段海濱,耿 浩,李成輝
(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)
再生塑性復(fù)合軌枕是由較為新型的軌枕材料制成的。在20世紀(jì)90年代美國鐵路軸重增加,木枕損壞加速,木枕防腐劑對于環(huán)境污染的加重等因素致使軌枕生產(chǎn)商尋求新的軌枕材料[1]。再生塑性復(fù)合軌枕應(yīng)是由廢舊塑料、廢輪胎、廢油漆以及其他工業(yè)廢渣等難以降解的高分子廢棄物為原料,輔以化學(xué)添加劑與其他填充物(如玻璃纖維絲等)經(jīng)擠壓而成的[2]。再生塑性復(fù)合軌枕與木枕和混凝土枕相比,其絕緣、減振性能好,安裝維護(hù)成本低,使用壽命長,綜合性價(jià)比高[3]。這種軌枕在我國應(yīng)用較少,只有在山西中南部路基段有過使用。中國公司對美國再生塑性復(fù)合軌枕知名生產(chǎn)商TieTek公司進(jìn)行了全資收購,這將推動(dòng)再生塑性復(fù)合軌枕在我國的使用。
扣件是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分,它的基本作用是將鋼軌固定在下部支承基礎(chǔ)上[4],一般對扣件要求有足夠的縱橫向阻力。它對防止鋼軌爬行和保證列車運(yùn)行的穩(wěn)定性有重要作用。由于在軌道系統(tǒng)中扣件的使用量很大,因此合理設(shè)置扣件參數(shù)有著重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義[5]。
由于再生塑性復(fù)合軌枕與木枕相似,因此可以使用木枕扣件系統(tǒng)。對于普通木枕扣件,是通過螺紋道釘與軌枕緊密結(jié)合在一起。因此扣件受到的縱橫向力通過螺紋道釘傳遞到軌枕上。因此扣件的抗拔力成為扣件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。邢書珍通過樣條函數(shù)理論和材料力學(xué)原理建立了鋼軌節(jié)點(diǎn)位移的非線性方程組,以此來通過靜力計(jì)算得到鋼軌扣件的上拔力[5]。邢俊等對基于III型彈條的新型地鐵扣件在受橫向荷載與豎向荷載時(shí)螺栓和螺栓套管的強(qiáng)度進(jìn)行了分析,并對螺栓尺寸進(jìn)行了優(yōu)化[6]。肖宏等對扣件的螺旋道釘建立了擴(kuò)展有限元模型,分析了螺旋道釘裂紋的發(fā)展過程,認(rèn)為道釘頭部和螺桿結(jié)合位置存在較大的幾何尺寸變化,存在應(yīng)力集中,容易萌生裂紋,并給出了相應(yīng)的建議[7]。唐小萍等研究了螺紋道釘因錨固劑結(jié)合力、螺紋道釘?shù)匿P蝕程度以及偏心度等3個(gè)因素對道釘抗拔力的影響,并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了3種因素對抗拔力影響的表達(dá)式[8]。
以上研究大多注重的是扣件螺紋道釘?shù)氖芰π阅埽珜τ谲壵碓谔峁┛拱瘟^程中的作用研究很少。原因可能是因?yàn)樵趯?shí)際使用過程中道釘容易破壞,另一方面道釘與軌枕并不直接結(jié)合而是通過錨固劑結(jié)合的,錨固劑結(jié)合力本身大小對螺紋道釘抗拔力有著非常重要的影響[9]。
國外在應(yīng)用的再生塑性復(fù)合軌枕扣件使用的道釘一般有鉤頭道釘和螺紋道釘。由于在國外再生塑性復(fù)合軌枕主要是木枕的替代品,用于重載和軌道交通上,因此使用的是木枕扣件。文獻(xiàn)[2]對兩種道釘?shù)目拱瘟M(jìn)行過比較,普通的鉤頭道釘抗拔力為15.6 kN,螺紋道釘為35.6 kN。文獻(xiàn)[10]對道釘?shù)氖┕すに?、加載速率以及溫度變化因素對高密度聚乙烯軌枕道釘作用的影響進(jìn)行了試驗(yàn)探究。
