鄒小魁，朱東方

(1.中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北秦皇島 066205;2.陜西通宇公路研究所有限公司，西安 710075)

1 概述

隨著鐵路六次大提速工作順利完成，提速前在正線站場(chǎng)咽喉區(qū)鋪設(shè)了大量時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號(hào)可動(dòng)心軌轍叉單開(kāi)道岔(產(chǎn)品圖號(hào):SC325)，該道岔在2001年完成設(shè)計(jì)、試制工作，并通過(guò)鐵道部組織的驗(yàn)收審查。產(chǎn)品自上道以來(lái)，基本滿足了鐵路干線提速要求，提高了列車通過(guò)速度，滿足了當(dāng)時(shí)鐵路建設(shè)的需要。文中所述除指明外，均指此道岔。

但受歷史條件技術(shù)發(fā)展的局限，當(dāng)時(shí)理論分析手段和試驗(yàn)條件還不夠完善，因此，道岔設(shè)計(jì)受到了一定的制約。通過(guò)幾年的運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，特別是貨運(yùn)方面提出了25 t軸重、時(shí)速120 km的要求，使得該型可動(dòng)心軌單開(kāi)道岔的不足也日益暴露，尤其是距長(zhǎng)心軌尖端525～550 mm，斷面寬36 mm處長(zhǎng)心軌軌底部位是轍叉部分的薄弱點(diǎn)，由該處軌面所承受的彎矩、抗彎慣性矩和中性軸至軌底距離計(jì)算出的鋼軌拉應(yīng)力最大。加上軌底加工不良，縱斷面變化急劇，心軌鍛壓段抗拉強(qiáng)度低于母材等因素造成局部應(yīng)力集中，形成如圖1所示，由軌底向上發(fā)展的疲勞裂紋斷裂［1～3］。

圖1 長(zhǎng)心軌疲勞斷裂

針對(duì)該型道岔長(zhǎng)心軌尖端斷面寬36 mm處疲勞裂紋斷裂的問(wèn)題，在保持長(zhǎng)心軌結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，采取咽喉處局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的措施，以提高長(zhǎng)心軌的強(qiáng)度，咽喉處可動(dòng)心軌部分的平面結(jié)構(gòu)如圖2所示;同時(shí)采取瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)有限元理論分析長(zhǎng)心軌尖端斷面寬36 mm處的最大拉應(yīng)力，以檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)提高長(zhǎng)心軌強(qiáng)度的效果。

圖2 咽喉處可動(dòng)心軌部分平面結(jié)構(gòu)(單位:mm)

2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型建立的方法

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？梢杂盟矐B(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力等。載荷和時(shí)間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較重要。

2.1 有限元模型

為了簡(jiǎn)化分析，采用將長(zhǎng)心軌簡(jiǎn)化為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承變截面梁;軌下系統(tǒng)支承簡(jiǎn)化為非線性彈簧支承;錐形車輪由翼軌滾向心軌時(shí)，因心軌逐漸支承車輪荷載，心軌所受輪載為一可變力，因此對(duì)心軌所承受荷載采用可變荷載來(lái)模擬。

2.2 模型的精確性

本文采用有限單元法求解長(zhǎng)心軌斷面寬36 mm處軌底拉應(yīng)力，而斷面平面幾何慣性矩和中性軸至軌底距離不變，因此，求解長(zhǎng)心軌斷面寬36 mm處軌底拉應(yīng)力則轉(zhuǎn)化為求解長(zhǎng)心軌斷面寬36 mm處彎矩，以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)心軌彎矩。單元的細(xì)分程度決定了模型分析的精確度，單元越細(xì)，分析結(jié)果越準(zhǔn)確。長(zhǎng)心軌軌頭橫斷面寬度斜率為1∶15，取5 mm長(zhǎng)為一單梁?jiǎn)卧?，可分析到長(zhǎng)心軌每一個(gè)斷面的彎矩，滿足精度要求。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 既有道岔長(zhǎng)心軌彎矩

