高 擎

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鐵路運(yùn)營有限公司礦山鐵路分公司，山西 大同 037001）

0 引言

轉(zhuǎn)轍機(jī)是礦山鐵路重要信號及基礎(chǔ)設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行是礦山鐵路安全高效運(yùn)輸?shù)闹匾ＷC。轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置端頭安裝了尖端鐵，尖端鐵一旦出現(xiàn)故障、變形會造成尖軌無法閉鎖，嚴(yán)重威脅著礦山鐵路運(yùn)輸安全。

目前礦山鐵路主要通過人工巡檢方式進(jìn)行故障查詢及排除，由于人工巡查天窗時間短，轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置安裝位置隱蔽，出現(xiàn)故障時不能第一時間發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行排除，從而產(chǎn)生運(yùn)輸隱患；而目前我國鐵路轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置故障檢測方法落后、檢測精度低，無法滿足礦山鐵路安全高效運(yùn)輸需求[1-6]。本文通過對道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置采用三維建模、有限元模態(tài)等技術(shù)手段分析其故障原因，并提出了合理化維護(hù)措施。

1 牽引點(diǎn)處道岔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工況分析

1.1 道岔系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

道岔系統(tǒng)主要由密貼側(cè)尖軌、尖端鐵、安裝裝置、斥離側(cè)尖軌、斥離側(cè)基本軌、轉(zhuǎn)轍機(jī)、密貼側(cè)基本軌、安裝裝置表示桿及動作桿組件等部分組成，如圖1 所示。其中安裝裝置的表示桿組件主要由連接拉桿、尖端鐵等部分組成；在道岔轉(zhuǎn)換時利用轉(zhuǎn)轍機(jī)通過尖端鐵、連接桿直接控制尖軌，同時通過遠(yuǎn)程控制監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路通斷情況，判斷尖軌與軌道的密貼狀態(tài)情況。

圖1 礦山鐵路道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工況分析

轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置表示桿組件工況狀態(tài)主要有兩種，一為道岔在轉(zhuǎn)換過程中表示桿組件在水平移動時監(jiān)測尖軌位置狀態(tài)；二為列車在通過轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置時道軌、軌枕產(chǎn)生振動從而引起尖軌、安裝裝置以及轉(zhuǎn)轍機(jī)振動。通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，道岔在轉(zhuǎn)換時安裝裝置表示桿組件表現(xiàn)為被動關(guān)系，其產(chǎn)生載荷主要為摩擦阻力，但是在轉(zhuǎn)換時時間短、摩擦阻力小，可忽略不計。所以列車通過時對安裝裝置產(chǎn)生振動是表示桿組件主要工況狀態(tài)。

2 裝置建模及有限元模態(tài)分析

列車通過時道岔產(chǎn)生隨機(jī)振動，引起尖軌、轉(zhuǎn)轍機(jī)振動，當(dāng)二者振動頻率不同時會造成安裝裝置產(chǎn)生受力，所以在分析安裝裝置受力前需對道岔系統(tǒng)振動情況進(jìn)行了解。首先采用有限元模態(tài)分析確定安裝裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)準(zhǔn)確分析不同頻率下振動情況。

2.1 裝置三維建模

由于礦山鐵路道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，采用三維建模時無法全面建模體現(xiàn)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對道岔系統(tǒng)三維建模進(jìn)行簡化，采用的道岔長度為3.0 m，并利用質(zhì)量點(diǎn)代替轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部配件，尖軌形狀進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 有限元模態(tài)分析

道岔系統(tǒng)三維建模后將模型導(dǎo)入有限元仿真分析軟件中，從而建立有限元模型。建模后的兩側(cè)邊界條件為基本軌兩端支撐，上下邊界條件為尖軌尾部支撐，在進(jìn)行有限元分析前需要對各類材料力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行確定，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 不同材料力學(xué)性能參數(shù)匯總

利用有限元模態(tài)分析結(jié)構(gòu)固有頻率以及振動類型，當(dāng)外界振動頻率接近結(jié)構(gòu)固有振動頻率時會引起共振，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)系統(tǒng)損壞，通過限元模態(tài)分析不同階段振型下結(jié)構(gòu)破壞情況，提取1～2 階振型，如圖2 所示。

圖2 道岔系統(tǒng)不同振型下模態(tài)振型三維模型

2.3 分析結(jié)果

通過對10 階模態(tài)振型下道岔系統(tǒng)變形情況，通過觀察分析發(fā)現(xiàn)，隨著模態(tài)階次的增加，道岔系統(tǒng)振型由原來的單向移動變形轉(zhuǎn)為扭轉(zhuǎn)變形，在5 階振型后系統(tǒng)位移變形主要集中在安裝裝置表示桿組件和連接桿組件上。

