道岔用復合定位套優(yōu)化改進

鄒小魁,沈艷杰

(中鐵山橋集團有限公司,河北秦皇島 066205)

1 概述

復合定位套是在以圖號GLC命名的“工聯(lián)岔”道岔設計時研發(fā)出來的新產(chǎn)品,最初設計的復合定位套采用將鋼套管與橡膠套管通過硫化工藝粘結(jié)在一起的基本結(jié)構(gòu),其斷面形式見圖1；一般情況下鐵墊板與螺栓間設置復合定位套,工作狀態(tài)如圖2所示。復合定位套在列車橫向力作用下用以緩沖鐵墊板對螺栓的橫向沖擊,起到緩沖、定位的雙重作用；同時使螺栓緊固時對鐵墊板不產(chǎn)生較大的垂向壓力,有利于充分發(fā)揮鐵墊板下彈性墊層的彈性。但受歷史條件技術(shù)發(fā)展局限性的影響,當時理論分析手段和試驗條件還不夠完善,因此復合定位套的設計受到了一定的制約。通過近幾年的運營實踐,特別是貨運方面提出了250 kN軸重貨物列車,時速120 km的要求后,復合定位套外層橡膠套管在列車橫向力的作用下易發(fā)生疲勞破損；同時由于橡膠體積不可壓縮,加上復合定位套高度設計的不合理性,兩方面的因素使得復合定位套在沒有受到岔枕螺栓扭矩作用時,其下端與岔枕頂面已經(jīng)相接觸,導致鐵墊板下彈性墊層的彈性沒有真正發(fā)揮出來。

針對以上復合定位套出現(xiàn)的不足之處,優(yōu)化原有復合定位套的結(jié)構(gòu),將復合定位套外層橡膠套管材料更換為尼龍66；同時增加橡膠墊圈,橡膠墊圈下端為圓形結(jié)構(gòu),以提供復合定位套在垂向力作用下,橡膠變形所需要的壓縮空間；最后將原有復合定位套高度尺寸減小1 mm,以避免復合定位套在沒有受到任何岔枕螺栓扭矩時而與岔枕頂面相接觸,以利于充分發(fā)揮鐵墊板下彈性墊層的彈性。優(yōu)化后復合定位套斷面形式見圖3。

圖1 未優(yōu)化復合定位套(單位：mm)

圖2 復合定位套工作狀態(tài)

圖3 優(yōu)化后復合定位套(單位：mm)

本文采用有限元法計算優(yōu)化前后復合定位套橡膠套管和尼龍66套管的等效應力,橡膠套管和橡膠墊圈的最大垂向位移,以驗證優(yōu)化后復合定位套的合理性。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

在有限元分析中,常用Mooney材料來模擬橡膠的行為,Mooney形式對于天然橡膠和硫化橡膠,在相當大的范圍內(nèi)都給出了良好的近似。本文采用兩參數(shù)(C01、C10)Mooney-Rivilin超彈材料本構(gòu)模型及八節(jié)點六面體超彈單元hyper58模擬橡膠[1-3]。

鋼套管、尼龍66套管采用線彈性材料本構(gòu)模型及八節(jié)點六面體單元solid45模擬[1]。

2.2 材料參數(shù)

橡膠材料：楊氏模量為8 MPa,泊松比為0.49,密度為1 600 kg/m3,參數(shù)C01為0.879 6 MPa,C10為0.044 MPa。

其他金屬材料：楊氏模量為2.1×105MPa,泊松比為0.3,密度為7 800 kg/m3。

尼龍66：楊氏模量為9 GPa,泊松比為0.35,密度為1 140 kg/m3。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 優(yōu)化前后復合定位套強度比較分析

復合定位套主要應用于200 km/h客貨混用線路,分析計算時取最不利狀態(tài),貨車250 kN軸重,考慮速度效應及偏載效應[4],取軸重2倍的靜輪載作為豎向力；橫向力取豎向力0.25倍[5]。根據(jù)道岔鋪設的要求,岔枕螺栓扭矩為300 N·m,由此計算可得岔枕螺栓的豎向力為50 kN,取鐵墊板與橡膠墊板摩擦系數(shù)為0.5,則可計算出鐵墊板與橡膠墊板之間的摩擦力為25 kN。通過計算分別可得優(yōu)化前后復合定位套非金屬件最大等效應力值以及垂向位移值，見表1。

