李培剛，王 平，劉學(xué)毅

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031)

我國開始發(fā)展重載鐵路已有近20年的歷史［1]，固定型轍叉以其造價低、易更換、維修工作量小等優(yōu)點，受到現(xiàn)場的好評，比較適應(yīng)重載鐵路養(yǎng)護維修的現(xiàn)狀。對既有固定型錳鋼轍叉的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工工藝進行優(yōu)化，延長其使用壽命是重載道岔發(fā)展的方向。拼裝式合金鋼固定型轍叉在既有線使用良好，使用壽命高于固定型錳鋼轍叉，可以考慮在重載線路小范圍內(nèi)試用［2]。

為解決轍叉使用壽命問題，某重載鐵路擬在一些地段采用組合式固定型轍叉結(jié)構(gòu)，這樣可根據(jù)各部位的不同要求選擇合適的材料和優(yōu)化制造工藝。為提高心軌和翼軌的耐磨性，心軌和翼軌選用韌性高、耐磨性好的高錳鋼或合金鋼。翼軌與岔趾、心軌與岔尾采用75 kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌拼接，從而可實現(xiàn)焊接或栓接連接的要求。匹配優(yōu)化理論尖端到心軌寬60 mm斷面轍叉墊層的剛度，降低車輪對該處的沖擊應(yīng)力。根據(jù)車輪踏面形狀，優(yōu)化輪軌關(guān)系，適當(dāng)提高翼軌的高度，減少新車輪對心軌的沖擊。

本文擬采用有限元分析方法，對某重載線路擬采用的75 kg/m鋼軌12號嵌入式組合高錳鋼轍叉進行受力分析，以確定其強度是否滿足使用要求。

1 嵌入式組合高錳鋼轍叉

圖1(a)是為某重載鐵路設(shè)計的75 kg/m鋼軌12號嵌入式組合高錳鋼轍叉三維效果圖。心軌和翼軌為高錳鋼整體鑄造結(jié)構(gòu)，采用公司成熟的爆炸預(yù)硬化技術(shù)實施硬化，預(yù)硬化硬度不低于390HB，二者通過間隔鐵和連接螺栓等拼裝成嵌入式組合轍叉，嵌入式轍叉叉心三維效果圖如圖1(b)所示，組裝后典型的橫截面如圖1所示。心軌頂面寬度0～60 mm斷面和理論尖端前100 mm到心軌頂面寬度60 mm斷面處的翼軌軌頂質(zhì)量為1級，其余軌頂為2級，軌墻和軌底為3級。翼軌與叉趾、心軌與叉尾采用牌號為PG4、軌頂表面硬度不小于390HB的75 kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌拼接，使得心軌、翼軌、叉趾、叉跟軌頂硬度保持一致。

圖1 嵌入式組合高錳鋼轍叉示意

2 計算模型

嵌入式組合轍叉部件多，且形狀不規(guī)則，為了能準(zhǔn)確對其進行強度分析，根據(jù)有限元方法和變形協(xié)調(diào)原則，鋼軌件(翼軌和心軌)、間隔鐵和螺栓考慮為一個整體結(jié)構(gòu)，建立了如圖2所示的三維實體有限元計算模型。為簡化模型節(jié)約計算資源，將實際軌道結(jié)構(gòu)中通過扣件系統(tǒng)支撐在岔枕上的轍叉簡化為支撐在彈性塊上，并使彈性塊的支撐剛度等效為岔枕的支撐剛度。模型中所有單元均采用10節(jié)點實體單元，該單元具有中間節(jié)點，能較好地適應(yīng)比較復(fù)雜的模型并取得比較理想的計算結(jié)果。

圖2 三維實體有限元計算模型

轍叉在趾端與導(dǎo)曲線鋼軌聯(lián)結(jié)，在跟端與基本軌聯(lián)結(jié)，因此轍叉趾、跟端在空間位移均受到相鄰鋼軌的約束。因此，模型中將轍叉前后2個端面位移全部約束。同時，將支撐轍叉的彈性塊底部的位移全部約束。圖3為模型所施加的邊界條件局部放大圖。

圖3 計算模型邊界條件

3 計算工況及參數(shù)

本文以某線路運行的軸重250 kN貨物列車為例獲取計算荷載。列車運行過程中動輪載為靜輪載的2～3倍，最不利情況下甚至可達(dá)4倍以上［3]。分析時考慮輪載的動力作用效應(yīng)，分別計算以下3種工況條件下轍叉的受力狀況。

(1)工況1:咽喉處翼軌同時受250 kN豎向力和100 kN橫向力作用。

(2)工況2:叉心頂寬20 mm處同時受500 kN豎向力和100 kN橫向力作用。

(3)工況3:靠翼軌端部的叉心同時受250 kN豎向力和100 kN橫向力作用。

工況荷載作用位置示意如圖4所示。

圖4 荷載工況加載位置示意

計算中，鋼軌件、間隔鐵和螺栓的彈性模量均采用206 GPa，泊松比取0.3。叉心采用高錳鋼，經(jīng)水韌處理后高錳鋼的屈服強度為440 MPa，伸長率不小于35%。翼軌采用牌號為PG4的75 kg/m標(biāo)準(zhǔn)軌，其屈服強度熱軋鋼軌為510 MPa，熱處理鋼軌為810 MPa。螺栓采用方頭螺栓，其材料的屈服強度為700 MPa。間隔鐵外形尺寸采用與標(biāo)準(zhǔn)75 kg/m軌匹配的型號，其材料的屈服強度為 550 MPa［4，5]。