由于再生塑性復(fù)合軌枕主要成分是高分子材料,其性質(zhì)不明,在我國還沒有專門研發(fā)扣件系統(tǒng),因此有必要通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到軌枕材料性能,通過數(shù)值分析軟件分析研究扣件螺紋道釘?shù)目拱瘟皩壵淼挠绊?,為后續(xù)試驗(yàn)和螺紋道釘設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。
螺紋道釘是扣件的重要部件,它將扣件固定在基礎(chǔ)上,對其施加橫向約束,并防止扣件上拔,設(shè)計(jì)安全系數(shù)比其他部件要高,一般取8.0[11]。螺栓采用10.9級高強(qiáng)螺栓,材料為鋼制Q235,材料參數(shù)見表1,螺栓幾何尺寸按照木枕用螺紋道釘設(shè)置如圖1所示,為簡化模型,螺栓螺紋簡化為平行的環(huán)狀溝槽,這樣能夠考慮荷載傳遞和應(yīng)力集中,但忽略了螺紋的螺旋效應(yīng)[12]。螺栓參數(shù):內(nèi)徑16 mm,外徑24 mm,螺距12.5 mm,螺紋個(gè)數(shù)10個(gè)。
表1 螺栓道釘材料屬性
圖1 木枕使用扣件螺栓(單位:mm)
參照文獻(xiàn)[13]得到軌枕材料在單向拉伸時(shí)的工程應(yīng)力、應(yīng)變曲線。由于工程應(yīng)力、應(yīng)變假設(shè)試件拉伸過程中橫截面面積不變,長度變化按初始長度為標(biāo)準(zhǔn)。因此工程應(yīng)力、應(yīng)變依賴于初始幾何構(gòu)型,適用于小變形分析[14]。而本文研究軌枕產(chǎn)生塑性應(yīng)變時(shí)的狀態(tài),屬于大變形分析。因此材料屬性應(yīng)按照真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變定義。真實(shí)應(yīng)力為試件拉伸過程中荷載除以瞬時(shí)橫截面面積。真實(shí)應(yīng)變?yōu)樵嚰矔r(shí)標(biāo)定長度的變化速率[15]。假設(shè)試件體積不變時(shí),工程應(yīng)力、應(yīng)變和真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變換算關(guān)系如下式表示
σtrue=σeng(1+εeng)
εln=ln(1+εeng)
式中,σtrue為真實(shí)應(yīng)力;σeng為工程應(yīng)力;εln為真實(shí)應(yīng)變;εeng為工程應(yīng)變。
通過曲線擬合得到真實(shí)應(yīng)力曲線如圖2所示。假設(shè)應(yīng)變0.006為材料彈性與塑性的分界點(diǎn),當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.06時(shí)完全處于塑性狀態(tài)。材料參數(shù)見表2。
表2 軌枕材料屬性
圖2 軌枕軸向拉伸應(yīng)變-應(yīng)力曲線
利用有限元軟件ANSYS建立1/4螺紋道釘+軌枕模型。假設(shè)軌枕各向同性,材料屬性與加載速率無關(guān)。螺栓道釘與軌枕都采用實(shí)體單元模擬,幾何尺寸按照寬度114 mm、高度178 mm圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)得到。各材料屬性見表1、表2。假設(shè)螺栓與軌枕之間接觸良好沒有相對滑動(dòng),螺栓與軌枕底部接觸不約束。軌枕底部固定,軌枕與螺栓兩側(cè)施加對稱約束,荷載垂直施加在螺栓上。按照第四強(qiáng)度理論進(jìn)行分析。螺栓與軌枕有限元模型如圖3所示。
圖3 螺栓與軌枕有限元模型
引起扣件上拔力的原因有很多,有垂向荷載下鋼軌的反彎,鋼軌在橫向力作用下引起的轉(zhuǎn)動(dòng)等。本文主要研究在較大的抗拔力下軌枕破壞時(shí)的行為,發(fā)現(xiàn)軌枕的薄弱點(diǎn)并提出相應(yīng)的措施,因此荷載取較大值。根據(jù)文獻(xiàn)[11]扣件抗拔力與作用到扣件上的垂向力、橫向力、鋼軌斷面以及螺栓與軌底邊緣距離均有關(guān),假設(shè)鋼軌垂向力和橫向力相對軌底外側(cè)上拔產(chǎn)生的杠桿作用以計(jì)算上拔力。假設(shè)輪軌橫向力與垂向力之比取0.8,輪載P暫取115 kN,鋼軌支座剛度D取60 kN/mm,鋼軌按照CHN60軌計(jì)算,即EI=6.62×109kN·mm2,鋼軌高度Hr=176 mm,寬度ω=150 mm,扣件節(jié)點(diǎn)間距a取540 mm,則作用在扣件上的垂向力