時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號(hào)可動(dòng)心軌轍叉單開(kāi)道岔，當(dāng)貨車以軸重25 t，時(shí)速120 km通過(guò)時(shí)，分析長(zhǎng)心軌的彎矩。考慮速度效應(yīng)及偏載效應(yīng)［4］，軸重2倍的靜輪載25 t為加載荷載;豎向彈性塊的支撐剛度選用100 kN/mm。通過(guò)計(jì)算得到長(zhǎng)心軌彎矩與時(shí)間的曲線如圖3所示。

圖3 既有道岔長(zhǎng)心軌斷面寬36 mm處彎矩與時(shí)間的曲線

由圖3可知，軸重25 t的貨車以時(shí)速120 km通過(guò)時(shí)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，長(zhǎng)心軌彎矩隨著荷載從翼軌向心軌滾動(dòng)過(guò)程中逐漸增大，當(dāng)列車行至長(zhǎng)心軌斷面寬41 mm時(shí)(即列車到達(dá)距長(zhǎng)心軌尖端627 mm處，以下長(zhǎng)心軌斷面寬41 mm位置均指此處)，時(shí)速200 km的60kg/m鋼軌12號(hào)可動(dòng)心軌轍叉單開(kāi)道岔長(zhǎng)心軌彎矩達(dá)到最大值13 522 N·m，當(dāng)荷載通過(guò)長(zhǎng)心軌軌頭斷面寬41 mm后，長(zhǎng)心軌彎矩逐漸減小。由圖3還可以看出，長(zhǎng)心軌彎矩變化平穩(wěn)，無(wú)突變現(xiàn)象。通過(guò)理論計(jì)算，在長(zhǎng)心軌的彎矩最大時(shí)，長(zhǎng)心軌軌底的拉應(yīng)力為199 MPa，這與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的長(zhǎng)心軌應(yīng)力相比較基本吻合。根據(jù)長(zhǎng)心軌鍛壓段技術(shù)要求，心軌鍛壓段抗拉強(qiáng)度不低于母材抗拉強(qiáng)度的75%，材質(zhì)為U75V的60AT鋼軌屈服強(qiáng)度為880 MPa，考慮安全系數(shù)k為1.3，則鋼軌的容許屈服強(qiáng)度為508 MPa，滿足長(zhǎng)心軌強(qiáng)度要求。但是，一方面由于心軌鍛壓的制造工藝、凸緣本身的截面變化和制造偏差在一定程度上影響了心軌的整體性能，使得長(zhǎng)心軌的容許應(yīng)力降低，另一方面由于現(xiàn)場(chǎng)可動(dòng)心軌安裝不到位，道床搗固沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求等使得長(zhǎng)心軌軌底拉應(yīng)力經(jīng)常表現(xiàn)為沖擊應(yīng)力，并且應(yīng)力常常成倍增加。這些因素容易使長(zhǎng)心軌產(chǎn)生由軌底向上發(fā)展的疲勞裂紋斷裂。

3.2 調(diào)整岔枕間距對(duì)長(zhǎng)心軌彎矩的影響

保持列車荷載、速度等參數(shù)不變，在滿足電務(wù)轉(zhuǎn)換要求前提下，岔枕間距由650 mm減小至600 mm，考察長(zhǎng)心軌彎矩與時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。并且求解長(zhǎng)心軌彎矩最大時(shí)的列車荷載作用點(diǎn)。

圖4 岔枕間距對(duì)長(zhǎng)心軌彎矩的影響

由圖4可見(jiàn)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，長(zhǎng)心軌彎矩隨著時(shí)間的增加而增加，以列車運(yùn)行速度與時(shí)間為依據(jù)，計(jì)算得出當(dāng)列車行至長(zhǎng)心軌斷面寬41 mm時(shí)，長(zhǎng)心軌最大彎矩為12 067 N·m，當(dāng)荷載通過(guò)長(zhǎng)心軌軌頭斷面寬41 mm后，長(zhǎng)心軌彎矩逐漸減小。當(dāng)岔枕間距從650 mm減小至600 mm時(shí)，長(zhǎng)心軌最大彎矩減小了10.8%，即最大拉應(yīng)力減小幅度較大，可以有效延長(zhǎng)長(zhǎng)心軌的使用壽命。

