有軌電車扣件的軌距擋塊調(diào)高墊板強(qiáng)度分析

張 龍 慶

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

結(jié)合當(dāng)前的有軌電車設(shè)計(jì)情況[1-6]，開發(fā)一種新型不分開式有軌電車扣件，但在產(chǎn)品試驗(yàn)過程中，調(diào)高墊板和軌距擋塊會(huì)有不同程度的開裂出現(xiàn)。為優(yōu)化軌距擋塊和調(diào)高墊板尺寸，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，本文對(duì)有軌電車調(diào)高墊板和軌距擋塊接觸模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，得出了合理的調(diào)高墊板和軌距擋塊尺寸。

1 有軌電車扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)現(xiàn)代有軌電車的線路條件和最高速度80 km/h、最大軸重12.5 t運(yùn)營(yíng)條件要求，研發(fā)了適用于59R2或60R2槽型軌的有軌電車扣件。該扣件系統(tǒng)由彈條、螺栓、螺母、軌距擋板、橡膠墊板、預(yù)埋套管、調(diào)高墊板等組成，混凝土軌枕設(shè)置斜擋肩，為有螺栓扣件(見圖1)。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

為分析軌距擋塊和調(diào)高墊板在橫向力作用下的不同尺寸參數(shù)以及兩者在材料運(yùn)用上能否滿足結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度要求，首先利用建立了軌距擋塊、調(diào)高墊板的簡(jiǎn)化有限元模型，如圖2a)所示。在分析模型中，將調(diào)高墊板的側(cè)面進(jìn)行全約束，底面施加垂向約束；軌距擋塊側(cè)向施力面以及彈條支承面施加垂向約束。在軌距擋塊側(cè)面高度為20 mm以上施加橫向荷載，如圖2b)所示。

根據(jù)材料力學(xué)[2]對(duì)塑性材料的安全系數(shù)限值要求并綜合考慮各種因素取安全系數(shù)ns=1.3?？紤]軌距擋塊和調(diào)高墊板使用的材質(zhì)玻璃增強(qiáng)聚酰胺66和改性尼龍均為塑性材料，而材料力學(xué)中第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論是以出現(xiàn)塑性屈服或發(fā)生顯著的塑性變形作為失效標(biāo)志，因此適合塑性材料的判斷準(zhǔn)則。但由于第三強(qiáng)度理論不考慮第二主應(yīng)力的影響，計(jì)算結(jié)果偏于保守，第四強(qiáng)度理論同時(shí)考慮了三個(gè)方向的主應(yīng)力，更加符合實(shí)際。綜上所述，本次分析中采用第四強(qiáng)度理論開展軌距擋塊和調(diào)高墊板靜強(qiáng)度分析，并以第三強(qiáng)度理論作為兩者受力規(guī)律參考項(xiàng)。材質(zhì)方面，軌距擋板采用玻璃增強(qiáng)聚酰胺66，調(diào)高墊板采用改性尼龍。在接觸的摩擦系數(shù)方面，軌距擋塊、調(diào)高墊板之間取為0.35。材料參數(shù)如表1所示。

表1 有軌電車扣件調(diào)高墊板軌距擋塊材料特性

3 計(jì)算工況

采用以上有限元模型進(jìn)行靜力分析。分析中，在軌距擋塊側(cè)面施加的節(jié)點(diǎn)力大小以30 kN橫向力轉(zhuǎn)換計(jì)算得到，考慮軌距擋塊的寬度、調(diào)高墊板的寬度參數(shù)，表2為各種工況的對(duì)比分析。

表2 不同工況材料參數(shù)

4 結(jié)果分析

圖3～圖6給出了以上各種計(jì)算工況下，第三強(qiáng)度理論應(yīng)力和第四強(qiáng)度理論應(yīng)力變化曲線。

由圖3和圖4可知，隨著軌距擋塊寬度的增大，調(diào)高墊板和軌距擋塊的第三強(qiáng)度理論應(yīng)力和第四強(qiáng)度理論應(yīng)力均顯著減小。在設(shè)置的以上各軌距擋塊寬度工況下，軌距擋塊第三、第四強(qiáng)度理論應(yīng)力最大降幅達(dá)40 MPa；調(diào)高墊板第三、第四強(qiáng)度理論應(yīng)力最大降幅達(dá)2 MPa；另外，從圖4中還可以看出，當(dāng)軌距擋塊與調(diào)高墊板等寬度時(shí)，調(diào)高墊板的第三、第四強(qiáng)度理論應(yīng)力值均有所增大，表明兩者等寬度時(shí)，在調(diào)高墊板邊緣產(chǎn)生較大的應(yīng)力。在適當(dāng)增大兩者接觸面積的同時(shí)應(yīng)避免兩者寬度過于接近，以此來防止在軌距擋塊和調(diào)高墊板的接觸邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

