地铁道岔间隔铁式活接头螺栓强度及疲劳分析
摘要:基于有限单元法,分析了地铁9号单开道岔间隔铁式活接头螺栓在线路状态良好和恶化时的强度和疲劳性能。分析结果表明,当线路状态恶化时,活接头螺栓的最大等效应力比状态良好时增大60 9MPa,接头螺栓的疲劳使用寿命也从状态良好时的4年降至恶化时的11个月左右。（参考《www.jianzhu518.com》）
关键词:活接头 道岔 强度 疲劳 有限元
地铁线路上,由于列车运行速度不高,普遍选用9号单开道岔作为主型道岔,这样既满足了铁路运营的需要又节省了工程投资费用。地铁9号道岔的结构形式一般为6.45m直线尖轨,尖轨尖端为藏尖式,跟端采用间隔铁式活接头联结(如图1所示),高锰钢固定辙岔,转辙器设置一个牵引点,导曲线半径为180m;并采用弹性扣件,不设轨底坡。
尖轨跟端采用间隔铁式活接头,尖轨与导曲线钢轨联结处存在轨缝,从而引起剧烈的轮轨相互作用,导致间隔铁及其螺栓应力水平增加。特别在线路状态不良的时候,轮轨相互间的动力作用将显著加剧。由于活接头的结构形式较为复杂,导致其在列车荷载作用下的受力状况极为复杂,本文拟采用三维实体有限元法对其强度和疲劳进行分析,以指导养护维修。
1 计算方法
1.1 模型和参数
在列车动载作用下,间隔铁式活接头的受力状态为弯曲、剪切和拉伸的组合形式,一般的单元难以准确模拟其受力和变形。而有限元法中的20节点等参数三维实体单元,是具有中间节点的高次单元,能对复杂结构的受力行为进行良好的模拟。故本文分析时,采用20节点等参数实体单元建立活接头的三维有限元模型,如图2所示。
另外,道岔钢轨下有弹性橡胶垫板,分析中若采用直接约束钢轨底面的位移,则人为阻碍了钢轨变形的泊松效应,使其脱离实际情况。故分析中,采用线性弹簧单元来模拟扣件系统对钢轨的弹性支承。
道岔钢轨采用PD3钢轨,其轨头顶面全长淬火,材料的屈服强度为1300MPa。双头螺栓材料为Q275,其屈服强度为275MPa。计算时钢材的弹性模量取为2.06×105MPa,泊松比为0.3。扣件节点刚度为60kN/mm。
1.2 边界条件
活接头承受了车轮传来的垂向荷载、横向荷载和扳动力矩。双头螺栓承受了自身预紧力的作用。其中车轮垂向荷载假定均布在轮轨接触斑上,横向水平荷载作用在车轮轮缘与轨头侧面的接触位置。
由于活接头处存在钢轨接头,列车通过时产生剧烈的轮轨相互作用。当接头状态良好,轨缝大小合适,无错牙、低接头等病害时,接头处的轮轨冲击荷载约为车轮静载的2倍;当接头状态不良,出现大轨缝、低接头等病害时,接头处的轮轨冲击荷载急剧增大,可达静轮载的3倍左右。这样,对于16t轴重的车辆,当接头状态良好时,接头处的垂向动荷载为160kN左右,当接头病害严重时,接头处的垂向动荷载为240kN左右。
根据道岔扳动力计算结果,9号道岔活接头承受的最大扳动力矩可达14.375kN·m。根据道岔区轮轨系统空间耦合振动分析的计算结果,列车通过转辙器跟部时,横向冲击荷载最大可达50kN。由于只截取了部分钢轨作为计算模型,因此分析中钢轨端部各个方向的位移均受到了相邻钢轨的约束。根据上述分析,接头状态良好与恶化时的荷载条件如表1所示。
2 强度分析
图3和图4分别为接头状态良好和恶化时的计算结果,从中可看出:接头状态良好和恶化时螺栓的应力分布规律是相似的。最大等效应力出现在三个区域:一个是轨头和轨腰的连接区域;另一个是距垂向荷载作用点最近的那颗螺栓,该螺栓位于轨撑上(图3中从右往左第二颗螺栓);另一个就是轨撑。