3.3 彈性墊板對(duì)長(zhǎng)心軌斷面寬36 mm處彎矩的影響

由圖2可知，可動(dòng)心軌咽候處墊板結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)心軌下的臺(tái)板材料為45號(hào)鋼)，因此長(zhǎng)心軌軌下支承剛度較大，當(dāng)車輪從翼軌向心軌的滾動(dòng)中，由于長(zhǎng)心軌受力較大，而且其斷面較小，則受到的拉應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。彈性墊板是在臺(tái)板下底板上采用橡膠硫化工藝，將橡膠與底板、臺(tái)板硫化在一起，并且采用相關(guān)結(jié)構(gòu)以保證臺(tái)板與底板之間的連接牢固。對(duì)序號(hào)38至40號(hào)墊板采用彈性墊板，將進(jìn)一步降低長(zhǎng)心軌受力，并使可動(dòng)心軌部分的剛度趨于均勻，以減小列車的動(dòng)力作用和提高軌道的平順性。

保持其他條件不變，將可動(dòng)心軌部分38至40號(hào)剛性墊板改為彈性墊板，考察彈性墊板對(duì)長(zhǎng)心軌彎矩的影響。通過(guò)計(jì)算可得彈性墊板對(duì)長(zhǎng)心軌彎矩影響如圖5所示。

由圖5可知，長(zhǎng)心軌彎矩呈上升趨勢(shì)，列車荷載到達(dá)軌頭寬41 mm斷面時(shí)，彎矩達(dá)到最大10 247 N·m，而當(dāng)列車通過(guò)41 mm斷面之后，長(zhǎng)心軌彎矩呈下降趨勢(shì)。與未優(yōu)化結(jié)構(gòu)之前相比較，當(dāng)采用彈性墊板之后，長(zhǎng)心軌的最大彎矩由13 522 N·m減小至10 247 N·m，減小了24.2%。

圖5 彈性墊板對(duì)長(zhǎng)心軌彎矩的影響

3.4 38號(hào)墊板臺(tái)板高度降低2 mm對(duì)長(zhǎng)心軌斷面寬36 mm處彎矩的影響

對(duì)可動(dòng)心軌部分第38號(hào)墊板臺(tái)板降低2 mm，使得長(zhǎng)心軌尖端部分懸空，以減小長(zhǎng)心軌所受彎矩，考察臺(tái)板降低2 mm對(duì)長(zhǎng)心軌彎矩的影響如圖6。

圖6 降低臺(tái)板高底2 mm對(duì)長(zhǎng)心軌彎矩的影響

由圖6可以看出，在長(zhǎng)心軌軌頭斷面寬30 mm之前，長(zhǎng)心軌彎矩基本不超過(guò)±300 N·m，可認(rèn)為這一階段，列車荷載全部由翼軌來(lái)承擔(dān)。隨著列車荷載的前移，長(zhǎng)心軌開(kāi)始承擔(dān)列車荷載的作用，此時(shí)，長(zhǎng)心軌前端與臺(tái)板相接觸，開(kāi)始承受彎矩，并且所受彎矩逐漸增加，當(dāng)列車行至長(zhǎng)心軌斷面寬43 mm處(即列車到達(dá)距長(zhǎng)心軌尖端658 mm處)，彎矩達(dá)到最大值10 697.2 N·m。當(dāng)列車通過(guò)心軌斷面43 mm后，彎矩逐漸減小。與結(jié)構(gòu)未優(yōu)化前相比較，長(zhǎng)心軌最大彎矩減小了20.8%。而且從圖6可以看出，當(dāng)38號(hào)墊板臺(tái)板高度減小2 mm后，長(zhǎng)心軌所受的彎矩波動(dòng)較大，彎矩變化最大幅度為7 370 N·m，這說(shuō)明長(zhǎng)心軌此時(shí)有一定的振動(dòng)，這將導(dǎo)致道岔咽喉部分不平順性加大。