由圖5和圖6可知，隨著軌距擋塊和調(diào)高墊板的寬度同時(shí)增大，調(diào)高墊板和軌距擋塊第三強(qiáng)度理論應(yīng)力強(qiáng)度和第四強(qiáng)度理論應(yīng)力均呈減小趨勢(shì)。在設(shè)置的以上各軌距擋塊和調(diào)高墊板寬度工況下，軌距擋塊第三、第四強(qiáng)度理論應(yīng)力最大降幅達(dá)23 MPa；調(diào)高墊板第三、第四強(qiáng)度理論應(yīng)力最大降幅達(dá)1.9 MPa。

從以上分析可以看出，增大軌距擋塊寬度使得軌距擋塊與調(diào)高墊板的接觸面積以及鋼軌與軌距擋塊的接觸面積，軌距擋塊和調(diào)高墊板受力明顯減??；增大擋塊和調(diào)高墊板寬度與增大軌距擋塊寬度同理。綜上所述，并結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選取軌距擋塊的寬度為115 mm，調(diào)高墊板的寬度為170 mm。

5 最優(yōu)工況強(qiáng)度校核

根據(jù)目前實(shí)際的軌距擋塊和調(diào)高墊板尺寸，即軌距擋塊寬115 mm，調(diào)高墊板寬170 mm，建立了軌距擋塊、調(diào)高墊板有限元模型，如圖7所示。以軌距擋塊與調(diào)高墊板接觸面是否開槽兩種工況分析，模型中各部件材料參數(shù)以及施加的約束同前，單個(gè)節(jié)點(diǎn)上的力大小為155 440 N，各節(jié)點(diǎn)施加力總和為30 kN。

軌距擋塊與調(diào)高墊板接觸部分開槽前后兩者的最大橫向位移、最大橫向應(yīng)力、第三強(qiáng)度理論應(yīng)力、第四強(qiáng)度理論應(yīng)力情況如表3所示。

表3 軌距擋塊與調(diào)高墊板接觸部分開槽前后靜力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從表3可以看出，在軌距擋塊與調(diào)高墊板接觸部分開槽后，軌距擋塊和調(diào)高墊板橫向位移、橫向應(yīng)力、第三強(qiáng)度理論應(yīng)力以及第四強(qiáng)度理論應(yīng)力均有所增加，但增幅不大。在設(shè)置以上兩種工況下，調(diào)高墊板第三強(qiáng)度理論應(yīng)力最大增幅為0.426 MPa，其第四強(qiáng)度理論應(yīng)力最大增幅為0.415 MPa。軌距擋塊第三強(qiáng)度理論應(yīng)力最大增幅為1.496 MPa，其第四強(qiáng)度理論應(yīng)力最大增幅為1.267 MPa。由此可見，軌距擋塊與調(diào)高墊板接觸部分開槽對(duì)兩者的第三、第四強(qiáng)度理論應(yīng)力影響均不大。

根據(jù)前面選取的安全系數(shù)ns=1.3以及材料參數(shù)表1中的軌距擋塊和調(diào)高墊板的屈服強(qiáng)度值，可分別得到兩者的許用應(yīng)力：

6 結(jié)語

1)隨著軌距擋塊寬度的增大，調(diào)高墊板和軌距擋塊的強(qiáng)度理論應(yīng)力均顯著減小，在設(shè)置的以上各工況下，軌距擋塊強(qiáng)度理論應(yīng)力最大降幅達(dá)40 MPa，調(diào)高墊板強(qiáng)度理論應(yīng)力最大降幅達(dá)2 MPa，當(dāng)軌距擋塊與調(diào)高墊板等寬度時(shí)，調(diào)高墊板的強(qiáng)度理論應(yīng)力值均有所增大，兩者等寬度時(shí)，在調(diào)高墊板邊緣產(chǎn)生較大的應(yīng)力；2)隨著軌距擋塊和調(diào)高墊板的寬度同時(shí)增大，調(diào)高墊板和軌距擋塊強(qiáng)度理論應(yīng)力強(qiáng)度和強(qiáng)度理論應(yīng)力均呈減小趨勢(shì)，在設(shè)置的以上各工況下，軌距擋塊強(qiáng)度理論應(yīng)力最大降幅達(dá)23 MPa，調(diào)高墊板強(qiáng)度理論應(yīng)力最大降幅達(dá)1.9 MPa；3)根據(jù)模擬實(shí)際調(diào)高墊板和軌距擋塊情況可知，選取的最優(yōu)工況下，軌距擋塊及調(diào)高墊板均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，軌距擋板和調(diào)高墊板的材料參數(shù)及尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)取值是合理可行的。