重載鐵路加強型鋼軌接頭研究

徐玉坡

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京　100081)

鋼軌接頭是軌道的一個薄弱環(huán)節(jié)，容易遭受破壞,嚴重時可能發(fā)生行車事故。夾板作為鋼軌接頭的主要連接部件，其抗彎剛度最好與鋼軌的抗彎剛度相同，然而由于受到鋼軌形狀限制，一般情況下，一對夾板的抗彎剛度僅為鋼軌母材的23%～30%。重載鐵路的鋼軌接頭主要集中在車站和編組站，目前，重載鐵路最常用的是全斷面鋼軌接頭，其抗彎剛度也僅為鋼軌母材的30.7%。在實際應(yīng)用中，鋼軌接頭經(jīng)常出現(xiàn)軌頭剝離、鋼軌鞍形磨耗、軌頭壓潰和夾板斷裂等現(xiàn)象[1-4]。分析其原因，主要是由于夾板的抗彎剛度與鋼軌母材相差較大，列車經(jīng)過時接頭處容易發(fā)生橫向和垂向位移[5-6]。本文應(yīng)用三維制圖軟件PTC Creo和有限元分析軟件ANSYS Workbench及室內(nèi)試驗，進行30 t軸重重載鐵路加強型鋼軌接頭的研究。

1　加強型鋼軌接頭的設(shè)計

鋼軌接頭的抗彎剛度與夾板材料的彈性模量和夾板水平軸慣性矩成正比例關(guān)系。因此，為了提高鋼軌接頭的抗彎剛度，可以通過增大夾板材料的彈性模量和水平軸慣性矩的方式實現(xiàn)。目前夾板所用的不同鋼種的彈性模量相差很小，只能通過改變水平軸慣性矩的方式提高夾板的抗彎剛度[7]。全斷面鋼軌接頭組裝斷面圖如圖1所示。按照夾板的正常安裝和使用要求，夾板與扣件系統(tǒng)不能接觸，軌距擋塊與夾板底部，以及螺栓副與夾板之間都必須留有一定空間，這使得夾板的厚度受到限制，無法通過單純增加整個夾板厚度的方式增大夾板的抗彎剛度。列車經(jīng)過鋼軌接頭時，夾板中間部位的撓度最大，彎矩也最大。根據(jù)變截面梁的原理，增大彎矩較大處的截面，即增大夾板中間部分的截面積，可增強其抗彎剛度；另外考慮到夾板的加工成本、運輸和安裝便捷性等因素，本文提出重載鐵路加強型鋼軌接頭的夾板采用長夾板和加強板組合的方式。

圖1　全斷面鋼軌接頭組裝斷面圖

其設(shè)計要求是：適用于75 kg·m-1鋼軌，抗彎剛度不低于非接頭處鋼軌的80%。

1) 長夾板和加強板的長度

重載鐵路軌枕和扣件的布置情況如圖2所示，鋼軌接頭與Ⅲ型枕和彈條Ⅱ型扣件配合使用，軌枕間距L為600 mm，軌縫位于2根軌枕中間，允許鋼軌縱向位移40 mm。根據(jù)軌枕間距、鋼軌允許位移量和螺栓孔位置，確定長夾板長度為1 000 mm，加強板長度為500 mm。

圖2　鋼軌接頭布置示意圖

2) 長夾板和加強板的截面尺寸

出于運輸和安裝便捷性以及鋼軌接頭抗彎性能

的考慮，長夾板的厚度小于全斷面夾板的厚度，并去除長夾板與鋼軌軌腰接觸的部分，同時為了增加長夾板與加強板之間的摩阻力，將長夾板與加強板接觸的部分做凸臺設(shè)計，如圖3所示。

圖3　長夾板凸臺設(shè)計圖

鋼軌接頭的抗彎性能是設(shè)計的重點，但同時還要保證鋼軌接頭不能影響線路的正常養(yǎng)護維修，尤其是標準化機械作業(yè)，例如大機清篩和搗固，因此加強板的厚度受到限制，只能考慮在垂向上增加加強板的截面積。設(shè)計過程中，提出了3個方案，主要區(qū)別在于加強板下半部分的形狀，如圖4所示。

圖4　加強板的剖面圖設(shè)計方案對比圖

圖5　加強板尺寸優(yōu)化流程圖

圖6　加強型鋼軌接頭設(shè)計方案

加強型夾板的重量相比全斷面夾板增加了5.4%，抗彎性能提升了184%，加強型夾板的抗彎剛度約為非接頭處鋼軌的87.2%，滿足設(shè)計要求。

表1　加強型夾板與全斷面夾板的性能對比

2　鋼軌接頭仿真分析

列車通過鋼軌接頭時，鋼軌接頭的抗彎剛度越大，接頭處鋼軌的撓度越小，因此本節(jié)應(yīng)用三維制圖軟件PTC Creo和有限元分析軟件ANSYS Workbench 分析鋼軌撓度和夾板應(yīng)力分布。驗證加強型鋼軌接頭是否滿足設(shè)計要求。

