何雪峰 許有全 高 亮 禹雷

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055; 2.北京交通大學(xué),北京 100044)

1 概述

護(hù)軌墊板是道岔的重要部件之一,其通過(guò)聯(lián)結(jié)零件把基本軌、護(hù)軌與岔枕緊固,如圖1所示。護(hù)軌墊板的作用:①通過(guò)基本軌與護(hù)軌形成的輪緣槽引導(dǎo)車輪通過(guò),避免另外一側(cè)車輪撞擊心軌尖端或駛?cè)肓硪还傻?②承受并傳遞動(dòng)輪載給岔枕[1]。護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)和受力較為復(fù)雜,應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性,以滿足車輛通過(guò)時(shí)的安全性和穩(wěn)定性要求。

護(hù)軌墊板傷損是道岔主要病害之一,既有護(hù)軌墊板上道使用后,在貨物列車作用下常出現(xiàn)墊板脫焊、撐板裂紋等傷損,致使護(hù)軌墊板失效,無(wú)法保證護(hù)軌輪緣槽尺寸,危及行車安全。

已有許多學(xué)者開展相關(guān)研究,高原以重載鐵路12號(hào)固定轍叉為研究對(duì)象,基于顯式積分算法,建立考慮材料彈塑性及輪軌真實(shí)幾何廓形的車輪-轍叉三維輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型,研究不同運(yùn)營(yíng)速度下車輪不同方向通過(guò)時(shí)車輪與固定轍叉動(dòng)態(tài)相互作用及輪軌接觸行為[2];高小平認(rèn)為,護(hù)軌調(diào)整片使用過(guò)多會(huì)導(dǎo)致護(hù)軌臺(tái)板壓舌長(zhǎng)度變短,從而影響到護(hù)軌及其基本軌的穩(wěn)定,并給出調(diào)整岔枕間距、采用特殊墊板等解決方案[3];楊忠吉分析護(hù)軌墊板脫焊與焊接質(zhì)量差、強(qiáng)度不足有關(guān)[4]。上述文獻(xiàn)均對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行了原因分析、給出了維修措施,但沒有從護(hù)軌墊板理論計(jì)算和結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面加以分析。

另外,郭建平對(duì)鑄造和焊接工藝護(hù)軌墊板方案進(jìn)行比選,確定鑄造護(hù)軌墊板方案并開展試鋪試驗(yàn)[5];劉新成等對(duì)客運(yùn)專線60kg/m鋼軌18號(hào)道岔護(hù)軌墊板進(jìn)行強(qiáng)度和位移分析,護(hù)軌墊板檢算滿足強(qiáng)度要求,但強(qiáng)度儲(chǔ)備不足,建議護(hù)軌墊板的材料采用球墨鑄鐵整體鑄造結(jié)構(gòu)以達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)和提高強(qiáng)度的目的[6];王章紅對(duì)60kg/m鋼軌18號(hào)可動(dòng)心軌轍叉護(hù)軌墊板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究,結(jié)果表明在25t軸重貨車運(yùn)行條件下,護(hù)軌墊板的強(qiáng)度在允許范圍內(nèi)[7];劉新成等還對(duì)客運(yùn)專線道岔護(hù)軌墊板尺寸偏差及強(qiáng)度進(jìn)行可靠性分析,結(jié)果表明在最大輪軌垂向力和螺栓預(yù)緊力作用下, 護(hù)軌墊板不發(fā)生屈服失效的可靠度R為0.999997051[8]。上述文獻(xiàn)對(duì)護(hù)軌墊板開展了理論分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作,但沒有考慮不同車輛軸重對(duì)護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)的影響。