五颗螺栓中,轨撑上的两颗螺栓的应力水平较高,其余三颗螺栓的应力水平较低,并处于同一水平,大约为最大等效应力的44%左右。螺栓上、下缘应力较螺栓的其余部位要大,表明在螺栓下缘与轨撑接触位置,螺栓受到明显的挤压和剪切作用。
轨撑的整体应力水平较高,特别在最大应力的螺栓和轨缝间,形成一个应力水平很高的带状区域。
相比螺栓应力,间隔铁的应力要小得多,其中间区域的等效应力均在最大等效应力的15%以下。在间隔铁端部与钢轨接触的位置,应力水平较高,约为最大应力的22%左右。
3 疲劳分析
3.1疲劳累计损伤准则
所谓损伤,是指在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和发展。当材料承受高于疲劳极限应力时,每一个荷载循环都使材料产生一定的损伤,并且这种损伤是可以累计的。
对活接头进行分析,采用工程上广泛应用的Miner线性累计损伤法则。该法则假设结构吸收的能量达到某一极限时将产生疲劳破坏。从这一假设出发,如破坏前可吸收的能量极限值为W,结构破坏前的总循环数为N,在某一循环数n1时结构吸收的能量为W1,则由于结构吸收的能量与其循环数间存在着正比关系,因此有式(1):
这样,若结构的加载历史由σ1,σ2,…,σl这样的l个不同的应力水平构成,各应力水平下的疲劳寿命依次为N1,N2,…,Nl,各应力水平的循环次数依次为n1,n2,…,nl,则疲劳损伤D的描述见(2)式:
当D=1时,表示结构吸收的能量达到极限值W,结构发生疲劳破坏。
3.2 疲劳计算参数
根据前面的强度分析,列车通过活接头时,当接头状态良好,螺栓的最大等效应力为145.7MPa,当接头病害严重,螺栓的最大等效应力为206.6MPa。双头螺栓拉力按20kN考虑,则无列车荷载通过时,螺栓的最大等效应力为34.95MPa。随着列车的反复通过,状态良好的活接头,其螺栓的应力在34.95～145.70MPa间交替变化;病害严重的活接头,其螺栓应力在34.95～206.60MPa间交替变化。可见,两种应力循环都是非对称的。
轨撑的立墙厚度只有15mm,这样螺栓与轨撑等的接触面积较小,疲劳计算时可将螺栓的应力集中系数取为1.3。
采用成组试验法和升降法,并按数理统计方法可确定双头螺栓的疲劳—寿命曲线,如图5所示。
3.3 结果分析
根据前面强度分析结果,五颗双头螺栓中应力水平最高的位于轨撑上垂向力作用一侧,并且在该螺栓的下缘出现最大等效应力,其位置对应于有限元模型节点45853。因此双头螺栓疲劳分析以这一节点存储疲劳应力。表2列出了两种状态下活接头的疲劳计算结果。
根据上述疲劳计算结果,假定运营列车每6min一趟车,每趟车为6节车辆,每节车辆2个转向架,每天运营时间为早上6:00～23:30,每天通过2100个转向架,每个转向架有两轴,则每天通过活接头的轴数就为4200轴,相当于双头螺栓的应力交替变化4200次。将双头螺栓疲劳寿命除以每天通过的轴数,可得螺栓的使用寿命。按此方法,接头状态良好时,其疲劳寿命为1468d,约为4年;接头病害严重时,其疲劳寿命为321d,不到1年。表明,接头状态好坏对活接头的疲劳寿命影响很大。
4 结语
实际运营列车动荷载作用下,接头状态良好时,双头螺栓的最大等效应力可达145.7MPa;接头病害严重时,双头螺栓的最大等效应力为206.6MPa,均小于材料的屈服强度275MPa,并且都出现在距轨缝最近的那颗螺栓。对于一般的地铁线路,接头状态良好,双头螺栓的疲劳寿命为4年;接头病害严重,双头螺栓的疲劳寿命为321d。运营过程中应重视对活接头的养护维修,保证其状态良好,以减小双头螺栓的应力,延长其使用寿命。