套,尼龍?zhí)坠芩艿降牡刃?yīng)力為29.4 MPa,滿足其疲勞強(qiáng)度指標(biāo),并且等效應(yīng)力不隨著摩擦系數(shù)的變化而變化；摩擦系數(shù)決定了列車通過鋼軌作用在復(fù)合定位套上的橫向力,隨著摩擦系數(shù)的增大,列車作用在復(fù)合定位套上的橫向力將減小,其應(yīng)力也將減小,而通過有限元計算尼龍?zhí)坠艿牡刃?yīng)力沒有發(fā)生變化,這說明橫向力增加對于尼龍?zhí)坠艿牡刃?yīng)力很小,可以忽略不計。橡膠墊圈的等效應(yīng)力為1.2 MPa,等于其疲勞強(qiáng)度應(yīng)力值,可滿足工程實際需求,而且摩擦系數(shù)對橡膠墊圈的等效應(yīng)力沒有任何影響,對于設(shè)計橡膠墊圈時,可不考慮列車橫向力的影響,僅考慮岔枕螺栓豎向力的影響因素。

3.3 岔枕螺栓扭矩對優(yōu)化后復(fù)合定位套強(qiáng)度的影響

岔枕螺栓的扭矩直接決定著螺栓施加給橡膠墊圈與尼龍?zhí)坠茇Q向力的大小,現(xiàn)保持其他軌道參數(shù)與列車荷載作用大小不變,只改變岔枕螺栓扭矩的大小,考察優(yōu)化后的復(fù)合定位套尼龍?zhí)坠艿刃?yīng)力、橡膠墊圈等效應(yīng)力與岔枕螺栓扭矩之間的變化規(guī)律。

由表3可知,優(yōu)化后的復(fù)合定位套,尼龍?zhí)坠艿牡刃?yīng)力與岔枕螺栓扭矩的關(guān)系不大,其等效應(yīng)力最大變化值為0.5 MPa,而岔枕螺栓的扭矩變化量卻很大；岔枕螺栓的扭矩對橡膠墊圈的等效應(yīng)力影響很小,橡膠墊圈的等效應(yīng)力變化值為0.05 MPa,因此可以忽略不計；尼龍?zhí)坠芎拖鹉z墊圈的等效應(yīng)力與岔枕螺栓的扭矩之間關(guān)系不大,主要是因為,復(fù)合定位套與岔枕面之間存在1 mm的空間,當(dāng)在岔枕螺栓扭矩作用下,首先是橡膠墊圈受到垂向力而變形,當(dāng)復(fù)合定位套向下垂直移動了1 mm后,此時,尼龍?zhí)坠芘c橡膠墊圈一起承受岔枕螺栓的垂向力,由于尼龍?zhí)坠艿膹椥暂^小,而不易變形。

表3 岔枕螺栓扭矩與尼龍?zhí)坠芤约跋鹉z墊圈的等效應(yīng)力關(guān)系

因此,無論是尼龍?zhí)坠苓€是橡膠墊圈,此時的變形量基本保持不變,因而引起尼龍?zhí)坠芘c橡膠墊圈的等效應(yīng)力基本不變。

4 運營實踐

優(yōu)化后的復(fù)合定位套已經(jīng)成功應(yīng)用于泰國道岔的設(shè)計項目,根據(jù)現(xiàn)場試鋪以及使用的實際情況來看,采用以上所述優(yōu)化方案對復(fù)合定位套優(yōu)化后,一方面提高了復(fù)合定位套的使用壽命,保證了鐵墊板與岔枕之間的彈性接觸,另一方面,減小了道岔的養(yǎng)護(hù)維修工作。對此,泰方專家給予較高的評價。

5 結(jié)論

運用有限元法,比較了優(yōu)化前后復(fù)合定位套的強(qiáng)度,分析了優(yōu)化后復(fù)合定位套的等效應(yīng)力隨摩擦系數(shù)、岔枕螺栓扭矩的變化規(guī)律,結(jié)果表明：

(1)優(yōu)化前復(fù)合定位套中的橡膠墊圈強(qiáng)度儲備不足,在疲勞荷載的作用下,橡膠墊圈將會發(fā)生疲勞破損；而優(yōu)化后的復(fù)合定位套,橡膠墊圈與尼龍?zhí)坠艿膹?qiáng)度均滿足列車的運行需求；通過給復(fù)合定位套留有壓縮空間,實現(xiàn)了對墊板的豎向彈性緊固。

(2)摩擦系數(shù)對于優(yōu)化后復(fù)合定位套的等效應(yīng)力無影響,因此,在設(shè)計橡膠墊圈時,只需要考慮岔枕螺栓扭矩的需求。

(3)岔枕螺栓扭矩對優(yōu)化后復(fù)合定位套的影響很小,可以忽略不計。

道岔已向著重載化、高速化的方向發(fā)展,復(fù)合定位套作為扣件系統(tǒng)中的一個重要零部件,起著至關(guān)重要的作用；而整個扣件系統(tǒng)包含有岔枕螺栓、軌距塊、軌下膠墊、彈條等等,設(shè)計整個扣件系統(tǒng),則要全面考慮盡可能多的影響因素。目前,復(fù)合定位套已大量應(yīng)用于高速與重載道岔的研發(fā)生產(chǎn)當(dāng)中,通過這幾年來的實踐運行,證明研發(fā)復(fù)合定位套是非常有意義的。因此,進(jìn)一步優(yōu)化研究復(fù)合定位套的結(jié)構(gòu)和材質(zhì),對進(jìn)一步提高扣件的使用性能將是十分有益的。

[1] 博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社,2004．

[2] 周長峰.橡膠緩沖器有限元分析[J].工藝裝備，2004，14(1)：39-42.

[3] 鄭明軍.壓縮狀態(tài)下橡膠件大變形有限元分析[J].北方交通大學(xué)學(xué)報,2001(1).

[4] 陳小平.高速道岔軌道剛度理論及應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué),2008．

[5] 全順喜,王 平,張海洋.曲線上鋼軌橫向位移影響因素分析[J].鐵道建筑,2010(2).