重載鐵路運(yùn)輸因其運(yùn)能大、效率高、運(yùn)輸成本低而受到世界各國(guó)鐵路的廣泛重視,如美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)已大量開行重載列車,世界上重載列車牽引質(zhì)量可達(dá)99734t,車輛最大軸重37.5t[9]。國(guó)內(nèi)早期重載鐵路有大秦鐵路、朔黃鐵路等,列車牽引質(zhì)量可達(dá)20000t,最大軸重為25t[10]。為提高道岔護(hù)軌墊板強(qiáng)度和使用壽命,采用彈性力學(xué)有限元法[11],結(jié)合既有研究成果對(duì)30t軸重重載道岔護(hù)軌墊板進(jìn)行方案比選,并通過(guò)上道試驗(yàn)數(shù)據(jù)和觀測(cè)結(jié)果驗(yàn)證優(yōu)化護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)。

2 護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

(1) 滿足對(duì)30t軸重車輛承載能力、強(qiáng)度的使用要求,并留有一定的安全儲(chǔ)備系數(shù)。

(2) 具有足夠的抵抗輪軌橫向力、變形的能力。

(3) 使用壽命不低于整組道岔的壽命預(yù)期。

(4) 護(hù)軌基本軌內(nèi)側(cè)采用彈性扣壓結(jié)構(gòu)。

(5) 充分考慮現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題對(duì)護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)的影響,并加以改進(jìn)和優(yōu)化。

(6) 護(hù)軌及護(hù)軌墊板組裝和拆卸簡(jiǎn)單,方便更換和養(yǎng)護(hù)維修。

3 護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)方案比選

早期的護(hù)軌墊板采用H型護(hù)軌、臺(tái)板壓舌剛性扣壓基本軌、螺紋道釘聯(lián)結(jié)岔枕與護(hù)軌墊板的結(jié)構(gòu)[12],如圖2所示,車輛通過(guò)時(shí),在動(dòng)輪載的作用下剛性扣壓位置會(huì)產(chǎn)生很大沖擊力,這也是護(hù)軌臺(tái)板容易開焊的原因之一。

圖2 普速道岔護(hù)軌墊板組裝示意

提速道岔護(hù)軌墊板采用了H型護(hù)軌、彈片彈性扣壓基本軌、螺釘聯(lián)結(jié)岔枕與護(hù)軌墊板的結(jié)構(gòu),如圖3所示?；拒墐?nèi)側(cè)由剛性扣壓改為彈片彈性扣壓、采用螺釘代替螺旋道釘?shù)木o固方式,極大提高了基本軌的穩(wěn)定性和抗橫向力能力,但運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)個(gè)別臺(tái)板壓舌折斷、彈片竄動(dòng)及折斷現(xiàn)象,這些問(wèn)題與臺(tái)板壓舌強(qiáng)度低、組裝精度和運(yùn)營(yíng)維修狀態(tài)等有關(guān)。

圖3 提速道岔護(hù)軌墊板組裝示意

在考慮既有護(hù)軌墊板存在問(wèn)題、使用經(jīng)驗(yàn)、軸重影響因素的基礎(chǔ)上,依據(jù)護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則,提出了護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)方案。30t軸重重載道岔(以下簡(jiǎn)稱重載道岔)用護(hù)軌墊板采用槽型護(hù)軌、彈性?shī)A扣壓基本軌,利用岔枕上預(yù)埋鐵座并通過(guò)彈條、螺栓聯(lián)結(jié)岔枕與護(hù)軌墊板的方案[12],如圖4所示。槽型護(hù)軌具有質(zhì)量輕、加工量少的優(yōu)點(diǎn),材質(zhì)為合金鋼,在提高硬度的同時(shí),更方便制造、鋪設(shè)和養(yǎng)護(hù)維修;采用彈性?shī)A扣壓基本軌,扣壓力穩(wěn)定,方便現(xiàn)場(chǎng)拆卸,減少了彈片折斷等傷損問(wèn)題;采用預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng),提高了護(hù)軌墊板與岔枕聯(lián)結(jié)強(qiáng)度和抵抗橫向力能力,減少了螺釘折斷、塑料套管傷損等問(wèn)題。