扣件上作用的橫向力
FI=Fv×Q/p=35 kN
螺栓設(shè)計(jì)安全系數(shù)St要求取為8[11],螺栓距軌底邊緣距離db暫取75 mm,抗拔力計(jì)算示意見圖4。
圖4 抗拔力計(jì)算示意
則螺栓抗拔力Rp為
扣件一側(cè)由2個(gè)螺栓固定,每一個(gè)螺栓的抗拔力為76 kN。模型為1/4模型則施加荷載為19 kN向上的力。對于作用在扣件上的橫向力,一般由螺栓預(yù)緊力使扣件底部與軌枕產(chǎn)生足夠的摩擦力而抵消。因此本文中對螺栓不再施加橫向力。
上拔力下軌枕的豎向位移云圖如圖5所示;螺栓頂部一點(diǎn)的位移和上拔力加載的關(guān)系如圖6所示。
圖5 上拔力下軌枕的豎向位移
圖6 螺栓頂部位移與上拔力的關(guān)系
由圖5可知:軌枕位移自下而上變大,最大位移在最上部,值為0.813 mm;上拔力在整個(gè)軌枕寬度范圍內(nèi)都有影響。
由圖6可以看到螺栓抗拔力和螺栓位移基本呈線性關(guān)系,直線斜率為26 kN/mm。在直線后半段有變緩趨勢,說明軌枕內(nèi)部出現(xiàn)了塑性應(yīng)變。
軌枕Von Mises應(yīng)力如圖7所示,螺栓與軌枕接觸底部局部應(yīng)力狀態(tài)如圖8所示。
圖7 上拔力下軌枕的Von Mises應(yīng)力
由圖7可知:軌枕最大應(yīng)力為14.5 MPa,已完全達(dá)到軌枕材料塑性狀態(tài);應(yīng)力最大位置在螺栓與軌枕接觸的底部,沿螺栓長度向上逐漸減小。
圖8 軌枕與螺紋端部接觸部分應(yīng)力
由圖8可知:在螺紋端部與軌枕接觸的地方軌枕材料同樣達(dá)到了塑性狀態(tài),而螺紋中間凹槽部分軌枕應(yīng)力相對較小,仍處于彈性狀態(tài);同時(shí)軌枕沿螺紋端部接觸部分應(yīng)力較大,在螺紋端部有應(yīng)力集中;繼續(xù)施加荷載會在螺紋端部區(qū)域形成環(huán)形塑性區(qū),最終導(dǎo)致軌枕受剪破壞,與實(shí)際相符。
將彈性應(yīng)變以灰色顯示,用彩色顯示塑性應(yīng)變?nèi)鐖D9所示,軌枕塑性應(yīng)變正面如圖10所示。
圖9 軌枕上拔力下的塑性應(yīng)變
圖10 軌枕塑性應(yīng)變正面
從圖9、圖10可以看出:軌枕底部出現(xiàn)塑性狀態(tài)較早,范圍較大,越向上塑性區(qū)域越小,但同時(shí)與螺紋端部接觸的軌枕材料均呈現(xiàn)塑性狀態(tài),這是由于螺紋端部較為尖銳,應(yīng)力集中造成的,因此軌枕因螺栓抗拔出現(xiàn)破壞時(shí)從底部開始沿螺栓向上發(fā)展;當(dāng)?shù)撞砍霈F(xiàn)塑性狀態(tài)后會減小軌枕的握釘力,導(dǎo)致螺紋道釘抗拔力不足。
本文通過建立再生塑性復(fù)合軌枕與螺紋道釘模型,分析了在上拔力作用下軌枕的受力狀態(tài),得到主要結(jié)論如下。
(1)在上拔力作用下軌枕影響區(qū)域覆蓋整個(gè)軌枕寬度,軌枕位移自螺栓與軌枕底部接觸區(qū)域沿螺栓向上由大變小。
(2)在螺栓上拔過程中螺栓底部與軌枕接觸部分以及螺紋端部與軌枕接觸區(qū)域應(yīng)力較大,最先達(dá)到軌枕材料彈性限值。螺紋凹槽部分軌枕應(yīng)力較小,加大上拔力會使軌枕沿螺紋端部形成環(huán)形塑性區(qū)域最終導(dǎo)致破壞。
(3)螺栓底部與螺紋端部區(qū)域是軌枕容易產(chǎn)生塑性狀態(tài)的區(qū)域,應(yīng)將螺紋邊緣進(jìn)行磨圓處理以減小應(yīng)力集中。