表1 復合定位套優(yōu)化前后非金屬件最大等效應力及垂向位移

由表1可知,復合定位套在未優(yōu)化前,橡膠套管在岔枕螺栓豎向力及列車橫向力的雙重作用下,其最大等效應力達到1.7 MPa,而其容許應力一般取為3 MPa,在長期使用過程中的疲勞容許應力為容許應力的40%左右,即疲勞容許應力為1.2 MPa。這樣,橡膠套管在長時間的豎向力及橫向力的作用下,將發(fā)生疲勞破損,這在工程應用中是不允許的；復合定位套在未優(yōu)化之前,橡膠套管的垂向最大位移為1.3 mm,而最初設計時并沒有考慮橡膠套管的豎向壓縮,只是簡單的將橡膠套管與岔枕基面相接觸,這也影響了道岔扣件系統(tǒng)各方位彈性接觸的效果。而優(yōu)化后的復合定位套,通過計算可知,尼龍66套管的最大等效應力為29.4 MPa,豎向最大位移為1.05 mm,尼龍66的屈服強度為118 MPa,疲勞強度為47.26 MPa?？梢钥闯?優(yōu)化后的尼龍?zhí)坠芸梢詽M足復合定位套的設計與使用要求；考察優(yōu)化后復合定位套橡膠墊圈,其最大等效應力為1.2 MPa,等于橡膠的疲勞容許應力,滿足橡膠墊圈的設計要求,同時橡膠墊圈的最大垂向位移為1.05 mm,在復合定位套高度減小1 mm后,因其兩者數(shù)值幾乎完全相同,因此優(yōu)化后的復合定位套完全可以滿足自身向下移動的空間。

3.2 摩擦系數(shù)對優(yōu)化后復合定位套強度的影響

摩擦系數(shù)決定著列車通過墊板作用在復合定位套上的橫向力大小,保持荷載、軌道系統(tǒng)各參數(shù)不變,僅改變鐵墊板與橡膠墊板摩擦系數(shù),考察復合定位套中的尼龍?zhí)坠芘c橡膠墊圈等效應力的變化規(guī)律,通過計算可得尼龍?zhí)坠芤约跋鹉z墊圈等效應力與摩擦系數(shù)關系如表2所示。

表2 摩擦系數(shù)與尼龍?zhí)坠芤约跋鹉z墊圈的等效應力關系

由表2可知,對于優(yōu)化后的復合定位套,尼龍?zhí)坠芩艿降牡刃?9.4 MPa,滿足其疲勞強度指標,并且等效應力不隨著摩擦系數(shù)的變化而變化；摩擦系數(shù)決定了列車通過鋼軌作用在復合定位套上的橫向力,隨著摩擦系數(shù)的增大,列車作用在復合定位套上的橫向力將減小,其應力也將減小,而通過有限元計算尼龍?zhí)坠艿牡刃]有發(fā)生變化,這說明橫向力增加對于尼龍?zhí)坠艿牡刃苄?可以忽略不計。橡膠墊圈的等效應力為1.2 MPa,等于其疲勞強度應力值,可滿足工程實際需求,而且摩擦系數(shù)對橡膠墊圈的等效應力沒有任何影響,對于設計橡膠墊圈時,可不考慮列車橫向力的影響,僅考慮岔枕螺栓豎向力的影響因素。

3.3 岔枕螺栓扭矩對優(yōu)化后復合定位套強度的影響

岔枕螺栓的扭矩直接決定著螺栓施加給橡膠墊圈與尼龍?zhí)坠茇Q向力的大小,現(xiàn)保持其他軌道參數(shù)與列車荷載作用大小不變,只改變岔枕螺栓扭矩的大小,考察優(yōu)化后的復合定位套尼龍?zhí)坠艿刃?、橡膠墊圈等效應力與岔枕螺栓扭矩之間的變化規(guī)律。

