客运专线60 kg/m钢轨18号道岔护轨垫板强度仿真

刘新成，姜世平

(1.中铁山桥集团有限公司，河北 山海关 066205;2.燕山大学，河北 秦皇岛 066004)

护轨垫板是轨下轨道结构中的重要部件之一，起传递和承受轮轨垂向和横向力及固定钢轨等作用，因此，护轨垫板承受的荷载较为复杂。列车侧向过岔时，由于道岔结构的不平顺等原因会产生剧烈振动，同时产生巨大轮轨垂向力和横向力，对护轨的冲击作用很明显，护轨垫板在列车高速过岔时承受较大的横向冲击力和垂向轮轨力，因此，有必要对护轨垫板的强度进行校验。国内外学者对护轨垫板结构优化设计和板下基础对护轨垫板强度的影响进行了研究和分析，并提出了改进建议［1-2］。本文利用ANSYS有限元分析软件对60 kg/m钢轨18号客运专线道岔护轨垫板强度进行了校验，并提出了结构改进建议。

1 轨垫板分析模型及计算参数

1.1 分析模型

图1为60 kg/m钢轨18号单开客运专线道岔护轨垫板力学模型图，模型将护轨垫板与其下面的硫化橡胶耦合为一体，橡胶层以下为水泥枕，可视为固定端;岔枕螺栓孔处装有岔枕螺栓埋于水泥枕中用来固定垫板，故两端岔枕螺栓孔也可视为固定端。列车过岔时轮缘对基本轨产生横向力或对护轨产生横向冲击力，但两力不可能同时存在，考虑轮对对护轨的冲击力对护轨垫板的影响更大，本文只分析轮载对护轨的冲击情况。护轨垫板承受的主要力包括:轮轨垂向力FV、横向冲击力 FC、岔枕螺栓预紧力 F1、弹条扣压力F2和T形螺栓上提力F3，各力均分布在相应部位。

1.2 计算参数

图1 护轨垫板力学模型

根据文献［3］，列车以时速350 km的速度侧向过岔时，最大垂向力为144.31 kN，最大轮轨横向力为48.76 kN，扣件垂向力为31.64 kN。由于列车侧向过岔时产生的最大轮轨垂向力应发生在心轨一侧，则护轨所承受的垂向轮轨力应小于最大垂向力144.31 kN。根据文献［4］中轴重为25 t时钢轨对垫板的竖向荷载为120 kN，本文分析的列车轴重为20 t，则垂向力取FV=96 kN，FC和F3取侧向过岔轮最大横向力和扣件最大垂向力，即FC=48.76 kN，F3=31.64 kN，则 F2=F3/2=15.82 kN。护轨垫板由材质为16Mn的底板和材质为ZG230-450的台板、撑板和铁座焊接而成，考虑16Mn的屈服强度大于 ZG230-450，整个模型以ZG230-450为材料进行检算，弹性模量取 E1=2.1×105MPa，泊松比取μ1=0.3;硫化橡胶弹性模量取E2=3.72 MPa，泊松比取 μ2=0.495。

2 护轨垫板有限元分析

2.1 有限元分析

图2是利用ANSYS有限元分析软件进行分析的有限元网格划分图。模型按图纸要求建立，在不影响受力分析的情况下进行了必要的简化，通过分析得到其综合变形和等效应力如图3和图4所示。

2.2 分析结果

图2 护轨垫板有限元网格划分

图3 护轨垫板综合位移云图(单位:mm)

图4 护轨垫板等效应力云图(单位:MPa)

表1 护轨垫板等效应力和位移

表1为侧向过岔时护轨垫板的位移和应力分析结果，从表1以及综合位移云图和等效应力云图可得出:侧向状态下，垫板位移均基本上在0.502～0.754 mm之间;橡胶位移大部分超过1.005 mm，最大位移为2.261 mm，在靠近垫板轨底坡铁座以下部位;垫板高应力区在台板压口根部、岔枕螺栓孔周边、铁座和撑板根部，岔枕螺栓孔周边、铁座和撑板根部的应力在147.055～171.557 MPa之间，最大应力发生在台板压口根部与底板焊接部位，其值为220.563 MPa，已接近材料的屈服强度230 MPa。

3 改进建议

根据上述分析，护轨垫板最大应力为220.563 MPa，已接近其屈服强度230 MPa，那么在护轨垫板持续承受最大应力时，垫板的疲劳寿命就会有所降低，图5为ZG230-450原始 S—N数据回归曲线［5］。从图5可知，当ZG230-450的强度为220.563 MPa时，其疲劳寿命约为1×106次，小于钢试件循环基数1×107次的疲劳寿命［6］。故应该对护轨垫板的结构进行优化或改用屈服强度较大的材料。由于焊接垫板的结构形式和焊接本身存在的残余应力，决定了台板压口与底板接触部位存在较为明显的应力集中现象，而焊接残余应力和残余应变是形成各种焊接裂纹的重要因素和造成热应变脆化的根源，碳钢件沿焊缝方向的残余拉应力一般会达到材料的屈服点［7］，因此采用焊接结构形式对保证护轨垫板的强度很不利。本文建议护轨垫板采用材料为 QT400-15的球墨铸铁整体铸造，图6(b)为优化前的结构，当护轨垫板受到较大的冲击时，该部位有被拉开的危险，若将该处结构改成图6(c)所示的具有圆弧过渡的结构(R值不宜过大)，则可有效避免应力集中现象，且铸造工艺容易达到该结构特点;除此之外，QT400-15的屈服强度是 250 MPa，比ZG230-450的屈服强度要高些，材料的强度也有所提高。因此，采用QT400-15整体铸造的护轨垫板可以提高其强度，有利于改善护轨垫板的结构和避免焊接产生的残余应力，以避免应力集中现象的发生，达到优化设计的目的。

图5 ZG230-450原始S—N数据回归曲线

图6 护轨垫板最大应力部位的结构优化

4 结论

护轨垫板在上述荷载条件下，能够满足强度要求，但最大应力已接近材料的屈服强度，建议采用材料为QT400-15的整体铸造护轨垫板，以便于优化其结构，提高材料的屈服强度。

［1］李粮余，黄立红，熊维.高速道岔护轨垫板设计研究［J］.四川建筑，2008，28(2):69-71.

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［6］白象忠.材料力学［M］.北京:科学出版社，2007.

［7］电机工程手册编辑委员会.机械工程手册(第二版)［M］.北京:机械工业出版社，1997:6-14.