陳 嶸，王 平，李成輝

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

75 kg/m鋼軌12號(hào)重載道岔服役性能優(yōu)化分析＊

陳 嶸，王 平，李成輝

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

應(yīng)用有限元方法，針對(duì)尖軌側(cè)磨、間隔鐵處鋼軌壓潰、軌底坡設(shè)置的不同工況建立三維彈性輪軌接觸模型進(jìn)行輪軌接觸應(yīng)力計(jì)算分析，揭示了病害產(chǎn)生的主要機(jī)理，并提出改善重載道岔服役性能的優(yōu)化方案。結(jié)果表明:軸重大、輪軌作用力大、尖軌承載能力偏弱是重載鐵路道岔尖軌側(cè)磨嚴(yán)重的根本原因;間隔鐵處的軌道剛度偏大和間隔鐵與軌頭下顎緊密接觸對(duì)鋼軌彈性變形空間的限制是導(dǎo)致間隔鐵處鋼軌壓潰的重要原因;建議將重載鐵路道岔區(qū)的軌底坡調(diào)整為1/20。

重載道岔;尖軌側(cè)磨;鋼軌壓潰;軌底坡;服役性能

大軸重、高密度和大運(yùn)量是我國(guó)重載鐵路的三大特征(2010年大秦鐵路年運(yùn)量已突破4億噸)，在這種極其嚴(yán)峻的運(yùn)輸條件下，道岔部件的磨損遠(yuǎn)大于普通線路道岔。造成道岔部件損傷的原因是綜合性的，涉及到道岔平面線形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件材質(zhì)、制造工藝等諸多因素。目前，我國(guó)重載鐵路在用道岔主要為2種，一種是固定型道岔，轍叉為高錳鋼鑄造轍叉和合金鋼組合轍叉，另一種是可動(dòng)心軌道岔，轍叉為單肢彈性可彎結(jié)構(gòu)，其中固定型道岔占絕大部分［1］。隨著運(yùn)量逐年增長(zhǎng)，道岔使用過(guò)程中均出現(xiàn)了一些問(wèn)題，其中以下3個(gè)問(wèn)題比較突出:

(1)尖軌側(cè)磨嚴(yán)重，并伴有剝離掉塊現(xiàn)象:部分尖軌僅使用3個(gè)月就下道，一般為4～5個(gè)月。尖軌極易產(chǎn)生肥邊，打磨不及時(shí)會(huì)發(fā)生尖軌掉塊，甚至連續(xù)掉塊。直尖軌稍長(zhǎng)為9個(gè)月(運(yùn)量3億噸)，日常維護(hù)過(guò)程中，曾采取手工刷涂固體油，但效果不佳;

(2)鋼軌存在較為嚴(yán)重的垂磨和肥邊，一方面影響列車通過(guò)是的安全性和平穩(wěn)性，另一方面導(dǎo)致輪軌相互作用加劇，從而進(jìn)一步加快鋼軌垂磨和肥邊的發(fā)展，導(dǎo)致鋼軌的使用壽命降低，如圖1所示。

圖1 鋼軌垂磨和肥邊Fig.1 Vertical wear of rail

(3)在螺孔和間隔鐵位置普遍存在軌面不同程度的壓潰且垂磨不均，造成軌面極為不平順，影響列車運(yùn)行平穩(wěn)性，如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在鋼軌壓潰比較嚴(yán)重部位，間隔鐵與鋼軌軌頭下顎接觸緊密。

圖2 間隔鐵處軌頭壓潰及肥邊Fig.2 Rail crushing at spacer block

國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾對(duì)主要由輪軌接觸應(yīng)力導(dǎo)致的鋼軌損傷問(wèn)題進(jìn)行了大量研究［2－7］，但直接應(yīng)用于重載道岔服役性能優(yōu)化方面的成果并不多。鑒于此，為改善重載鐵路道岔服役性能，在此，通過(guò)輪軌接觸應(yīng)力分析，揭示這3種病害產(chǎn)生的主要機(jī)理，并提出延長(zhǎng)道岔使用壽命的工程解決方案。

1 輪軌接觸應(yīng)力計(jì)算的有限元法

計(jì)算輪軌局部接觸應(yīng)力，對(duì)于形狀規(guī)則且無(wú)摩擦力作用的簡(jiǎn)單接觸情況，赫茲理論提供了一種近似方法［2］，對(duì)于形狀不規(guī)則，受力復(fù)雜的一般情況，赫茲理論則顯得無(wú)能為力。

