铁路道岔合金钢组合辙叉联结螺栓强度分析.pdf

铁道建筑
2010年第3期
Railway Engineering
文章编号:1003-1995(2010)03-0089-04
铁路道岔合金钢组合辙叉联结螺栓强度分析
陈小平,王平
(西南交通大学土木工程学院,成都610031)
摘要:通过车辆一道盆耦合动力学求出最不利轮轨作用力后,运用接触非线性有限元法,分析了我国客
运专线到发线上采用的60kg/m钢轨18号合金钢组合撤叉道岔联结螺栓的强度。結果表明:联结螺栓
扭矩在500N?m及以上时,螺栓的最大应力小于屈服强度940MPa;联结螺栓扭矩在1000N?m及以
上时,钢轨的垂向变形在2mm以下;为保证螺检强度和钢轨变形合理,运营中应将联结螺栓的扭矩保
持在1000N?m及以上。
关键词:道盆合金钢轍叉螺栓强度
中图分类号:U216.32文献标识码:A
我国铁路自20世纪60年代以来,开始大量采用的使用寿命。
高锰钢整铸辙叉,其优点是具有良好的冲击韧性,经初
相对高锰钢整铸辙又,合金钢组合辙叉结构松散
期磨耗后,硬度有较大提高,能较好适应时速200km零部件多、需要螺栓的可靠联结保证结构的稳定性
及以下的铁路线路。其缺点是高锰钢整锛辙叉体积为保证合金钢组合辙叉的稳定性,联结螺栓需要保持
大,铸造时内部容易产生缺陷,在列车荷载的反复作用较高的扭矩,并在列车荷载的作用下不发生屈服、破
下易出现裂纹,致使辙叉磨耗未到限而提前破损,影响坏。可见,螺栓的强度对合金钢组合辙又的长期有效
其使用寿命。到目前为止,我国高锰钢整铸辙叉的平使用起到关键作用,应确保其满足使用要求。本文拟
均使用寿命提高到近10000万t通过总重,有一定数运用接触非线性有限元法,对我国客运专线到发线上
量的高錳钢整铸辙叉的使用寿命还达到了12000万采用的60kg/m钢轨18号道岔合金钢组歡义联结螺
通过总重,但由于结构特殊性,其使用寿命具有较大的栓进行受力分析,以确定其强度是否能满足使用要求
离散性2。我国铁路正大力发展跨区间尤缝线路技
术,高锰钢整铸辙乂与普通高碳钢在现场无法焊接,而
合金钢辙又的结构及最不利联结螺栓
在厂内焊接造价高,成为了高锰钢整铸辙乂的技术障
我国60kg/n钢轨18号道岔合金钢组辙叉结构
得。近年来发展的合金钢组合辙叉能克服高锰钢如图1所示。心轨实际尖端开始位置为91'岔枕处,翼
整铸辙叉内部质量差、现场不易焊接等技术弱点,同时轨结東位置为96“和97“岔枕间,辙叉的轮缘槽宽度为
还可以大幅度提高材料的硬度和耐磨性能,延长辙又
合金钢心轨
联结螺栓
图1组合辙乂结构
合金钢组合辙又在91“~97”岔枕间共有10颗螺
收稿日期:2009-12-19;修回日期:2010-01-20
栓联结,联结螺栓的分布特点是岔枕号码越大,螺栓的
基金项目:西南交通大学科学研究基金项目(2009A007)。
长度越长。所有联结螺栓均为10.9级的M27螺栓,
作者简介:陈小平(1978-),男,福建邵武人,讲师,博士。
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March 20
其制造技术条件满足《TB/T2347-93钢轨用高强度接
头螺栓和螺母》,螺栓的屈服强度为940MPa,极限抗
拉强度为1040MPa,洛氏硬度HRC34~HIRC41。轨腰
上的所有螺栓孔径为33mm,正常情况下螺栓安装后,
螺栓与钢轨螺栓孔径的间隙为3mm
相同螺栓扭矩下,螺栓的长度越长,联结的零部件
越多,螺栓的受力状态越不利。根据这一原则,可判定
整个合金钢组合辙又最不利的螺栓受力位置应为96
97”岔枕间,该处的组裝结构如图2所示。本文将以
图3间隔铁有限元模型局部
96"-97"岔枕间的螺栓为对象,对其进行强度分析,以
确定我国60kg/m钢轨18号道岔合金钢组合轍叉的
联结螺栓强度是否能满足使用要求。
图2最不利螺栓位置(96~97"岔枕间)
图4螺栓有限元模型
计算模型及求解方法
对式(1)釆用稀疏矩阵直接求解法求解,进而根
图2中的螺栓长度约500mm,将两根翼轨和心轨据形函数和单元的应变矩阵解算出各种工况下模型的
通过间隔铁联结在一起,在螺栓扭矩足够情况下,钢轨
应力和应变,就可分析结构的受力和变形。
与间隔铁在接触面上协调变形,形成一个整体受力体
系。根据变形协调原则,对螺栓进行强度分析时,可将3计算参数及工况
翼轨、心轨和间隔铁视为一个整体结构,建立图3所示
计算中钢轨件、间隔铁、螺栓的弹性模量均采用
的三维实体有限元模型分析其受力和变形,螺栓则采
206GPa,泊松比0.3,钢轨件的屈服强度不小于880
用图4所示的有限元模型来模拟。图3和图4模型中MPa,螺栓的屈服强度为940MPa
的单元为20节点的等参数三维实体单元,由于20节
作用在钢轨上的轮载采用车辆一道岔耦合动力学
点的等参数三维实体单元具有中间节点,所以能很好
计算,具体方法见文献[4]。计算中,车辆参数根据25
地模拟整个结构的受力和变形,从而保证足够的精度。
轴重货车取值,道岔参数根据我国60kg/m钢轨18
图3和图4中的模型通过接触非线性单元建立的相互
号合金钢组合叉道岔取值,过岔速度为120km/h。
作用,所建立的接触对以钢轨、间隔铁的孔周为目标
计算结果为道岔结构不平顺的激励下,作用在钢轨上
面,螺栓的圆周表明为接触面,采用面与面接触算法求
的最大动轮载为234.78kN。考虑到实际运营过程中
解二者间的接触压力。螺栓扭矩不足,翼轨、心轨和间
道岔几何不平顺对轮轨动力作用的不利影响,计算中
隔铁无法协同变形时,强度分析可分别建立不同部件
的三维实体有限元模型,然后通过接触非线性单元建以250kN的动轮载检算组合橄叉联结螺栓的强度。
立部件之间的相互作用,最后进行整个结构的受力和
螺栓的扭矩不仅直接影响螺栓所受的拉应力,还
影响结构联结的可靠性和稳定性,螺栓扭矩过低,翼
变形分析。
轨、心轨和间隔铁三者成松散状态,不能形成一个整体
对图3和图4中的有限元模型进行节点统一编
号,然后根据20节点等参数三维实体单元的刚度矩阵
框架受力体系,作用在心轨上的轮轨力就无法通过向
K]°,按对号入座法则建立整个模型的总刚度矩阵
隔铁传至翼轨上,造成轮轨力主要由心轨承受。因此
本文分析联结螺栓扭矩从500N?m以100N?m的幅
[K],将边界条件引人{U1,荷载条件引人列阵{P},
并补充钢轨件与螺栓间的接触条件,即可得釗模型的
度增至1100N·m时,螺栓受力状态的变化情况,以确
定螺栓扭矩对整个结构受力的影响。设计的螺栓扭矩
静力平衡方程
在正常使用状态下的扭矩为1000N?m。表1中不同扭
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