圖4 重載道岔護(hù)軌墊板方案示意

為改善護(hù)軌墊板整體受力,在圖4基礎(chǔ)上,提出了2個(gè)重載道岔用護(hù)軌墊板方案:方案一為不設(shè)間隔鐵方案,即取消護(hù)軌墊板處的間隔鐵及其聯(lián)結(jié)零件,輪背橫向力由護(hù)軌直接傳遞給撐板,該方案與提速道岔護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)類似,撐板受力和變形較大;方案二為采用間隔鐵方案,在每塊護(hù)軌墊板處增設(shè)間隔鐵,由高強(qiáng)度螺栓將基本軌和撐板聯(lián)結(jié)為一體,這樣護(hù)軌傳遞的輪背橫向力由基本軌和撐板共同承擔(dān),可減少撐板變形。

護(hù)軌墊板采用最不利荷載工況:當(dāng)30t軸重貨車以80km/h速度側(cè)向過(guò)岔,貨車豎向動(dòng)力系數(shù)取為1.55,即單點(diǎn)豎向荷載232.5kN,作用在護(hù)軌的水平力為85kN,護(hù)軌墊板基本受力模型及整體受力模型如圖5、圖6所示[13]。

圖5 護(hù)軌墊板受力模型

圖6 護(hù)軌墊板方案整體受力模型

利用有限元軟件對(duì)2種工況的墊板模型加載計(jì)算,在豎向荷載作用下,底板產(chǎn)生向下?lián)锨冃?護(hù)軌墊板高應(yīng)力區(qū)域均出現(xiàn)在底板,底板上表面受壓、下表面受拉,其他部件呈現(xiàn)的應(yīng)力較小。撐板受到橫向力作用產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)傾斜變形,最大值出現(xiàn)在撐板最上方。兩種方案的應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 兩種方案墊板的應(yīng)力和位移

由表1可知:①經(jīng)過(guò)對(duì)兩種方案墊板強(qiáng)度和變形分析,方案一和方案二中護(hù)軌墊板最大豎向位移分別為1.609mm和1.561mm,撐板上部最大水平位移分別為0.916mm和0.762mm;②最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板處,方案一和方案二中護(hù)軌墊板拉、壓應(yīng)力分別為111.3MPa、99.9MPa和-153.9MPa、-166.3MPa,兩者相差不大,遠(yuǎn)小于墊板材料16Mn抗拉強(qiáng)度限值470～630MPa,方案二在豎向變形、水平變形和板底拉應(yīng)力方面均小于方案一。

綜上所述,通過(guò)對(duì)比兩種護(hù)軌墊板受力結(jié)果,方案二由間隔鐵把護(hù)軌和基本軌聯(lián)結(jié)為一整體,降低了撐板的變形和受力,其結(jié)構(gòu)要優(yōu)于方案一,故推薦方案二為最終設(shè)計(jì)方案。

4 護(hù)軌墊板上道試驗(yàn)

在既有線設(shè)置上道試驗(yàn)4組, 12號(hào)和18號(hào)道岔各2組,護(hù)軌墊板為間隔鐵式。

加載試驗(yàn)車加載的軸重分別為25t、27t、30t、31.5t。試驗(yàn)速度:通過(guò)18號(hào)道岔時(shí)為40km/h、50 km/h、60km/h,通過(guò)12號(hào)道岔時(shí)直向?yàn)?0km/h、50km/h、60km/h,側(cè)向?yàn)?0km/h。25t軸重貨物列車為過(guò)路車。其中加載試驗(yàn)車和25t貨車過(guò)岔時(shí),護(hù)軌橫向位移和應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分別見表2、表3[14]。

表2 加載試驗(yàn)車對(duì)護(hù)軌變形和受力作用結(jié)果

表3 25t貨車對(duì)護(hù)軌變形和受力作用結(jié)果

由表2、表3可知,加載試驗(yàn)車側(cè)向通過(guò)12號(hào)道岔時(shí),護(hù)軌橫向位移和應(yīng)力最大,分別為2.35mm和159.1MPa;25t貨車直向通過(guò)12號(hào)道岔時(shí),護(hù)軌橫向位移和應(yīng)力最大,分別為1.94mm和125.2MPa,護(hù)軌應(yīng)力遠(yuǎn)小于其合金鋼材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度限值1280MPa。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明,間隔鐵式護(hù)軌墊板方案能滿足重載道岔的使用要求。