重載鐵路道岔的鋼軌磨損極為嚴(yán)重，磨損后的鋼軌輪廓變形較大，采用赫茲理論計(jì)算輪軌接觸應(yīng)力的準(zhǔn)確性有限，因此，對(duì)大秦線輪軌接觸應(yīng)力的計(jì)算，擬采用精度更好的三維接觸有限單元法。

對(duì)于三維接觸問(wèn)題，采用普通有限單元離散彈性體，彈性體之間的交界面則布置三維接觸單元，整個(gè)問(wèn)題的描述采用笛卡爾坐標(biāo)(x，y，z)、局部坐標(biāo)系(n，s，t)則用于描述接觸摩擦單元［4－6］。

1.1 接觸摩擦單元結(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力與結(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系

定義三維接觸單元如圖3所示，運(yùn)用虛位移原理，得到

式中:a和F分別為整體坐標(biāo)系中的增量結(jié)點(diǎn)位移向量和等效增量結(jié)點(diǎn)力向量;A和∑分別為局部坐標(biāo)系中的增量相對(duì)位移向量和增量接觸應(yīng)力向量。

引入插值函數(shù)矩陣N、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣C，得到三維接觸應(yīng)力與結(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系為:

圖3 局部坐標(biāo)系中的三維接觸單元Fig.3 Three－dimensional contact element in local coordinate system

1.2 接觸面約束條件

在三維接觸問(wèn)題中，接觸條件仍可以分為3類，即固定、滑動(dòng)和張開(kāi)。其中固定是指結(jié)點(diǎn)對(duì)閉合，無(wú)相對(duì)位移;滑動(dòng)指接觸面上總剪應(yīng)力超過(guò)允許剪應(yīng)力，結(jié)點(diǎn)對(duì)之間有相對(duì)位移，張開(kāi)指結(jié)點(diǎn)對(duì)產(chǎn)生裂縫。

對(duì)應(yīng)于上述不同的接觸狀態(tài)，接觸面上的位移和應(yīng)力應(yīng)滿足不同的連續(xù)條件和平衡條件，或稱約束條件。圖3所示的三維接觸元有8個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)，分別記為(1，9)，(2，10)，…，(8，16)，可將接觸單元的約束方程統(tǒng)一表示為:

1.3 三維接觸單元的等效剛度矩陣和等效荷載向量

將(2)、(4)兩式合并可得到

由此得到等效單元?jiǎng)偠染仃嚭偷刃ЫY(jié)點(diǎn)荷載向量為

2 尖軌側(cè)磨力學(xué)分析及改進(jìn)措施

鋼軌3種磨損(磨料磨損、粘著磨損和接觸疲勞磨損)的磨損量都與荷載的大小和鋼軌應(yīng)力大小成正比，要有效減緩鋼軌的磨損，應(yīng)盡可能減小作用在鋼軌上的荷載、降低輪軌接觸應(yīng)力［7］。因此，本文建立三維彈性輪軌接觸有限元模型(圖4)，輪軌接觸應(yīng)力分布見(jiàn)圖5。對(duì)表1所列工況下尖軌應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，以揭示車輛橫向荷載和尖軌頭部寬度對(duì)尖軌應(yīng)力水平的影響，為尖軌的減磨設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。表1中各工況均采用30 t軸重，動(dòng)輪載取為300 kN，A類工況保持尖軌頭部寬度為20 mm不變，橫向力取值變化，垂向力同時(shí)作用在基本軌和尖軌上;B類工況，保持尖軌橫向力為90 kN不變，尖軌頭部寬度取值變化，垂向力完全作用在尖軌上。

圖4 輪軌接觸有限元模型Fig.4 FEM model of wheel－ rail contact

圖5 輪軌接觸應(yīng)力分布Fig.5 Wheel－ rail contact stress distribution

表1 尖軌側(cè)磨力學(xué)計(jì)算工況Table 1 Calculation conditions of switch rail side wear

表2 不同工況下的尖軌最大接觸應(yīng)力Table 2 Maximum contact stress of switch rail under different conditions

由圖5和表2可知:

(1)隨著鋼軌橫向力的增大，尖軌上的輪軌接觸壓力增加，在保持300 kN垂向力作用下，每增加10 kN橫向力，尖軌上的最大接觸應(yīng)力約增大60 MPa。

