客运专线道岔AT钢轨选型的研究

图 1 有限元模型
在有限元模型中 , 钢轨采用实体单元建模 , 滑 床板对尖轨的竖向和侧向支承作用分别简化为竖向 和横向弹簧 。在轨底处基本轨对尖轨的支承作用增 强 ; 而在轨头部位 , 由于横向力作用使轨头外翻 , 基本轨对尖轨的支承作用减弱 。因此在尖轨的横向 采用了 2 种不同刚度的横向弹簧 。竖向和横向弹簧 的参数根据道岔动态试验结果选取如下 : 竖向支承 刚度在重载条件下为 421 5 kN ·mm - 1 、在高速条 件下为 30 kN ·mm - 1 ; 轨 底处 横 向 支 承 刚 度 为 200 kN ·mm - 1 ; 轨头处横向支承刚度为 25 kN · mm - 1 。
第 2 9 卷 , 第 3 期 中 国 铁 道 科 学 2 0 0 8 年 5 月 C H INA RA IL WA Y SCIENCE
Vol1 29 No1 3
May , 2008
文章编号 : 100124632 (2008) 0320063205
客运专线道岔 AT 钢轨选型的研究
法国的 60A 钢轨与基本轨无高差 , 道岔结构 处理独特 , 基本轨内侧无法设置扣件 , 不适于我国 铁路的运行条件 。日本用于高速铁路道岔的 70S 钢 轨 , 只适于和该国的 50 T 钢轨轨型匹配 , 不适于 和我国的 C HN60 钢轨匹配 ; 日本的 80S 钢轨虽适 于和我国的 C HN60 钢轨匹配 , 但两者高差仅为 15 mm , 无法设置弹性扣件来扣压基本轨 , 同样不能 用其制造我国客运专线道岔的尖轨和心轨 。
21 11 2 受力分析 在竖向力作用下轨底受拉 、轨头受压 , 在横向
力作用下尖轨外侧受拉 、内侧受压 , 因此在竖向力 和横向力的共同作用下轨底外侧出现最大拉应力 , 而内侧轨底应力由于竖向弯曲和横向弯曲的相互抵 消 , 处于较低的应力状态 。
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荷载类型
货车
竖向力 竖向力
+ 横向力
CHN60A T
232 165
Zul260
270 203
U IC60D
262 198
动车组
竖向力 + 横向力 竖向力
133 103
140 119
136 116
分析表 3 数据可得如下结论 。 (1) C HN60A T 尖轨的高度和截面积 、竖向抗
弯刚度和横向抗弯刚度均大于其他 2 种尖轨 , 在相 同的荷载和支承条件下 , C HN60A T 尖轨较其他 2 种尖轨的强度储备要高 。Zul260 尖轨较 60D 尖轨 矮 , 但 Zul260 尖轨轨腰较厚 , 二者在荷载作用下 的应力相差不大 , 60D 尖轨较 Zul260 尖轨的强度 储备略高 。
kN / ( kN ·mm - 1)
货车 250
70
动车组 140
50
421 5 301 0
横向支承刚度 / ( kN ·mm - 1)
轨底 轨头
200
25
200
25
2 3 种 A T 钢轨强度及转换分析
21 1 3 种 AT 钢轨制造的尖轨强度分析 21 11 1 计算模型及荷载工况
在尖轨断面逐渐变大的过程中 , 尖轨所承受的 列车作用力逐渐增大 , 在尖轨轨头顶宽 50 mm 断
我国客运专线 2 种大号码道岔侧向通过速度分 别为 160 及 220 km ·h - 1 。根据法 、德两国高速道 岔的应用经验 , 要求心轨必须采用双弹性肢结构 , 旨在消除短心轨跟端斜接头在高速行车条件下的不 稳定和不安全因素 。这就要求 A T 钢轨有合适的对 y 轴的惯性矩 , 以利于可动心轨的转换 。
以上准静态计算的参数取值与实际情况可能存 在差异 , 结果有待试验验证 , 但就当前保守的最不 利组合工况分析 , 3 种尖轨的强度均能满足运营要 求。 21 2 3 种 AT 尖轨转换分析 21 21 1 计算模型
