一种高速道岔用应急加固装置的有限元分析

李　楠　张东风

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055 )

The Finite Element Analysis of an Emergency Reinforcement Device for High-Speed Turnouts

NAN Li　ZHANG Dongfeng

一种高速道岔用应急加固装置的有限元分析

李楠张东风

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055 )

The Finite Element Analysis of an Emergency Reinforcement Device for High-Speed Turnouts

NAN LiZHANG Dongfeng

摘要针对高速道岔基本轨、尖轨、心轨等不同位置发生折断的情况，“内撑外锁”是一种最典型的加固方式，适用性很广。“内撑外锁”这一典型加固装置由多个部件组成，其整体受力较为复杂。采用solidworks三维造型建模，对“内撑外锁”结构进行有限元分析，分析表明“内撑外锁”加固装置的各部件受力状态均满足材料强度要求，加固后断口处最大纵、横向位移分别为0.185 mm和0.14 mm，“内撑外锁”加固装置起到了对断口的固定作用，满足道岔应急加固装置的设计要求。

关键词道岔，加固装置，内撑外锁，急救器，有限元分析

1概述

道岔是高速铁路轨道的重要设备，在高速列车强大动力荷载作用下，钢轨和道岔的冲击应力会加大，形成应力集中，严重时产生折断故障，影响行车安全。对于钢轨、道岔主要部件的折断伤损，《铁路工务安全规则》规定，无论是道岔还是钢轨一旦发生折断，要在规定时间内进行快速加固，加固后必须保证道岔直向运行安全，最大程度地减少其对铁路运输的影响[1]。目前急救装置主要是针对正线钢轨设计的，若用于道岔和伸缩器的钢轨时，会出现安装困难，加固不牢，甚至不能使用的情况，当列车通过断口时，断口会迅速恶化，产生极大安全隐患[2-3]。在道岔应急加固方面，为保证行车安全，也开发了钩锁器、钉闭器等。针对道岔基本轨、尖轨、心轨等不同位置发生折断的情况，“内撑外锁”是一种最典型的加固方式，适用性很广[4]。“内撑外锁”这一典型加固装置由多个部件组成，其整体受力较为复杂，本文采用三维造型建模，对“内撑外锁”这一结构进行有限元分析，确保受力、结构和位移等各方面满足材料强度及断轨后列车通过道岔的安全要求。

2钢轨折断后的受力分析

以60AT2钢轨制作尖轨为例[5，6]，发生折断后受力可简化为一个简支梁模型。如图1所示，钢轨折断后，断轨处钢轨受力可简化为悬臂梁模型，极端情况下其钢轨折弯处受力情况如图2所示。

图1　AT轨折断处受力情况

图2　尖轨折断处简支梁受力模型

Pd为列车竖向设计载荷，Pj为静轮载；Pd=α·Pj

其中：静轮载取17 t；300 km/h以上线路动载系数α取3.0[7]。

则：Pd=255 kN；

以U71MnG材质为例，无缝线路设计规范中屈服强度σs仅为457 MPa[8]，通过计算可知，轨枕间距通常为600～650 mm，承轨台顶面宽度通常为220～250 mm，极端情况下，折断位置距离轨枕边缘最远时为440 mm。如图3所示，尖轨轨折断后，在轨枕边缘处，尖轨断口处承受的最大应力σAT-max≈533.6 MPa，已经超过材料屈服强度；尖轨折断后，钢轨最大应力σAT-max≥σs，断口钢轨发生塑性变形，折断处的最大变形量为2.42 mm，如图4所示。在车轮的不断冲击下，断口会迅速增大并恶化，对安全影响很大。若折断发生在尖轨、心轨等截面更小位置时，则应力更大，易引发二次折断或其他病害。

因此，道岔部件发生折断伤损后必须立即加固处理，“内撑外锁”加固装置是快速解决这一问题有效途径。

图3　尖轨折断最大应力

图4　端部最大位移

3“内撑外锁”加固装置受力与结构分析

3.1　结构与原理

“内撑外锁”结构的典型特征是内部顶撑，外部拉锁。与传统钩锁器不同，“内撑外锁”结构通过2根螺旋连杆将前、后顶板连接，根据基本轨与尖轨距离的不同，调节内撑装置的长度与角度，通过“内撑外锁”的加固形式对钢轨的分离部位进行加固，可保证断缝与基本轨形成一个整体框架，保证其刚度和稳定性，典型结构如图5所示。