(2)在相同荷載作用下，尖軌頂寬越大，其輪軌接觸應(yīng)力越小，當(dāng)尖軌頂寬從20 mm增大至50 mm時(shí)，其輪軌接觸應(yīng)力減小了1 054 MPa，表明增大尖軌頭部寬度，對(duì)降低輪軌接觸應(yīng)力的作用明顯。

(3)車輪與尖軌的接觸點(diǎn)易出現(xiàn)在工作邊與頂面的聯(lián)結(jié)圓弧處，由于圓弧半徑較小，輪軌接觸應(yīng)力集中，使尖軌側(cè)磨快速發(fā)展，最終導(dǎo)致尖軌剝離、掉塊。

從上述分析可知，導(dǎo)致尖軌側(cè)磨嚴(yán)重的根本原因是尖軌的接觸應(yīng)力過(guò)大，甚至超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度發(fā)生塑性流變，并且在輪載的反復(fù)碾壓下，出現(xiàn)磨損、剝離和掉塊現(xiàn)象，因此可從以下幾個(gè)方面著手減緩尖軌磨損速度:①改進(jìn)既有道岔的平面線型，增大導(dǎo)曲線半徑，以減小作用在尖軌上的橫向力;②對(duì)尖軌降低值進(jìn)行優(yōu)化，減緩道岔轉(zhuǎn)轍器部分的結(jié)構(gòu)不平順，降低列車過(guò)岔時(shí)的輪軌相互作用，減小作用在尖軌上的動(dòng)作用力;③對(duì)尖軌與基本軌的平面聯(lián)結(jié)型式進(jìn)行優(yōu)化，增大尖軌在刨切部分的粗壯度，提高尖軌的承載能力;④運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中，在條件許可情況下，可對(duì)尖軌涂油，以降低輪軌間的摩擦系數(shù)，減小輪軌間的摩擦力。

3 間隔鐵處鋼軌壓潰力學(xué)分析及改進(jìn)措施

為了明確螺栓孔和間隔鐵對(duì)鋼軌接觸應(yīng)力的影響，應(yīng)用三維接觸有限單元法建立鋼軌壓潰應(yīng)力計(jì)算模型對(duì)以下3種工況的輪軌接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算:無(wú)螺栓孔無(wú)間隔鐵、有螺栓孔無(wú)間隔鐵、有螺栓孔有間隔鐵(間隔鐵與軌頭下顎緊密接觸)。圖6為有螺栓孔無(wú)間隔鐵工況的鋼軌模型。

對(duì)比3種工況下的輪軌接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知:

(1)有螺栓孔時(shí)，輪軌最大接觸應(yīng)力為831.681 MPa，比無(wú)螺栓孔時(shí)增大 38.599 MPa，表明在軌腰開(kāi)孔后，對(duì)輪軌接觸應(yīng)力將產(chǎn)生不利影響。

(2)有螺栓孔有間隔鐵時(shí)，輪軌接觸應(yīng)力最大值為1 055 MPa，如圖7所示，比僅有螺栓孔時(shí)增大223.3 MPa，比無(wú)螺栓孔時(shí)增大 261.9 MPa。這表明，間隔鐵與軌頭下顎接觸使輪軌接觸應(yīng)力大幅增大，其原因可能有2個(gè)方面:一方面是間隔鐵聯(lián)結(jié)作用使鋼軌整體剛度增大，輪軌動(dòng)力相互作用加劇;另一方面是間隔鐵與軌頭下顎緊密接觸，限制了軌頭在荷載作用下的彈性變形空間，使其只能主要通過(guò)塑性變形的方式耗散能量。

圖7 鋼軌橫截面等效應(yīng)力分布Fig.7 Equivalent stress distribution of rail cross－ section

(3)有螺栓孔和間隔鐵時(shí)，輪軌最大接觸應(yīng)力為1 055 MPa，超過(guò)了鋼軌的安定極限 973.25 MPa，故鋼軌易產(chǎn)生屈服、塑性流動(dòng)，最終出現(xiàn)壓潰、肥邊現(xiàn)象。

因此，可將間隔鐵與軌頭下顎緊密接觸視為輪軌接觸應(yīng)力大幅增大的主因，采取2個(gè)措施進(jìn)行改進(jìn):①合理設(shè)置間隔鐵處扣件系統(tǒng)剛度，降低間隔鐵處的鋼軌整體剛度，使軌道剛度縱向均勻變化，以減緩輪軌相互作用;②改進(jìn)間隔鐵的結(jié)構(gòu)型式，使間隔鐵與軌頭下顎間留有足夠空隙，保證列車荷載作用下，鋼軌有足夠的彈性變形空間。