5 護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為滿足重載道岔全壽命周期內(nèi)使用要求,對(duì)重載道岔狀態(tài)進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)。長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn)道岔護(hù)軌間隔鐵螺栓折斷現(xiàn)象,如圖7所示。

圖7 護(hù)軌間隔鐵螺栓折斷

由圖7可知,原方案采用間隔鐵式護(hù)軌結(jié)構(gòu)為基本軌與護(hù)軌用間隔鐵聯(lián)結(jié)成整體,以提高護(hù)軌抵抗輪軌橫向力的能力,減小護(hù)軌墊板受力。然而,間隔鐵螺栓緊固后,容易造成護(hù)軌基本軌外側(cè)軌距塊與基本軌軌底出現(xiàn)較大縫隙,且現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整精度不高,車輪傳給基本軌的橫向力完全由間隔鐵螺栓承擔(dān),螺栓因承受較大的拉力,長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)荷載作用下,螺栓出現(xiàn)了疲勞斷裂。

根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果,護(hù)軌墊板采取的優(yōu)化措施:①取消間隔鐵及聯(lián)結(jié)螺栓,避免螺栓提前受力;②在護(hù)軌基本軌外側(cè)設(shè)置軌撐,以控制基本軌過(guò)大的橫移量;③優(yōu)化撐板和底板尺寸,增加護(hù)軌墊板抵抗橫向力和變形能力。撐板長(zhǎng)度由70mm增大到130mm,抗彎剛度增大5.3倍;底板寬度由180mm增大到220mm[15],抗彎剛度增大0.22倍,從整體上提高了護(hù)軌墊板強(qiáng)度和抵抗橫向力能力,優(yōu)化后的護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的護(hù)軌墊板結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的護(hù)軌墊板在抵抗橫向力、護(hù)軌及護(hù)軌基本軌橫向位移、撐板和底板變形方面均有較大提升,在瓦日線、張?zhí)凭€等重載鐵路應(yīng)用至今,尚未發(fā)現(xiàn)護(hù)軌墊板傷損等問(wèn)題,使用情況良好。

6 結(jié)語(yǔ)

為滿足30t軸重重載道岔使用要求,提出了2個(gè)護(hù)軌墊板方案:無(wú)間隔鐵方案(方案一)和采用間隔鐵方案(方案二),根據(jù)計(jì)算分析、上道試驗(yàn)和長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果,主要結(jié)論歸納如下。

(1) 有限元分析結(jié)果表明,方案二在墊板豎向變形、板底拉應(yīng)力、撐板水平變形方面均優(yōu)于方案一。方案二上道測(cè)試結(jié)果表明,護(hù)軌橫向位移和應(yīng)力最大值分別為2.35mm和159.1MPa,護(hù)軌應(yīng)力遠(yuǎn)小于其合金鋼材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度限值(1280MPa)。

(2) 長(zhǎng)期觀測(cè)發(fā)現(xiàn),有護(hù)軌間隔鐵螺栓折斷現(xiàn)象,分析原因是輪載傳遞的橫向力先由螺栓承擔(dān),造成螺栓受力過(guò)大而折斷。采取的優(yōu)化措施:取消間隔鐵及聯(lián)結(jié)螺栓;在護(hù)軌基本軌外側(cè)設(shè)置軌撐;優(yōu)化撐板和底板尺寸,增加護(hù)軌墊板抵抗橫向力和變形能力。優(yōu)化后的護(hù)軌墊板在抵抗橫向力、護(hù)軌及護(hù)軌基本軌橫向位移、撐板和底板變形方面均有很大提升,在瓦日線、張?zhí)凭€等重載鐵路應(yīng)用至今,尚未發(fā)現(xiàn)護(hù)軌墊板傷損等問(wèn)題,使用情況良好,滿足重載道岔使用要求。