[1] LAMPORG,NOSKERTJ,SULLIVANHW. Development, Testing and Applications of Recycled Plastic Composite Cross Ties[C]∥World Congress on Railway Research, 2003.
[2] NOSKERT, RENFREER,LYNCHJ,etal.A performance-based approach to the development of a recycled plastic/composite crosstie[C]∥Technical Papers of The Annual Technical Conference-Society of Plastics Engineers Incorporated, 1998:2912-2915.
[3] 郭曉亮.國內(nèi)外幾種軌枕的簡介[J].太原鐵道科技,2012(4):29-31.
[4] 楊秀仁.城市軌道交通軌道工程技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2016.
[5] 邢書珍.鋼軌扣件上撥力的靜力計(jì)[J].長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1992(3):46-56.
[6] 邢俊,蔡敦錦,田春香,等.基于Ⅲ型彈條的新型地鐵扣件設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑,2015(10):151-155.
[7] 肖宏,李啟航.地鐵扣件螺旋道釘斷裂過程分析及改進(jìn)措施[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016(6):892-898.
[8] 唐小萍,郭保生,劉慶潭.螺紋道釘錨固抗拔力的分析和研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2009,31(5):130-134.
[9] 盧振華.青藏高原軌排硫磺錨固質(zhì)量控制技術(shù)[J].西藏科技,2006(7):53-54.
[10] LOTFYI, FARHATM, ISSAMA. Effect of pre-drilling, loading rate and temperature variation on the behavior of railroad spikes used for high-density-polyethylene crossties[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2017, 231(1): 44-56.
[11] 趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國鐵道出版社,2006.
[12] JIANG Yangyao, ZHANG Ming, LEE CH. A study of early stage self-loosening of bolted joints[J]. Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Mechanical Design, 2003, 125(3): 518-526.
[13] LOTFY I, FARHAT M, ISSA M A, et al. Flexural behavior of high-density polyethylene railroad crossties[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2016, 230(3): 813-824.
[14] 王新敏. ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.
[15] Callister W D, Rethwisch D G. Materials science and engineering[M].John Wiley & Sons NY, 2011.