4 軌底坡對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響及其合理值

為比較不同軌底坡對(duì)輪軌接觸應(yīng)力的影響，分別對(duì)軌底坡為1/20和1/40時(shí)，不同輪對(duì)橫移量的輪軌接觸應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，表3中所有工況計(jì)算所采用的輪軌力相同(垂向力300 kN，橫向力90 kN)，輪軌間的摩擦系數(shù)均取為0.25。

從表3可看出:

(1)在相同荷載和輪對(duì)橫移量下，1/20軌底坡對(duì)應(yīng)的輪軌接觸應(yīng)力與1/40軌底坡的大致相當(dāng)，表明將軌底坡從1/40增加到1/20后，并不會(huì)引起輪軌接觸應(yīng)力的大幅增加。

(2)1/20軌底坡的最大輪軌接觸應(yīng)力位于軌頭中心線的外側(cè)，1/40軌底坡則位于軌頭中心線的內(nèi)側(cè)，可以預(yù)見(jiàn)，隨著列車荷載的反復(fù)作用，1/20軌底坡的磨耗和肥邊將主要出現(xiàn)在軌頭中心線外側(cè)，1/40軌底坡的磨耗和肥邊將主要出現(xiàn)在軌頭中心線內(nèi)側(cè)，鋼軌內(nèi)側(cè)出現(xiàn)肥邊后將產(chǎn)生軌距不平順，加劇輪軌相互作用，進(jìn)而加快鋼軌的磨損。

表3 不同橫移量時(shí)的輪軌接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 3 Maximum of wheel/rail contact stress under different wheelset traverse movement MPa

5 結(jié)論

(1)軸重大、輪軌作用力大、尖軌承載能力偏弱是重載鐵路道岔尖軌側(cè)磨嚴(yán)重的根本原因，應(yīng)采取措施減小轉(zhuǎn)轍器部分的輪軌相互作用，降低尖軌上的輪軌接觸應(yīng)力，提高尖軌的承載能力。

(2)間隔鐵處的軌道剛度偏大和間隔鐵與軌頭下顎緊密接觸對(duì)鋼軌彈性變形空間的限制是導(dǎo)致間隔鐵處鋼軌壓潰的重要原因，建議優(yōu)化間隔鐵處的扣件系統(tǒng)剛度和改善間隔鐵與鋼軌間的聯(lián)結(jié)方式，保證鋼軌的彈性變形空間。

(3)考慮到1/20軌底坡并不會(huì)大幅增加輪軌接觸應(yīng)力和其對(duì)鋼軌內(nèi)側(cè)肥邊的有利作用，宜將重載鐵路道岔區(qū)的軌底坡調(diào)整為1/20。

［1］鐵道部運(yùn)輸局基礎(chǔ)部，中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)工務(wù)委員會(huì)編.鐵道工務(wù) 第4冊(cè)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

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JING Xue-song，LIU Qi-yue.Tribology of wheel and rail［M］.Beijing:China Railway Publishing House，2004.

Optimization of service performance of No.12 heavy haul railway turnout with 75 kg/m rail

CHEN Rong，WANG Ping，LI Cheng-hui

(MOE Key Laboratory of High－speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Focusing on side wear of switch rail，rail crushing at spacer block，and different rail base slope，a three－dimensional elastic wheel/rail contact model is established by employing finite element method to calculate wheel/rail contact stress.This paper reveals the main reason for rail disease and presents the optimization schemes for improving heavy load service performance.The results show that:the root causes for serious wear of the switch rail are big axis load，big wheel/rail interaction force and its weak carrying capacity;the main reasons for rail crushing at the spacer block are big rail stiffness and restriction of rail elastic deformation space caused by close contact between the spacer block and rail head jaw;it is suggested that the rail base slope should be adjusted as 1/20.

heavy haul railway turnout;side wear of switch rail;rail crushing;rail base slope;service performance

U213.6

A

1672－7029(2011)06－0007－05

2011－10－10

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA11Z129);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( 51008256;51078320)

陳 嶸(1981－)，男，湖南衡陽(yáng)人，講師，博士，從事高速、重載鐵路及城市交通軌道結(jié)構(gòu)及軌道動(dòng)力學(xué)的研究