2.1　仿真模型

應(yīng)用PTC Creo建立非接頭處鋼軌、全斷面鋼軌接頭和加強型鋼軌接頭的三維仿真模型，模型中鋼軌、夾板和螺栓的尺寸與實際應(yīng)用中的尺寸相同，模型所用鋼軌為75 kg·m-1鋼軌。

仿真模型均根據(jù)鋼軌焊接接頭靜載試驗的相關(guān)標準建立，支座間距為1 m，非接頭處鋼軌長度為1.2 m，全斷面鋼軌接頭和加強型鋼軌接頭均采用2根長度為0.6 m的75 kg·m-1鋼軌，接頭的軌縫寬度為6 mm，接頭軌縫位于2個支座的中間位置。夾板螺栓直徑為27 mm，鋼軌和夾板的螺栓孔直徑為33 mm。

三維仿真模型中鋼軌、夾板、螺栓和支座均采用20節(jié)點六面體單元(SOLID186)模擬。全斷面夾板與鋼軌之間、長夾板與鋼軌之間以及長夾板與加強板之間的接觸設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.2。螺栓頭和螺母與夾板側(cè)平面的接觸設(shè)置為綁定接觸，螺栓桿與鋼軌和夾板螺栓孔的接觸設(shè)置為無摩擦接觸，模型如圖7所示。

圖7　三維仿真模型

仿真模型按實際應(yīng)用設(shè)置邊界條件。模型中考慮螺栓扭矩的影響，模型中的螺栓和螺母不包含螺紋，螺栓擰緊扭矩通過對螺栓施加預(yù)緊力實現(xiàn)，螺栓預(yù)緊力PC由下式得到。

(1)

式中：PC為預(yù)緊力值，kN；TC為擰緊扭矩值，kN·m，根據(jù)高強度螺栓相關(guān)規(guī)定，取TC=1 300 N·m；d為螺栓公稱直徑，mm，d=27 mm；K為扭矩系數(shù)，取K=0.2。

因為摩擦接觸和無摩擦接觸均屬于非線性接觸，所以接觸算法選擇增強拉格朗日法(Augmen-

ted Lagrange)。

2.2　仿真結(jié)果

在模型的中部施加垂向載荷，分析載荷分別為50，100，150，200，250，300，350和400 kN時鋼軌接頭的變形與受力情況。

2.2.1鋼軌接頭撓度

仿真分析得到的模型中間處各鋼軌及夾板的撓度如表2和圖8。

表2　仿真分析鋼軌接頭撓度

圖8　模型中間處鋼軌和夾板的撓度

由仿真結(jié)果可知，全斷面鋼軌接頭和加強型鋼軌接頭的鋼軌撓度與荷載基本呈線性關(guān)系。當載荷為50 kN時，全斷面接頭的鋼軌撓度比非接頭處鋼軌的撓度大26.5%,加強型接頭的鋼軌撓度比非接頭處鋼軌的撓度大20.8%。隨著載荷的增大，當載荷不小于100 kN時，全斷面接頭的鋼軌撓度與非接頭處鋼軌的撓度比值也隨載荷的增大而逐漸增大，載荷為400 kN時比值為1.36；加強型接頭的鋼軌撓度與非接頭處鋼軌的撓度比值逐漸增大，載荷為400 kN時比值為1.18。無論是全斷面接頭，還是加強型接頭，接頭的夾板撓度均小于接頭的鋼軌撓度，夾板撓度約為鋼軌撓度的87%，加強板撓度約為長夾板撓度的95%。加強型鋼軌接頭的抗彎剛度為非接頭處鋼軌的87%。

2.2.2夾板應(yīng)力

圖9和圖10分別給出了仿真分析得到的加強型鋼軌接頭的長夾板和加強板的VonMises等效應(yīng)力分布。

圖9　長夾板的VonMises等效應(yīng)力分布

圖10　加強板的VonMises等效應(yīng)力分布

由圖9和圖10可見：鋼軌接頭由于受力而發(fā)生撓曲，長夾板中間的底部位置受到拉伸，最大應(yīng)力出現(xiàn)在該處，約為230 MPa。夾板中間的頂部和螺栓孔附近的VonMises等效應(yīng)力約為150 MPa；加強板最大的VonMises等效應(yīng)力位于兩端螺栓孔處，約為350 MPa，加強板中間部位的VonMises等效應(yīng)力約為100 MPa；螺栓孔處的應(yīng)力比加強板其他部位的應(yīng)力大，兩端螺栓孔的應(yīng)力比中間2個螺栓孔的應(yīng)力大，兩端螺栓孔處為加強板的薄弱部位。接頭夾板所用材質(zhì)通常為B7鋼或性能優(yōu)于B7鋼的其他鋼字，B7鋼的屈服強度一般不低于520 MPa，長夾板和加強板的強度均滿足設(shè)計要求。

