重载铁路嵌入式组合高锰钢辙叉强度分析研究

李培刚，王 平，刘学毅

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031)

我国开始发展重载铁路已有近20年的历史［1]，固定型辙叉以其造价低、易更换、维修工作量小等优点，受到现场的好评，比较适应重载铁路养护维修的现状。对既有固定型锰钢辙叉的结构、材质、加工工艺进行优化，延长其使用寿命是重载道岔发展的方向。拼装式合金钢固定型辙叉在既有线使用良好，使用寿命高于固定型锰钢辙叉，可以考虑在重载线路小范围内试用［2]。

为解决辙叉使用寿命问题，某重载铁路拟在一些地段采用组合式固定型辙叉结构，这样可根据各部位的不同要求选择合适的材料和优化制造工艺。为提高心轨和翼轨的耐磨性，心轨和翼轨选用韧性高、耐磨性好的高锰钢或合金钢。翼轨与岔趾、心轨与岔尾采用75 kg/m标准轨拼接，从而可实现焊接或栓接连接的要求。匹配优化理论尖端到心轨宽60 mm断面辙叉垫层的刚度，降低车轮对该处的冲击应力。根据车轮踏面形状，优化轮轨关系，适当提高翼轨的高度，减少新车轮对心轨的冲击。

本文拟采用有限元分析方法，对某重载线路拟采用的75 kg/m钢轨12号嵌入式组合高锰钢辙叉进行受力分析，以确定其强度是否满足使用要求。

1 嵌入式组合高锰钢辙叉

图1(a)是为某重载铁路设计的75 kg/m钢轨12号嵌入式组合高锰钢辙叉三维效果图。心轨和翼轨为高锰钢整体铸造结构，采用公司成熟的爆炸预硬化技术实施硬化，预硬化硬度不低于390HB，二者通过间隔铁和连接螺栓等拼装成嵌入式组合辙叉，嵌入式辙叉叉心三维效果图如图1(b)所示，组装后典型的横截面如图1所示。心轨顶面宽度0～60 mm断面和理论尖端前100 mm到心轨顶面宽度60 mm断面处的翼轨轨顶质量为1级，其余轨顶为2级，轨墙和轨底为3级。翼轨与叉趾、心轨与叉尾采用牌号为PG4、轨顶表面硬度不小于390HB的75 kg/m标准轨拼接，使得心轨、翼轨、叉趾、叉跟轨顶硬度保持一致。

图1 嵌入式组合高锰钢辙叉示意

2 计算模型

嵌入式组合辙叉部件多，且形状不规则，为了能准确对其进行强度分析，根据有限元方法和变形协调原则，钢轨件(翼轨和心轨)、间隔铁和螺栓考虑为一个整体结构，建立了如图2所示的三维实体有限元计算模型。为简化模型节约计算资源，将实际轨道结构中通过扣件系统支撑在岔枕上的辙叉简化为支撑在弹性块上，并使弹性块的支撑刚度等效为岔枕的支撑刚度。模型中所有单元均采用10节点实体单元，该单元具有中间节点，能较好地适应比较复杂的模型并取得比较理想的计算结果。

图2 三维实体有限元计算模型

辙叉在趾端与导曲线钢轨联结，在跟端与基本轨联结，因此辙叉趾、跟端在空间位移均受到相邻钢轨的约束。因此，模型中将辙叉前后2个端面位移全部约束。同时，将支撑辙叉的弹性块底部的位移全部约束。图3为模型所施加的边界条件局部放大图。

图3 计算模型边界条件

3 计算工况及参数

本文以某线路运行的轴重250 kN货物列车为例获取计算荷载。列车运行过程中动轮载为静轮载的2～3倍，最不利情况下甚至可达4倍以上［3]。分析时考虑轮载的动力作用效应，分别计算以下3种工况条件下辙叉的受力状况。

(1)工况1:咽喉处翼轨同时受250 kN竖向力和100 kN横向力作用。

(2)工况2:叉心顶宽20 mm处同时受500 kN竖向力和100 kN横向力作用。

(3)工况3:靠翼轨端部的叉心同时受250 kN竖向力和100 kN横向力作用。

工况荷载作用位置示意如图4所示。

图4 荷载工况加载位置示意

计算中，钢轨件、间隔铁和螺栓的弹性模量均采用206 GPa，泊松比取0.3。叉心采用高锰钢，经水韧处理后高锰钢的屈服强度为440 MPa，伸长率不小于35%。翼轨采用牌号为PG4的75 kg/m标准轨，其屈服强度热轧钢轨为510 MPa，热处理钢轨为810 MPa。螺栓采用方头螺栓，其材料的屈服强度为700 MPa。间隔铁外形尺寸采用与标准75 kg/m轨匹配的型号，其材料的屈服强度为 550 MPa［4，5]。

