高速道岔尖軌矯直參數(shù)研究

周 文

(中鐵軌道系統(tǒng)集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙 410100)

高速道岔作為高速鐵路軌道的組成部分，需要很高的平順性，以滿足列車高速、平穩(wěn)、安全運(yùn)行［1］。高速道岔的精度要求十分嚴(yán)格，直線尖軌工作邊及軌頂?shù)闹本€度 ＜0.2 mm/m，全長(zhǎng)直線度 ＜1.5 mm［2］。高速道岔尖軌經(jīng)機(jī)加工、熱處理后會(huì)產(chǎn)生一定的變形，直尖軌須進(jìn)行矯直，曲尖軌矯直后還須頂彎成設(shè)計(jì)的線型。

國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼軌矯直及尖軌矯直進(jìn)行了一定的研究［3-4］，由于尖軌斷面非對(duì)稱，沿長(zhǎng)度方向不斷變化，且矯直前原始變形不一致，因此確定矯直參數(shù)比較困難。尖軌矯直采用三點(diǎn)壓力矯直方法［5］，加載支距和加載量是尖軌矯直兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。本文采用有限單元法，以客運(yùn)專線18號(hào)道岔直線尖軌為例，研究確定尖軌不同部位的矯直參數(shù)，為高速道岔尖軌矯直提供理論指導(dǎo)。

1 客運(yùn)專線18號(hào)道岔尖軌斷面特征

客運(yùn)專線18號(hào)道岔平面線型采用R 1 100 m導(dǎo)曲線，全長(zhǎng)69 m，尖軌采用60D40鋼軌加工制造，長(zhǎng)度為21.45 m。直線尖軌的斷面設(shè)計(jì)如圖1所示，軌頭刨切段長(zhǎng)度為10.962 m，軌底刨切段長(zhǎng)度為11.792 m，軋制跟端長(zhǎng)度為0.6 m。

圖1 客運(yùn)專線18號(hào)道岔尖軌斷面刨切示意(單位:mm)

2 尖軌矯直支點(diǎn)壓點(diǎn)組合

2.1 尖軌矯前變形分類

AT軌軋制生產(chǎn)過(guò)程中軋機(jī)的壓下量不均、運(yùn)輸過(guò)程中外力的碰撞、冷卻過(guò)程中溫降不均及AT軌自重的作用等都會(huì)造成AT尖軌加工前的初始變形，AT軌機(jī)加工、熱處理后也將發(fā)生一定的變形。尖軌軸線常見(jiàn)變形有單彎型、波浪型和空間曲線型，如圖2所示。

圖2 尖軌軸線常見(jiàn)變形

2.2 支點(diǎn)壓點(diǎn)確定

尖軌矯直壓點(diǎn)、支點(diǎn)組合與尖軌初始彎曲形態(tài)有關(guān)。對(duì)于圖2(a)所示單彎型，壓點(diǎn)應(yīng)盡量選在初始彎曲變形最大點(diǎn)處，而支點(diǎn)則盡量對(duì)稱分布于壓點(diǎn)兩側(cè)，根據(jù)零件校直時(shí)的彎矩變化梯度和零件的初始彎曲變形梯度應(yīng)盡可能一致的原則來(lái)調(diào)整加載支距［5］。尖軌前端矯直時(shí)加載支距要小，后端矯直時(shí)加載支距要大，但不能超過(guò)矯直機(jī)容許范圍。

尖軌矯直前彎曲形狀往往是復(fù)雜多變的，不是單一曲率彎曲，而是不同部分有不同的彎曲曲率，通常采用隔離法確定壓點(diǎn)、支點(diǎn)。根據(jù)對(duì)尖軌的檢測(cè)，將尖軌按曲率分成幾個(gè)單獨(dú)的單弧度初始彎曲單元，按以下兩種組合方法確定壓點(diǎn)、支點(diǎn)［6］:

1)逐一矯直法:根據(jù)零件彎曲情況和檢測(cè)要求，為每一矯直截面提供固定的校直壓點(diǎn)、支點(diǎn)組合。例如檢測(cè)到尖軌某一段有三段不同曲率的彎曲變形，如圖3所示。則尖軌的固定壓點(diǎn)、支點(diǎn)組合為:壓點(diǎn)1和支點(diǎn)1、支點(diǎn)2組合;壓點(diǎn)2和支點(diǎn)2、支點(diǎn)3組合;壓點(diǎn)3和支點(diǎn)3、支點(diǎn)4組合。

圖3 逐一矯直法壓點(diǎn)、支點(diǎn)組合

2)優(yōu)先矯直法:先對(duì)最大初始彎曲所在的單個(gè)弧度進(jìn)行矯直，然后經(jīng)檢測(cè)，再次考察整個(gè)軸的彎曲情況，找到新的最大初始彎曲所在單個(gè)弧度進(jìn)行校直，逐步使整個(gè)軸的直線度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，逐一矯直法簡(jiǎn)單方便，但由于壓點(diǎn)、支點(diǎn)組合固定，不能有效排除校直點(diǎn)對(duì)相鄰校直點(diǎn)的影響，有可能在某點(diǎn)校直過(guò)程中，破壞己有校直結(jié)果，校直整體效果可能不好，造成多次反復(fù)校直，使生產(chǎn)效率降低。優(yōu)先矯直法的特點(diǎn)在于從整體角度考察矯直過(guò)程，為在矯直計(jì)算中綜合考慮校直點(diǎn)對(duì)相鄰校直點(diǎn)的影響提供了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。實(shí)踐中兩種方法交替使用，以達(dá)到最佳矯直效率。