3　室內(nèi)實物試驗

為進一步驗證接頭的抗彎性能和強度，試制了加強型鋼軌接頭，并進行了非接頭處鋼軌、全斷面鋼軌接頭和加強型鋼軌接頭的對比試驗。

3.1　試驗簡介

參照TB/T 1632.1—2014 《鋼軌焊接 第1部分：通用技術(shù)條件》標準，進行非接頭處鋼軌、全斷面鋼軌接頭和加強型鋼軌接頭的靜載試驗。

非接頭處鋼軌靜載試驗的試驗試件采用長度為1.2 m的標準75 kg·m-1鋼軌；全斷面鋼軌接頭靜載試驗的試驗試件由2根等長的0.6 m標準75 kg·m-1鋼軌和全斷面夾板組裝而成；加強型鋼軌接頭靜載試驗的試驗試件由2根等長的0.6 m標準75

kg·m-1鋼軌和加強型夾板組裝而成。

試驗設(shè)備主要包括數(shù)顯式液壓脈動試驗機、位移傳感器和電阻應(yīng)變片。數(shù)顯式液壓脈動試驗機用于施加載荷，位移傳感器用于測量鋼軌和夾板的撓度，電阻應(yīng)變片用于測量夾板的應(yīng)力。

試驗前先對試件進行預(yù)壓，預(yù)壓載荷為200 kN。靜載試驗過程中，實時測量加強板底面的應(yīng)力以及鋼軌和夾板的垂向位移。加強型鋼軌接頭的試驗情況如圖11所示。

圖11　加強型鋼軌接頭的室內(nèi)靜載試驗

3.2　試驗結(jié)果

靜載試驗結(jié)果見表3、圖12和圖13。

表3　靜載試驗鋼軌接頭撓度

圖12　試件中間位置鋼軌和夾板的撓度

圖13　加強板底面的應(yīng)力

由試驗結(jié)果可得出，全斷面鋼軌接頭的鋼軌撓度最大，加強型鋼軌接頭的鋼軌撓度與非接頭處鋼軌的撓度相當，加強型鋼軌接頭的抗彎性能優(yōu)于全斷面鋼軌接頭。全斷面鋼軌接頭和加強型鋼軌接頭的鋼軌和撓度以及夾板撓度與荷載基本呈線性關(guān)系。當載荷為50 kN時，非接頭處的鋼軌撓度要大于全斷面接頭的鋼軌撓度和加強型接頭的鋼軌撓度。隨著載荷的增大，當載荷不小于100 kN時，全斷面接頭的鋼軌撓度大于非接頭處的鋼軌撓度，并且全斷面接頭的鋼軌撓度與非接頭處的鋼軌撓度比值逐漸增大，比值最大為1.38，此時載荷為400 kN。加強型接頭的鋼軌撓度與非接頭處的鋼軌撓度比值并未隨著載荷的增大而增大，而是在0.94～1.01之間變化。無論是全斷面接頭還是加強型接頭，接頭的夾板撓度都小于接頭的鋼軌撓度，夾板撓度與鋼軌撓度的比值在0.94～0.97之間，長夾板撓度約為加強板撓度的96%。加強型鋼軌接頭的抗彎剛度與非接頭處鋼軌的抗彎剛度相當。加強板底面的應(yīng)力為134 MPa，小于夾板的屈服強度。

4　結(jié)　語

本文應(yīng)用三維制圖軟件PTC Creo和有限元分析軟件ANSYS Workbench對加強型鋼軌接頭的夾板進行設(shè)計。靜載試驗表明：當載荷為400 kN時，全斷面接頭的鋼軌撓度與加強型接頭的鋼軌撓度比值最大，為1.36，全斷面接頭鋼軌的撓度與非接頭處的鋼軌撓度比值在0.94～1.38之間，而加強型接頭的鋼軌撓度與非接頭處的鋼軌撓度比值在0.94～1.01之間，說明加強型鋼軌接頭的抗彎性能與非接頭處鋼軌相當，優(yōu)于全斷面鋼軌接頭。

經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，仿真得到的全斷面接頭鋼軌的撓度與非接頭處鋼軌的撓度比值大于靜載試驗結(jié)果；仿真得到的長夾板撓度比加強板撓度大，而靜載試驗得到的長夾板撓度比加強板撓度小。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是：靜載試驗中，夾板與鋼軌之間的實際摩擦系數(shù)大于仿真中用的值。靜載試驗加強板撓度比長夾板撓度大，可能是由于長夾板凸臺的制造公差，長夾板與加強板之間配合不好。

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