图5 工况1荷载作用下钢轨件位移分布云图(单位:mm)

4 计算结果分析

图5为工况1荷载作用下钢轨件垂、横向位移分布云图，图6为工况2荷载作用下钢轨件等效应力分布云图，图7、图8分别为工况1作用下间隔铁螺栓等效应力和间隔铁等效应力分布云图。

由图5可以看出，当荷载作用在咽喉处翼轨上时，钢轨件的最大竖向位移为1.479 mm，位于荷载作用位置，最大竖向位移均分布范围较广，约为2跨轨枕间距。最大横向位移为1.29 mm，位于荷载作用位置。钢轨件的横向位移比竖向位移小，主要是由于作用的横向荷载(100 kN)小于作用的竖向荷载(250 kN)。

图6 工况2荷载作用下钢轨件等效应力分布云图(单位:MPa)

由图6(a)可以看出，在工况2荷载作用下，应力分布约占4跨轨枕间距，钢轨件的最大等效应力为349.702 MPa，小于高锰钢的屈服应力440 MPa，表明在该处具有较大的强度储备。从图6(b)可以看出，最大等效应力出现在荷载作用处截面的上边缘，心轨尖端上部分布范围内大部分地方的应力水平都在200 MPa左右。

由图7(a)可以看出，在工况1荷载作用下，咽喉区左端间隔铁螺栓最大等效应力为488.253 MPa，小于其屈服强度700 MPa。从图7(b)可以看出，最大等效应力发生在与翼轨接触的部位，下部应力大于上部应力，外部应力大于内部应力，这主要是因为在荷载作用下螺栓本身要弯曲产生的应力和因与翼轨接触增大了接触部位应力集中而造成的。

图7 工况1荷载作用下咽喉区左侧间隔铁螺栓等效应力分布(单位:MPa)

由图8可以看出，工况1荷载作用下，咽喉区左端间隔铁最大等效应力为245.581 MPa，小于其屈服强度550 MPa。由图8(b)可以看出，较大的等效应力主要发生在间隔铁两侧与螺栓接触的部位。

图8 工况1荷载作用下间隔铁截面等效应力分布(单位:MPa)

工况1、工况3钢轨件等效应力分布规律和工况2类似，在荷载作用位置的上边缘以及与螺栓接触位置较大。工况2和工况3的垂横向位移、螺栓和间隔铁等效应力的大小和分布规律也和工况1类似。限于篇幅原因本文不再一一列出其余工况的相关分析项目分布云图，各种工况作用下钢轨件的最大垂横向位移以及钢轨件、螺栓和间隔铁的最大等效应力列于表1所示。

表1 各种工况下辙叉各部件变形和受力最大值

从表1可以看出，钢轨件竖向位移工况2最大，横向位移工况1最大;钢轨件等效应力工况1小于翼轨的屈服强度510 MPa，工况2、工况3均小于高锰钢的屈服强度440 MPa;螺栓等效应力均小于其屈服强度700 MPa;间隔铁等效应力工况1、工况3均小于其屈服强度550 MPa，工况2中间隔铁位置离荷载作用位置较远，其受力可忽略不计。

5 结论及建议

根据有限元方法和位移协调原则，对重载铁路75 kg/m钢轨12号嵌入式组合高锰钢辙叉的强度进行分析研究，得出了如下结论及建议。

(1)计算所选的3种工况荷载作用位置均为辙叉的薄弱环节，并且在计算中考虑了轮载的动力效应。结果表明:在所选的3个位置辙叉的竖向位移均在2 mm以内，横向位移除荷载作用在咽喉处翼轨外均在1 mm以内;钢轨件、螺栓、间隔铁的等效应力均小于对应的屈服强度，满足强度要求。

(2)螺栓与钢轨件或间隔铁之间有一定的应力集中，建议在道岔的实际生产过程中采取一定的措施避免或减小应力的集中，尤其是咽喉区附近。

(3)本文仅从静力强度对辙叉受力进行了研究，今后还应该对其进行动力分析和疲劳强度研究，为延长辙叉使用寿命提供理论指导。

［1]裴 颖，孙中正，陈彦芬.高速、重载铁路的发展动态［J].铁道建筑技术，1994(2):35-41.

［2]赵洪雁.大秦线重载铁路道岔技术指标探讨［J].铁道建筑，2010(4):89-91.

［3]陈小平，王 平.铁路道岔合金钢组合辙叉联结螺栓强度分析［J].铁道建筑，2010(3):89-92.

［4]张银花，陈朝阳，周清跃.钢轨屈服强度指标取值研究［J].铁道建筑，2006(3):92-94.

［5]铁道部第三设计院.道岔设计手册［M].北京:人民铁道出版社，1975.