(2) 3 种尖轨在最不利荷载组合情况下轨底最 大 Mises 应力分别为 232 , 270 和 262 M Pa , 均满 足 U75V 钢轨的强度要求 , 可满足 250 km ·h - 1 客 货共线 、350 km ·h - 1 客运专线的要求 。
针对转换牵引杆件设备拟安装在尖轨轨底的方 案 , 检算了尖轨轨底开孔后的尖轨 50 mm 处的强 度 , 选择了 孔中 心离轨 底边 不同 距离 ( 20 ～ 40 mm) 、不同孔径 (24～30 mm) 及其组合的多种工 况进行计算 , 结果表明轨底开孔会引起较大的应力 集中 。以尖轨 50 mm 处断面检算结果为例 , 要求 孔中心距轨底边缘 30 mm 以上 , 孔径小于 27 mm , 其他部位开孔也应进行检算 。
CHN60A T 104 82 24
2 539 901
60D 89 70 34
2 040 764
Zul260 93 73 42
1 728 744
11 1 CHN60 AT 钢轨 为满足我国既有线客货共线和重载需求研制出
的 CHN60A T 钢轨 , 在提速道岔和秦沈线道岔中 得到广泛应用 。长期运营实践证明 , 尖轨强度大 , 抗变形能力强 , 能适应重载铁路 ( 60 及 75 kg · m - 1 钢轨线路) 和提速线路的运营要求 , 是适合中 国既有铁路道岔的 A T 钢轨轨型 。但用于客运专线 道岔 , 存在以下问题 。
收稿日期 : 2007207203 ; 修订日期 : 2008201230 基金项目 : 铁道部科技研究开发计划项目 (2005 G034) 作者简介 : 王树国 (1974 —) , 男 , 山东冠县人 , 助理研究员 ,
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因此 , 我国客运专线道岔的 60A T 钢轨应该在 C HN60A T 钢轨 、Zul260 钢轨和 60D 钢轨中选择 。 本文基于以上 3 种 A T 钢轨制造的尖轨和心轨 (简 称 C HN60A T 尖轨和心轨 、Zul260 尖轨和心轨及 60D 尖轨和心轨) 的结构特点 、强度 、转换阻力及 不足位移等因素进行综合分析比选 。
1 3 种 A T 钢轨结构特点分析
A T 钢轨轨型的选择除了考虑与相应基本轨的
配合外 , 还要考虑其截面积 、惯性矩等参数 , 3 种
A T 钢轨的截面几何参数见表 1 。
表 1 3 种 AT 钢轨主要几何参数比较[ 3]
轨型 截面积/ cm2 单位重量/ ( kg ·m - 1) 与基本轨的高差/ mm 竖向惯性矩/ cm4 横向惯性矩/ cm4
关键词 : 客运专线道岔 ; A T 钢轨 ; 选型 中图分类号 : U2131 41 文献标识码 : A
道岔尖轨和可动心轨采用矮型特种断面钢轨 (简称 A T 钢轨) 加工 制造 。配 合 C HN60 钢轨 , A T 钢轨断面可有不同的选择 。我国既有线及秦沈 线道岔采用 C HN60A T 钢轨 。国外高速铁路道岔 采用的 A T 钢轨类型主要有法国的 60A , 60D ; 德 国的 Zul260 ; 日本的 70S 和 80S 等[1 ,2 ] 。
德国在高速道岔区将轨道刚度降低为 171 5～ 221 5 kN ·mm - 1 , 尖轨及可动心轨范围内的轨道 刚度甚至低达 101 5 kN ·mm - 1 , 这除了与无砟轨 道基础的要求有关外 , 还与延长尖轨弹性曲线范 围 、减小变形等目的有关 。而采用弹性滑床板 , 旨 在使基本轨和尖轨位于相对接近的弹性基础上 。
王树国 , 葛 晶
(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所 , 北京 100081)