3 現(xiàn)場測試效果分析

為了進(jìn)一步驗證有限元模態(tài)分析結(jié)果，通過現(xiàn)場情況對道岔系統(tǒng)振動情況進(jìn)行分析。

3.1 現(xiàn)場測試條件

首先將倒車處尖軌與左側(cè)軌道密貼，與右側(cè)軌道處于斥離的狀態(tài)；然后分別在兩側(cè)基本軌、尖軌底部安裝加速度傳感器，實時監(jiān)測列車通過道岔系統(tǒng)時各部件振動情況。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

當(dāng)列車通過道岔時通過傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，道岔垂向最大振動加速度主要發(fā)生在左側(cè)軌道密貼的尖軌上，實測最大垂向振動加速度值為945.5 m/s2；其次為密貼基本軌的垂向振動加速度為908.1 m/s2。而斥離尖軌產(chǎn)生的垂向振動加速度最小，實測為229.4m/s2，列車行駛過程中位于斥離側(cè)基本軌垂向加速度在某一段時間內(nèi)處于勻速狀態(tài)，平均為174.8 m/s2。

3.3 振動功率譜分析

振動功率譜分析法主要利用傅里葉積分和將列車通過道岔系統(tǒng)時產(chǎn)生的垂向加速度數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)現(xiàn)，在通過列車時，密貼側(cè)尖軌和基本軌垂向加速度頻率主要集中在1859～3488 Hz 范圍內(nèi)；而斥離側(cè)尖軌和基本軌垂向加速度頻率均小于180 Hz，其中基本軌垂向加速度頻率主要集中在10～15 Hz 范圍內(nèi)，振動頻率集中度高，振動能量達(dá)總能量的42.8%。

3.4 振動數(shù)據(jù)分析

1）根據(jù)有限元模態(tài)分析結(jié)果與振動功率譜分析發(fā)現(xiàn)，道岔系統(tǒng)在共振1 階模態(tài)頻率為12.7 Hz，與列車通過時斥離側(cè)基本軌振動頻率相近。由此可見，在列車通過時斥離側(cè)基本軌振動是造成道岔系統(tǒng)共振的主要原因，從而導(dǎo)致斥離側(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)及安裝裝置在垂向產(chǎn)生較大位移。

2）密貼側(cè)的尖軌和基本軌振動頻率在1859～3488Hz范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于道岔系統(tǒng)共振頻率，從而在垂向產(chǎn)生振動位移量相對較小。所以在列車通過時道岔系統(tǒng)形成一套以密貼側(cè)的尖軌和基本軌為支撐點(diǎn)、以安裝裝置為連接梁、轉(zhuǎn)轍機(jī)為振動點(diǎn)的單支撐懸臂梁振動結(jié)構(gòu)，在整套系統(tǒng)中位于密貼側(cè)的尖軌為薄弱環(huán)節(jié)，致使轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置斷裂、尖軌磨損變形等。

4 結(jié)論

礦山鐵路分公司針對礦山鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝裝置尖端鐵頻繁斷裂、變形故障，嚴(yán)重威脅著礦山鐵路運(yùn)輸安全的問題，通過道岔系統(tǒng)模型建立、有限元分析以及現(xiàn)場監(jiān)測，得出以下結(jié)論：

1）利用建模及有限元模型可直觀地對道岔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工況分析，初步確定了隨著模態(tài)階次的增加系統(tǒng)出現(xiàn)的位移變形現(xiàn)象集中體現(xiàn)在安裝裝置表示桿組件和連接桿組件上。

2）根據(jù)有限元模態(tài)分析結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，確定了在列車通過時斥離側(cè)基本軌振動與道岔系統(tǒng)振動頻率相近，從而造成道岔系統(tǒng)共振主要原因，且在振動過程中道岔系統(tǒng)大幅度振動位移主要集中在斥離側(cè)尖軌和基本軌處。

3）在日常礦山鐵路檢修維護(hù)中，應(yīng)加強(qiáng)對牽引點(diǎn)處枕木和彈簧扣件等元件的支撐情況檢查，在道岔處應(yīng)縮小道枕間距，并確保道岔系統(tǒng)元件與枕木固定可靠，從而降低道岔系統(tǒng)共振現(xiàn)象。