3 加載量計(jì)算

加載量的確定與加載支距、尖軌的初始曲率及矯直部位有關(guān)，本文采用三維彈塑性有限單元方法計(jì)算加載量，計(jì)算給定加載支距、尖軌的初始曲率及矯直部位條件下的加載量。

3.1 高速道岔尖軌矯直計(jì)算模型

3.1.1 三維有限元模型

由于 AT尖軌斷面復(fù)雜、變化大，而且沒(méi)有對(duì)稱性，故建立實(shí)體模型較合適，實(shí)體模型能仿真尖軌斷面各點(diǎn)的力學(xué)性能。以客運(yùn)專線18號(hào)道岔直線尖軌為例進(jìn)行計(jì)算，取尖軌軌頂寬35 mm，斷面前后各0.75 m部分建模，選擇8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建有限元計(jì)算模型，模型長(zhǎng)度尺寸為1.5 m，在受力區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 尖軌矯直有限元計(jì)算模型

3.1.2 邊界條件

將加載頂頭與尖軌的作用簡(jiǎn)化為面荷載，不考慮它們之間的接觸計(jì)算，在作用小面積內(nèi)施加位移荷載，尖軌與支座接觸面施加位移約束。

3.1.3 計(jì)算參數(shù)

材料彈性模量為 E=206 GPa，泊松比 ν=0.3，屈服強(qiáng)度 σ0.2=510 MPa，抗拉強(qiáng)度 σb=1 180 MPa。考慮材料的彈塑性非線性，采用多線性等向強(qiáng)化Von Mises屈服準(zhǔn)則，材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5。加載方式如圖6所示，l為加載支距，d為加載量，F(xiàn)為加載力。

3.2 尖軌矯直有限元計(jì)算實(shí)例

假定尖軌初始曲率半徑R=250 m，取加載支距l(xiāng)=0.8 m、加載量 d=3.0 mm進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。尖軌矯直時(shí)線形變化如圖7所示，從圖中可以看出，尖軌在矯直荷載作用下產(chǎn)生反彎變形，卸載后回彈，并產(chǎn)生永久塑性變形。尖軌矯直后曲率減小，得到部分矯直。中間截面的軸向殘余應(yīng)力分布如圖8所示，軌底為殘余拉應(yīng)力，軌頭為殘余壓應(yīng)力。

3.3 加載量計(jì)算

加載量的計(jì)算按以下步驟進(jìn)行:①根據(jù)尖軌變形情況及尖軌幾何特性建立有限元分析計(jì)算模型，定義材料參數(shù)及邊界條件等。②輸入加載量，并求解。③結(jié)果后處理。提取節(jié)點(diǎn)位移，擬合尖軌殘余幾何線形，由幾何線形計(jì)算出尖軌殘余曲率，并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比。若尖軌殘余曲率絕對(duì)值小于設(shè)定值，則此加載量即為所求加載量;若尖軌殘余曲率絕對(duì)值大于設(shè)定值，當(dāng)殘余曲率值為“－”時(shí)，表明尖軌矯直過(guò)量，則應(yīng)減小加載量，當(dāng)殘余曲率值為“+”時(shí)，表明尖軌矯直不足，則應(yīng)增大加載量。加載量的增量按由大到小的原則確定，按新的加載量重新計(jì)算，直至尖軌殘余曲率絕對(duì)值小于設(shè)定值。

考慮尖軌初始曲率半徑及加載支距的影響，本文計(jì)算了九種工況，如表1所列，并編寫(xiě)有限元計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。

圖5 尖軌材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖6 尖軌矯直加載方式

圖7 尖軌矯直線型變化

圖8 尖軌中間截面軸向殘余應(yīng)力分布(單位:Pa)

表1 計(jì)算工況 m

表2 加載量、殘余曲率及軌底最大殘余拉應(yīng)力

客運(yùn)專線道岔線直線度要求為0.2 mm/m，換算為曲率為0.001 6，因此矯直后的殘余曲率應(yīng)小于0.001 6。加載量計(jì)算結(jié)果如表2所列，從表1、表2可以得出，相同初始曲率半徑下，加載支距越大，所需加載量也越大。相同加載支距下，初始曲率半徑越大，所需加載量越小。尖軌初始曲率半徑越大，矯直后軌底殘余拉應(yīng)力越小。

4 結(jié)論

1)尖軌矯直前初始變形分為單彎型、波浪型和空間曲線型三類;交替使用逐一矯直法和優(yōu)先矯直法，可提高矯直效率。

2)加載量由尖軌初始變形及加載支距確定，相同初始變形下，加載支距越大，所需加載量也越大;相同加載支距下，初始變形越小，所需加載量越小。通過(guò)有限元計(jì)算可以得到不同條件下尖軌矯直所需加載量，精度為0.1 mm。

3)尖軌初始變形越大，矯直后軌底殘余拉應(yīng)力越大，初始曲率為150 m尖軌矯后殘余應(yīng)力最大為190.74 MPa。

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