圖5 工況1荷載作用下鋼軌件位移分布云圖(單位:mm)

4 計算結(jié)果分析

圖5為工況1荷載作用下鋼軌件垂、橫向位移分布云圖，圖6為工況2荷載作用下鋼軌件等效應(yīng)力分布云圖，圖7、圖8分別為工況1作用下間隔鐵螺栓等效應(yīng)力和間隔鐵等效應(yīng)力分布云圖。

由圖5可以看出，當(dāng)荷載作用在咽喉處翼軌上時，鋼軌件的最大豎向位移為1.479 mm，位于荷載作用位置，最大豎向位移均分布范圍較廣，約為2跨軌枕間距。最大橫向位移為1.29 mm，位于荷載作用位置。鋼軌件的橫向位移比豎向位移小，主要是由于作用的橫向荷載(100 kN)小于作用的豎向荷載(250 kN)。

圖6 工況2荷載作用下鋼軌件等效應(yīng)力分布云圖(單位:MPa)

由圖6(a)可以看出，在工況2荷載作用下，應(yīng)力分布約占4跨軌枕間距，鋼軌件的最大等效應(yīng)力為349.702 MPa，小于高錳鋼的屈服應(yīng)力440 MPa，表明在該處具有較大的強度儲備。從圖6(b)可以看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在荷載作用處截面的上邊緣，心軌尖端上部分布范圍內(nèi)大部分地方的應(yīng)力水平都在200 MPa左右。

由圖7(a)可以看出，在工況1荷載作用下，咽喉區(qū)左端間隔鐵螺栓最大等效應(yīng)力為488.253 MPa，小于其屈服強度700 MPa。從圖7(b)可以看出，最大等效應(yīng)力發(fā)生在與翼軌接觸的部位，下部應(yīng)力大于上部應(yīng)力，外部應(yīng)力大于內(nèi)部應(yīng)力，這主要是因為在荷載作用下螺栓本身要彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力和因與翼軌接觸增大了接觸部位應(yīng)力集中而造成的。

圖7 工況1荷載作用下咽喉區(qū)左側(cè)間隔鐵螺栓等效應(yīng)力分布(單位:MPa)

由圖8可以看出，工況1荷載作用下，咽喉區(qū)左端間隔鐵最大等效應(yīng)力為245.581 MPa，小于其屈服強度550 MPa。由圖8(b)可以看出，較大的等效應(yīng)力主要發(fā)生在間隔鐵兩側(cè)與螺栓接觸的部位。

圖8 工況1荷載作用下間隔鐵截面等效應(yīng)力分布(單位:MPa)

工況1、工況3鋼軌件等效應(yīng)力分布規(guī)律和工況2類似，在荷載作用位置的上邊緣以及與螺栓接觸位置較大。工況2和工況3的垂橫向位移、螺栓和間隔鐵等效應(yīng)力的大小和分布規(guī)律也和工況1類似。限于篇幅原因本文不再一一列出其余工況的相關(guān)分析項目分布云圖，各種工況作用下鋼軌件的最大垂橫向位移以及鋼軌件、螺栓和間隔鐵的最大等效應(yīng)力列于表1所示。

表1 各種工況下轍叉各部件變形和受力最大值

從表1可以看出，鋼軌件豎向位移工況2最大，橫向位移工況1最大;鋼軌件等效應(yīng)力工況1小于翼軌的屈服強度510 MPa，工況2、工況3均小于高錳鋼的屈服強度440 MPa;螺栓等效應(yīng)力均小于其屈服強度700 MPa;間隔鐵等效應(yīng)力工況1、工況3均小于其屈服強度550 MPa，工況2中間隔鐵位置離荷載作用位置較遠(yuǎn)，其受力可忽略不計。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)有限元方法和位移協(xié)調(diào)原則，對重載鐵路75 kg/m鋼軌12號嵌入式組合高錳鋼轍叉的強度進行分析研究，得出了如下結(jié)論及建議。

(1)計算所選的3種工況荷載作用位置均為轍叉的薄弱環(huán)節(jié)，并且在計算中考慮了輪載的動力效應(yīng)。結(jié)果表明:在所選的3個位置轍叉的豎向位移均在2 mm以內(nèi)，橫向位移除荷載作用在咽喉處翼軌外均在1 mm以內(nèi);鋼軌件、螺栓、間隔鐵的等效應(yīng)力均小于對應(yīng)的屈服強度，滿足強度要求。

(2)螺栓與鋼軌件或間隔鐵之間有一定的應(yīng)力集中，建議在道岔的實際生產(chǎn)過程中采取一定的措施避免或減小應(yīng)力的集中，尤其是咽喉區(qū)附近。

(3)本文僅從靜力強度對轍叉受力進行了研究，今后還應(yīng)該對其進行動力分析和疲勞強度研究，為延長轍叉使用壽命提供理論指導(dǎo)。

［1]裴 穎，孫中正，陳彥芬.高速、重載鐵路的發(fā)展動態(tài)［J].鐵道建筑技術(shù)，1994(2):35-41.

［2]趙洪雁.大秦線重載鐵路道岔技術(shù)指標(biāo)探討［J].鐵道建筑，2010(4):89-91.

［3]陳小平，王 平.鐵路道岔合金鋼組合轍叉聯(lián)結(jié)螺栓強度分析［J].鐵道建筑，2010(3):89-92.

［4]張銀花，陳朝陽，周清躍.鋼軌屈服強度指標(biāo)取值研究［J].鐵道建筑，2006(3):92-94.

［5]鐵道部第三設(shè)計院.道岔設(shè)計手冊［M].北京:人民鐵道出版社，1975.