重載道岔用預(yù)埋鐵座方案設(shè)計(jì)研究★

何雪峰　許有全　冉　磊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京　100055)

1　概述

為適應(yīng)我國(guó)重載鐵路發(fā)展需要，1996年在彈條Ⅲ型扣件科研成果的基礎(chǔ)上研制了預(yù)埋鐵座式扣件系統(tǒng)：軌枕上預(yù)埋鐵座、采用Ⅲ型彈條扣壓鐵墊板，預(yù)埋鐵座材料為黑心可鍛鑄鐵(kTH350-10),最小抗拉強(qiáng)度350 MPa；抗橫向水平力能力為靜態(tài)100 kN，動(dòng)態(tài)70 kN。該預(yù)埋鐵座扣件運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)：在軌枕上表面和預(yù)埋鐵座交界面附近，鐵座有開(kāi)裂現(xiàn)象。2000年設(shè)計(jì)對(duì)預(yù)埋鐵座材料進(jìn)行優(yōu)化，采用球墨鑄鐵(QT450-10)，最小抗拉強(qiáng)度為450 MPa。

2006年，泰國(guó)機(jī)場(chǎng)線道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了Ⅱ型彈條預(yù)埋鐵座式扣件系統(tǒng)；2007年，國(guó)鐵小半徑曲線采用了預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)，主要用于50 kg/m鋼軌、半徑為250 m～350 m的曲線地段。

從圖1,圖2對(duì)比可知，傳統(tǒng)螺釘緊固鐵墊板與岔枕聯(lián)結(jié)方式相比，采用預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)，能減少塑料套管失效、螺釘折斷等傷損問(wèn)題，具有抗橫向力能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)30 t軸重鐵路發(fā)展需要，重載道岔采用了預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)，并在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)和優(yōu)化，以延長(zhǎng)其使用壽命。

下面給出了三種預(yù)埋鐵座設(shè)計(jì)方案，從容許應(yīng)力、安全儲(chǔ)備等方面進(jìn)行了比選，以確定最終設(shè)計(jì)方案。

2　計(jì)算參數(shù)選取

貨車(chē)軸重30 t；動(dòng)輪載180 kN；預(yù)埋鐵座橫向力85 kN；預(yù)埋鐵座材質(zhì)：QT450-10(球墨鑄鐵)，屈服強(qiáng)度310 N/mm2，抗拉強(qiáng)度450 N/mm2。采用有限元法計(jì)算預(yù)埋鐵座受力，其中混凝土對(duì)鐵座的約束考慮為線性彈簧，自鐵座頂面向下建立坐標(biāo)系，如圖3所示。

3　計(jì)算結(jié)果分析

三種預(yù)埋鐵座方案如圖4～圖6所示。為降低鐵座預(yù)埋部分所受應(yīng)力、減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，在國(guó)鐵線路用預(yù)埋鐵座基礎(chǔ)上，方案一、方案二設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整了鐵座中預(yù)埋部分尺寸。

從圖7和表1中數(shù)據(jù)可以看出。國(guó)鐵線路用預(yù)埋鐵座在軌枕上表面所受拉應(yīng)力為142 MPa，最大拉應(yīng)力為226 MPa，出現(xiàn)在距鐵座頂部72 mm處，球墨鑄鐵的屈服強(qiáng)度為310 MPa，安全儲(chǔ)備系數(shù)為137%，在鐵座32 mm寬度處應(yīng)力集中明顯。

表1　三種預(yù)埋鐵座方案應(yīng)力比較

鐵座類(lèi)型岔枕表面應(yīng)力最大應(yīng)力應(yīng)力值/MPa安全系數(shù)應(yīng)力值/MPa應(yīng)力范圍/mm安全系數(shù)國(guó)鐵線路用1422.18226721.37結(jié)構(gòu)一26.911.5315868～1051.96結(jié)構(gòu)二26.911.5315468～1052.01

結(jié)構(gòu)一在軌枕上表面所受拉應(yīng)力為26.9 MPa，最大拉應(yīng)力為158 MPa，范圍是距離鐵座頂部68 mm～105 mm位置，最大拉應(yīng)力分布均勻，安全儲(chǔ)備系數(shù)196%。

結(jié)構(gòu)二在軌枕上表面所受拉應(yīng)力為26.9 MPa，最大拉應(yīng)力為154 MPa，范圍是距離鐵座頂部68 mm～105 mm位置，最大拉應(yīng)力分布均勻，安全儲(chǔ)備系數(shù)201%。

從三種方案數(shù)據(jù)比較可知，國(guó)鐵線路用預(yù)埋鐵座所受拉應(yīng)力較大，且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，方案一和方案二應(yīng)力集中不明顯，應(yīng)力峰值分布均勻，方案二所受應(yīng)力最小，安全系數(shù)最高，因此推薦重載道岔預(yù)埋鐵座采用結(jié)構(gòu)二形式。

4　預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)試驗(yàn)研究

按照預(yù)埋鐵座抗拔力試驗(yàn)方法，對(duì)岔枕預(yù)埋鐵座進(jìn)行了抗拔力試驗(yàn)，預(yù)埋鐵座抗拔力加載60 kN時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果合格，滿(mǎn)足重載岔枕技術(shù)條件要求，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)荷載加載到100 kN時(shí)，岔枕和鐵座無(wú)傷損，滿(mǎn)足使用要求。

預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)經(jīng)過(guò)室內(nèi)200萬(wàn)次組裝疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明：扣件系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生破裂損壞，疲勞試驗(yàn)結(jié)束后軌距擴(kuò)大量均值為1 mm，滿(mǎn)足重載道岔技術(shù)條件要求。

預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)通過(guò)抗拔力和組裝疲勞試驗(yàn)后，在我國(guó)第一條30 t軸重重載鐵路——山西中南部鐵路通道和張鐵路上道應(yīng)用，如圖8所示，從2014年年底開(kāi)通到現(xiàn)在，該扣件系統(tǒng)使用狀況良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鐵座開(kāi)裂、折斷等現(xiàn)象。

5　結(jié)語(yǔ)

為滿(mǎn)足30 t軸重重載道岔設(shè)計(jì)需要，提高扣件系統(tǒng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，采用了預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)，對(duì)三種預(yù)埋鐵座方案進(jìn)行了比選，主要結(jié)論如下：1)方案二在軌枕表面應(yīng)力和最大拉應(yīng)力方面都優(yōu)于其他兩個(gè)方案，安全儲(chǔ)備系數(shù)2.01，所受拉應(yīng)力遠(yuǎn)低于鐵座材料屈服強(qiáng)度310 N/mm2，推薦本方案為設(shè)計(jì)方案。2)預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)通過(guò)了上拔力和室內(nèi)組裝疲勞試驗(yàn)，滿(mǎn)足相應(yīng)技術(shù)條件要求。3)預(yù)埋鐵座扣件系統(tǒng)在山西中南部30 t軸重重載鐵路、張?zhí)畦F路線使用，效果良好。