高速道岔尖轨矫直参数研究

时间：2024-07-28

周文

(中铁轨道系统集团有限公司，长沙 410100)

高速道岔作为高速铁路轨道的组成部分，需要很高的平顺性，以满足列车高速、平稳、安全运行［1］。高速道岔的精度要求十分严格，直线尖轨工作边及轨顶的直线度＜0.2 mm/m，全长直线度＜1.5 mm［2］。高速道岔尖轨经机加工、热处理后会产生一定的变形，直尖轨须进行矫直，曲尖轨矫直后还须顶弯成设计的线型。

国内外对钢轨矫直及尖轨矫直进行了一定的研究［3-4］，由于尖轨断面非对称，沿长度方向不断变化，且矫直前原始变形不一致，因此确定矫直参数比较困难。尖轨矫直采用三点压力矫直方法［5］，加载支距和加载量是尖轨矫直两个关键参数。本文采用有限单元法，以客运专线18号道岔直线尖轨为例，研究确定尖轨不同部位的矫直参数，为高速道岔尖轨矫直提供理论指导。

1 客运专线18号道岔尖轨断面特征

客运专线18号道岔平面线型采用R 1 100 m导曲线，全长69 m，尖轨采用60D40钢轨加工制造，长度为21.45 m。直线尖轨的断面设计如图1所示，轨头刨切段长度为10.962 m，轨底刨切段长度为11.792 m，轧制跟端长度为0.6 m。

图1 客运专线18号道岔尖轨断面刨切示意(单位:mm)

2 尖轨矫直支点压点组合

2.1 尖轨矫前变形分类

AT轨轧制生产过程中轧机的压下量不均、运输过程中外力的碰撞、冷却过程中温降不均及AT轨自重的作用等都会造成AT尖轨加工前的初始变形，AT轨机加工、热处理后也将发生一定的变形。尖轨轴线常见变形有单弯型、波浪型和空间曲线型，如图2所示。

图2 尖轨轴线常见变形

2.2 支点压点确定

尖轨矫直压点、支点组合与尖轨初始弯曲形态有关。对于图2(a)所示单弯型，压点应尽量选在初始弯曲变形最大点处，而支点则尽量对称分布于压点两侧，根据零件校直时的弯矩变化梯度和零件的初始弯曲变形梯度应尽可能一致的原则来调整加载支距［5］。尖轨前端矫直时加载支距要小，后端矫直时加载支距要大，但不能超过矫直机容许范围。

尖轨矫直前弯曲形状往往是复杂多变的，不是单一曲率弯曲，而是不同部分有不同的弯曲曲率，通常采用隔离法确定压点、支点。根据对尖轨的检测，将尖轨按曲率分成几个单独的单弧度初始弯曲单元，按以下两种组合方法确定压点、支点［6］:

1)逐一矫直法:根据零件弯曲情况和检测要求，为每一矫直截面提供固定的校直压点、支点组合。例如检测到尖轨某一段有三段不同曲率的弯曲变形，如图3所示。则尖轨的固定压点、支点组合为:压点1和支点1、支点2组合;压点2和支点2、支点3组合;压点3和支点3、支点4组合。

图3 逐一矫直法压点、支点组合

2)优先矫直法:先对最大初始弯曲所在的单个弧度进行矫直，然后经检测，再次考察整个轴的弯曲情况，找到新的最大初始弯曲所在单个弧度进行校直，逐步使整个轴的直线度达到设计要求。

两种方法各有优缺点，逐一矫直法简单方便，但由于压点、支点组合固定，不能有效排除校直点对相邻校直点的影响，有可能在某点校直过程中，破坏己有校直结果，校直整体效果可能不好，造成多次反复校直，使生产效率降低。优先矫直法的特点在于从整体角度考察矫直过程，为在矫直计算中综合考虑校直点对相邻校直点的影响提供了实现的基础。实践中两种方法交替使用，以达到最佳矫直效率。

3 加载量计算

加载量的确定与加载支距、尖轨的初始曲率及矫直部位有关，本文采用三维弹塑性有限单元方法计算加载量，计算给定加载支距、尖轨的初始曲率及矫直部位条件下的加载量。

3.1 高速道岔尖轨矫直计算模型

3.1.1 三维有限元模型

由于 AT尖轨断面复杂、变化大，而且没有对称性，故建立实体模型较合适，实体模型能仿真尖轨断面各点的力学性能。以客运专线18号道岔直线尖轨为例进行计算，取尖轨轨顶宽35 mm，断面前后各0.75 m部分建模，选择8节点实体单元建有限元计算模型，模型长度尺寸为1.5 m，在受力区进行网格加密处理，有限元计算模型如图4所示。

图4 尖轨矫直有限元计算模型

3.1.2 边界条件

将加载顶头与尖轨的作用简化为面荷载，不考虑它们之间的接触计算，在作用小面积内施加位移荷载，尖轨与支座接触面施加位移约束。

3.1.3 计算参数

材料弹性模量为 E=206 GPa，泊松比 ν=0.3，屈服强度 σ0.2=510 MPa，抗拉强度 σb=1 180 MPa。考虑材料的弹塑性非线性，采用多线性等向强化Von Mises屈服准则，材料应力—应变曲线如图5。加载方式如图6所示，l为加载支距，d为加载量，F为加载力。

3.2 尖轨矫直有限元计算实例

假定尖轨初始曲率半径R=250 m，取加载支距l=0.8 m、加载量 d=3.0 mm进行有限元仿真计算。尖轨矫直时线形变化如图7所示，从图中可以看出，尖轨在矫直荷载作用下产生反弯变形，卸载后回弹，并产生永久塑性变形。尖轨矫直后曲率减小，得到部分矫直。中间截面的轴向残余应力分布如图8所示，轨底为残余拉应力，轨头为残余压应力。

3.3 加载量计算

加载量的计算按以下步骤进行:①根据尖轨变形情况及尖轨几何特性建立有限元分析计算模型，定义材料参数及边界条件等。②输入加载量，并求解。③结果后处理。提取节点位移，拟合尖轨残余几何线形，由几何线形计算出尖轨残余曲率，并与设定值进行对比。若尖轨残余曲率绝对值小于设定值，则此加载量即为所求加载量;若尖轨残余曲率绝对值大于设定值，当残余曲率值为“－”时，表明尖轨矫直过量，则应减小加载量，当残余曲率值为“+”时，表明尖轨矫直不足，则应增大加载量。加载量的增量按由大到小的原则确定，按新的加载量重新计算，直至尖轨残余曲率绝对值小于设定值。

考虑尖轨初始曲率半径及加载支距的影响，本文计算了九种工况，如表1所列，并编写有限元计算程序进行计算。

图5 尖轨材料应力—应变曲线

图6 尖轨矫直加载方式

图7 尖轨矫直线型变化

图8 尖轨中间截面轴向残余应力分布(单位:Pa)

表1 计算工况 m

表2 加载量、残余曲率及轨底最大残余拉应力

客运专线道岔线直线度要求为0.2 mm/m，换算为曲率为0.001 6，因此矫直后的残余曲率应小于0.001 6。加载量计算结果如表2所列，从表1、表2可以得出，相同初始曲率半径下，加载支距越大，所需加载量也越大。相同加载支距下，初始曲率半径越大，所需加载量越小。尖轨初始曲率半径越大，矫直后轨底残余拉应力越小。