對(duì)于臺(tái)板降低2 mm而使得道岔咽喉部分不平順性加大，通過(guò)理論計(jì)算，列車在通過(guò)咽喉的過(guò)程中，輪軌的接觸關(guān)系不發(fā)生變化，只是由于長(zhǎng)心軌與翼軌之間所承受的列車荷載在發(fā)生變化，承受荷載的總體趨勢(shì)為當(dāng)列車由翼軌向心軌的轉(zhuǎn)移運(yùn)程中，翼軌所受列車荷載越來(lái)越小，心軌所承受的荷載越來(lái)越大，并且翼軌與心軌承受的荷載為交變荷載。取最不利狀態(tài)，即由翼軌承擔(dān)所有的列車荷載作用，而長(zhǎng)心軌不承受荷載，計(jì)算可得翼軌的撓度最大為2.2 mm，根據(jù)時(shí)速200 km客運(yùn)專線道岔直向平順度要求鋼軌撓度不大于3 mm的要求，可見(jiàn)列車在通過(guò)咽喉時(shí)的不平順性滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于由于列車荷載引起的長(zhǎng)心軌振動(dòng)，可對(duì)長(zhǎng)心軌采取嚴(yán)格防跳措施來(lái)克服，一種方法是在翼軌壓型段采用防跳臺(tái)配合心軌來(lái)限制心軌上跳;另一種方法是在翼軌壓型段之后采用防跳頂鐵下壓心軌軌肢來(lái)限制心軌的上跳。當(dāng)長(zhǎng)心軌的振動(dòng)通過(guò)以上方法來(lái)約束后，采用降低臺(tái)板高度的方法來(lái)減小長(zhǎng)心軌的應(yīng)力是一種行之有效的好方法。

4 運(yùn)營(yíng)實(shí)踐

時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號(hào)可動(dòng)心軌轍叉單開(kāi)道岔通過(guò)以上改進(jìn)，已在京秦線上進(jìn)行了30余組上道使用，運(yùn)行至今，使用狀況良好，運(yùn)行平穩(wěn)，該道岔整體強(qiáng)度加強(qiáng)，運(yùn)行安全度提高，降低了道岔的故障率，減小了道岔養(yǎng)護(hù)維修工作量，受到了用戶的肯定和歡迎。

5 結(jié)論

運(yùn)用瞬態(tài)有限單元法和軌道動(dòng)力學(xué)理論，分析了減小岔枕間距、采用彈性墊板和降低臺(tái)板高度對(duì)長(zhǎng)心軌彎矩的影響，計(jì)算結(jié)果表明:

(1)既有時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號(hào)可動(dòng)心軌轍叉單開(kāi)道岔，在生產(chǎn)與制造達(dá)到設(shè)計(jì)要求和上道鋪設(shè)運(yùn)行后維護(hù)保養(yǎng)及時(shí)的狀況下，長(zhǎng)心軌強(qiáng)度滿足使用要求;

(2)采用減小岔枕間距、彈性墊板和降低臺(tái)板高度的方法都可以有效的降低長(zhǎng)心軌的最大拉應(yīng)力;當(dāng)采用降低臺(tái)板高度的方法時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)心軌的防跳措施和長(zhǎng)心軌的跳動(dòng)監(jiān)控;

既有時(shí)速200 km的60 kg/m鋼軌12號(hào)可動(dòng)心軌轍叉單開(kāi)道岔在鐵路的六次大提速中起到關(guān)鍵作用，已經(jīng)上道鋪設(shè)2 000余組。在不對(duì)此道岔整體更換的前提下，可采用以上方法來(lái)提高長(zhǎng)心軌的使用壽命。

由于可動(dòng)心軌單開(kāi)道岔消滅了轍叉的有害空間，進(jìn)一步提高列車的運(yùn)行速度、平穩(wěn)性和安全性，減小輪軌相互作用，有效保護(hù)軌下基礎(chǔ)，因此已經(jīng)大量應(yīng)用于既有線與新線的建設(shè)中。而深入研究其在列車荷載作用下的動(dòng)力影響，對(duì)進(jìn)一步提高鐵路的運(yùn)營(yíng)速度和安全性將是十分有益的。

［1］岳國(guó)軍，何耀民，于潤(rùn)學(xué).SC325型道岔長(zhǎng)心軌死角區(qū)的探傷方法［J］.京鐵科技通訊太原刊，2004(4).

［2］閆海壽.SC325型可動(dòng)心軌道岔尖軌的探傷方法［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(9).

［3］段劍峰.可動(dòng)心軌道岔心軌軌斷原因分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(5).

［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.