摘 要 : 道岔尖轨和可动心轨用矮型特种断面钢轨 (简称 A T 钢轨) 加工制造 。配合 C HN60 钢轨 , A T 钢 轨断面可有不同的选择 。通过对国内外 A T 钢轨基本参数和使用情况的分析 , 依据道岔结构的要求 , 认为中国 客运专线道岔用 A T 钢轨应该在 C HN60A T 钢轨 、Zul260 钢轨和 60D 钢轨中选择 。对采用 3 种 A T 钢轨制造的 尖轨的结构特点 、强度 、转换阻力以及不足位移等因素进行综合比选分析 , 并结合其他方面的要求及相关的技 术标准 , 最终提出采用 60D 钢轨作为我国客运专线道岔 A T 钢轨的建议 。在胶济线胶州北站的综合试验结果表 明 : 采用 60D 钢轨制造的尖轨与 C HN60 钢轨的配合良好 , 转换阻力小于转辙机牵引力 , 且有较高的强度储备 。
(3) 钢轨截面积大 、不对称 , 导致残余应力 大 , 使用中出现的变形难以整治 。
(4) 在材质的均匀性 、机加工精度和表面淬火 等方面还存在问题 。 11 2 法国高速道岔的 60D 钢轨
法国目前大量使用 60D 钢轨制造道岔尖轨和 心轨 , 与 U IC60 钢 轨 的 高 差 为 30 mm ( 采 用 C HN60 基本轨时为 34 mm) 。他们用 60D 取代初 期使用的 60A , 使竖向惯性矩提高 17 % , 从而有 效地降低了对道床的破坏 , 减小了养护维修工作 量 , 同时妥善解决了长尖轨和可动心轨转换不足位 移的问题 (配合滑床台减磨 、采用滚轮等措施) 。 11 3 德国 Zul260 钢轨
(1) 与基本轨的高差不足 , 限制了滑床板基本 轨内侧扣压件的结构型式 , 采用弹片扣压的设计不 尽合理 , 使用中容易发生弹片塑性变形 、失效 、折 断等情况 。其原因除与弹片热处理工艺有关外 , 一 个重要的因素就是销钉和弹片受 60A T 钢轨和基本 轨高差的限制 , 难以实现更合理的设计 。国外 A T 钢轨与基本轨的高差一般都在 30 mm 以上 (俄罗
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中 国 铁 道 科 学 第 29 卷
斯的高差为 40 mm) , 便于选择更有效的扣压型 式 。瑞士 Schwihag 公司的弹性扣压件要求其最小 高差为 26 mm 。
(2) y 轴的惯性矩大 , 尖轨和心轨转换阻力 大 , 如果用其制造双肢弹性可弯心轨 , 更将增大转 换阻力 , 可能会使转换阻力超出转辙机的牵引力 。
在德国 , Zul260 钢轨不仅用来制造高速道岔的 尖轨和可动心轨 , 还大量应用于货车轴重 225 kN 的既有线道岔 。我国从奥地利引进的 16 组 60212 道岔尖轨和心轨就是使用 Zul260 钢轨制造的 , 该 型号道岔铺设于京津线万庄站 , 迄今通过总重已逾 6 亿 t , 未发生强度不足 、塑性变形等问题 。
计算荷载的确定考虑 25 t 轴重货车和 14 t 轴 重动车组 2 种工况 , 动载系数为 21 0 , 货车作用于 尖轨的横向力设为 7 t , 客车作用于尖轨的横向力 设为 5 t 。荷载工况和计算参数见表 2 。
表 2 尖轨强度分析荷载工况和计算参数
荷载 竖向力 横向力/ 竖向支承刚度
工况 / kN
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第 3 期 客运专线道岔 A T 钢轨选型的研究
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考虑到可能会出现仅有竖向力作用的工况 , 针
对仅有竖向力作用时的工况也进行了分析 , 3 种尖 轨轨底外侧在荷载作用下的 Mises 应力最大值见表
3。
表 3 3 种尖轨轨底外侧最大 Mises 应力 M Pa
面处承受所有的竖向力和横向力 。考虑到尖轨的荷 载分布情况 , 模型长度取自轨头顶宽 20 mm 断面 至 70 mm 断面处 , 荷载作用于轨头顶面 50 mm 断 面处 。根据尖轨断面的实际变化情况 , 分别针对 C HN60A T 钢轨 、Zul260 钢轨以及 60D 钢轨制造 的尖轨建立实体有限元分析模型[3] , 断面削弱方式 均采用中国 18 号道岔尖轨结构 , 有限元分析模型 如图 1 所示 。