图5　“内撑外锁”结构示意

3.2　“内撑外锁”典型加固装置的有限元分析

(1)三维造型

使用Solidworks造型软件，对典型的“内撑外锁”应急加固装置进行三维造型，如图6所示，加固装置由铁靴、内顶套、异型螺栓，螺母几部分构成，加固装置的顶部和底部构造特征如图7所示。

图6　三维造型图

图7　顶部与底部特征

(2)边界条件及网格化

钢轨为60 kg/m的U71MnG，弹性模量2.1E11Pa，泊松比为0.3；钢轨套靴ZG310-570材料的许用应力为310 MPa，异型连接螺栓和螺母为45#合金钢，屈服不低于355 MPa。为方便计算，对模型边界条件适当优化，固定端约束钢轨两侧端头，铁靴的螺栓进行固定约束，钢轨套靴内侧与钢轨外侧边缘完全贴合，内顶套与钢轨轨腰贴合，通过螺栓螺母结构锁闭，螺母锁定扭矩按照150 Nm，单根钢轨上的垂向作用力按255 kN，横向力按垂向力的80%计算[4]，约束如图8所示，网格划分如图9所示。

图8　“内撑外锁”加固装置整体约束

图9　网格划分

(3)静力学分析

强度分析：

整个加固装置最大应力出现在内顶套接近断口处的螺栓结构边缘，这是由于此处钢轨折断，缺乏钢轨本身产生的约束，因此轮子的作用力施加到了内顶套顶板上，符合其本身的受力状态，而整个内顶套的应力基本在100～300 MPa之间，内顶套顶板的受力约为120 MPa，远小于其材料屈服强度，强度符合设计要求。需要指出的是，内顶套螺栓与顶板是焊接为一体的，此处应力易产生集中，焊接质量需有保障。钢轨套靴螺孔处和加强筋处的最大应力均为100 MPa左右，满足强度要求。

位移分析：

最不利条件下，轮子作用于断口钢轨一侧，增加“内撑外锁”的应急加固装置后，其最大综合位移发生在断口处，最大纵向位移仅为0.185 mm，最大横向位移为0.14 mm，位移量从断口向两侧递减，符合受力状态和物理规律，“内撑外锁”加固装置起到了对断口的加固作用，符合设计要求。

4现场模拟安装

小批量试制了“内撑外锁”应急加固装置，在线路上进行模拟安装和试用。将夹板贴在基本轨的内侧腰部，将单顶套固定在断口位置，锁紧顶套螺母，视部位安装高强外锁夹具将尖轨与基本轨锁紧，完成对断口的应急加固。

5结论

(1)通过对典型的“内撑外锁”应急加固装置的受力分析可知，其设计强度可满足对道岔轨件的加固需求，材料选择合适，结构较为合理。

(2)“内撑外锁”应急加固装置的最大应力集中在断口附近的内顶套上，应力水平普遍在100~300 MPa之间，内顶套螺栓与顶板的焊接质量需要保证；钢轨套靴的螺栓孔附近和肋板加强筋上的应力约为100 MPa，远低于材料屈服强度，均满足设计要求。

(3)“内撑外锁”应急加固装置的整体锁闭性能较好，加固装置安装后，断口处的垂、横向位移很小，分别为0.185 mm和0.14 mm，几乎可以忽略不计，满足高速道岔应急加固的要求。

参考文献

[1]中华人民共和国铁道部.铁路线路修理规则[S].北京：中国铁道出版社，2010

[2]王国祥，高俊，等.高速铁路轨道几何状态控制指标及检测技术探讨[J].铁道勘察，2012(1)

[3]武孟尝.高速铁路轨道精调作业技术[J].铁道勘察，2012(4)

[4]牟运生，张卓欣，等.提速道岔尖轨折断受力分析及其应急处理[J].铁道技术监督，2010，39(4)

[5]《常用道岔主要参数手册》编写组.常用道岔主要参数手册[M].北京：中国铁道出版社，2007

[6]TB/T 3109—2013铁路道岔用非对称断面钢轨[S]

[7]TB/T 10621—2009高速铁路设计规范[S]

[8]TB10015—2012铁路无缝线路设计规范[S]

中图分类号：U213.6+3

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)03-0108-03

作者简介：第一李楠(1983—)，男，2013年毕业于北京交通大学车辆工程专业，工学博士，工程师，E-nanlichina@163.com。

收稿日期：2015-01-23