由表3可知,優(yōu)化后的復合定位套,尼龍?zhí)坠艿牡刃εc岔枕螺栓扭矩的關系不大,其等效應力最大變化值為0.5 MPa,而岔枕螺栓的扭矩變化量卻很大；岔枕螺栓的扭矩對橡膠墊圈的等效應力影響很小,橡膠墊圈的等效應力變化值為0.05 MPa,因此可以忽略不計；尼龍?zhí)坠芎拖鹉z墊圈的等效應力與岔枕螺栓的扭矩之間關系不大,主要是因為,復合定位套與岔枕面之間存在1 mm的空間,當在岔枕螺栓扭矩作用下,首先是橡膠墊圈受到垂向力而變形,當復合定位套向下垂直移動了1 mm后,此時,尼龍?zhí)坠芘c橡膠墊圈一起承受岔枕螺栓的垂向力,由于尼龍?zhí)坠艿膹椥暂^小,而不易變形。

表3 岔枕螺栓扭矩與尼龍?zhí)坠芤约跋鹉z墊圈的等效應力關系

因此,無論是尼龍?zhí)坠苓€是橡膠墊圈,此時的變形量基本保持不變,因而引起尼龍?zhí)坠芘c橡膠墊圈的等效應力基本不變。

4 運營實踐

優(yōu)化后的復合定位套已經(jīng)成功應用于泰國道岔的設計項目,根據(jù)現(xiàn)場試鋪以及使用的實際情況來看,采用以上所述優(yōu)化方案對復合定位套優(yōu)化后,一方面提高了復合定位套的使用壽命,保證了鐵墊板與岔枕之間的彈性接觸,另一方面,減小了道岔的養(yǎng)護維修工作。對此,泰方專家給予較高的評價。

5 結(jié)論

運用有限元法,比較了優(yōu)化前后復合定位套的強度,分析了優(yōu)化后復合定位套的等效應力隨摩擦系數(shù)、岔枕螺栓扭矩的變化規(guī)律,結(jié)果表明：

(1)優(yōu)化前復合定位套中的橡膠墊圈強度儲備不足,在疲勞荷載的作用下,橡膠墊圈將會發(fā)生疲勞破損；而優(yōu)化后的復合定位套,橡膠墊圈與尼龍?zhí)坠艿膹姸染鶟M足列車的運行需求；通過給復合定位套留有壓縮空間,實現(xiàn)了對墊板的豎向彈性緊固。

(2)摩擦系數(shù)對于優(yōu)化后復合定位套的等效應力無影響,因此,在設計橡膠墊圈時,只需要考慮岔枕螺栓扭矩的需求。

(3)岔枕螺栓扭矩對優(yōu)化后復合定位套的影響很小,可以忽略不計。

道岔已向著重載化、高速化的方向發(fā)展,復合定位套作為扣件系統(tǒng)中的一個重要零部件,起著至關重要的作用；而整個扣件系統(tǒng)包含有岔枕螺栓、軌距塊、軌下膠墊、彈條等等,設計整個扣件系統(tǒng),則要全面考慮盡可能多的影響因素。目前,復合定位套已大量應用于高速與重載道岔的研發(fā)生產(chǎn)當中,通過這幾年來的實踐運行,證明研發(fā)復合定位套是非常有意義的。因此,進一步優(yōu)化研究復合定位套的結(jié)構(gòu)和材質(zhì),對進一步提高扣件的使用性能將是十分有益的。

[1] 博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應用實例[M].北京：中國水利水電出版社,2004．

[2] 周長峰.橡膠緩沖器有限元分析[J].工藝裝備，2004，14(1)：39-42.

[3] 鄭明軍.壓縮狀態(tài)下橡膠件大變形有限元分析[J].北方交通大學學報,2001(1).

[4] 陳小平.高速道岔軌道剛度理論及應用研究[D].成都：西南交通大學,2008．

[5] 全順喜,王 平,張海洋.曲線上鋼軌橫向位移影響因素分析[J].鐵道建筑,2010(2).