一款新型非對稱軌道減振扣件的設(shè)計

1、第10期李金衛(wèi)黃友劍(中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司,412007,株洲第一作者,高級1:程師摘要介紹了一種鋼軌內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)非對稱設(shè)計的新型軌道減振扣件。該扣件由承軌板、橡膠圈和底座三部份組成。其中,承軌板用于安裝固定鋼軌,底座通過錨固螺栓固定在道床上,橡膠圈將承軌板和底座通過粘接硫化成一個整體。該設(shè)計的顯著特點是在軌道的橫向采取非對稱結(jié)構(gòu),以提高軌道的橫向穩(wěn)定性。對該扣件進(jìn)行有限元分析計算及靜剛度試驗,結(jié)果表明,減振扣件的垂向剛度與橫向剛度達(dá)到和諧的統(tǒng)一,既保證軌道安全又能提高扣件的減振性能。關(guān)鍵詞 軌道減振扣件;非對稱設(shè)計;軌道橫向穩(wěn)定性中圖分類號 U 213.5+3Design o

2、f a New Dissymmetry Track Damping FastenerLi Jinwei,Huang YoujianAbstract A new track damping fastener is introduced inthis paper,which is formed with three parts.top plate,rubber circle and bottom plate.The top plate is installed tofasten the track,and bottom plate is fastened Off the bedwith ancho

3、r boIt,after vulcanization the rubber circle willbond the top plate and bottom plate into a whole.The mostobviously characteristic of this fastener is the dissymmetrystructure,aiming to improve the stability on track crosswisedirection.The test result shows that the damping fastenervertical and cros

4、swise stiffness could be integrated withFEM,thus could secure the track safety and improve fastener damping performance.Key words track damping fastener;dissymmetry design;track crosswise stabilityFirst-authorS address Zhuzhou Times New Material Tech.nology Co.,Ltd.,412007,Zhuzhou,China軌道扣件是用來固定鋼軌的聯(lián)

5、接件,并通過錨固螺栓將鋼軌牢固地鎖定在道床上的正確位置。由于列車運(yùn)行時輪軌沖擊振動較大,因此在軌道扣件上設(shè)計有彈性墊板和扣壓彈簧,為軌道提供必要的緩沖n。隨著城市軌道交通的發(fā)展,出于減振降噪要求的需要,不同類型的減振型扣件相繼產(chǎn)生。眾所周知,要達(dá)到減振降噪的目的,就必須降低 衡靄嘏績軌道垂向支撐剛度,提供足夠的緩沖,減小輪軌沖擊 的作用力。但是,當(dāng)軌道的垂向支撐剛度降低后,軌 道的垂向位移加大,從而使得軌道的橫向穩(wěn)定性變 差,影響軌道安全。這是一對矛盾:既要降低軌道垂 向支撐剛度,又必須保證鋼軌橫向穩(wěn)定。l現(xiàn)有減振扣件的基本概況普通扣件的軌下支撐剛度較大,一般在7(J kN/ mm左右,因而其

6、垂向位移較小,橫向穩(wěn)定性較好。 而減振型扣件的垂向剛度一般在25kN/mm以下。 圖1所示的軌道減振器扣件,采用了完全對稱的設(shè) 計結(jié)構(gòu),其垂向剛度為12kN/mm。當(dāng)鋼軌在垂向 4(kN、橫向20kN的力作用下,軌道的垂向位移達(dá) 3.3mm,橫向位移達(dá)3.8mm。,圖1對稱性減振器扣件圖2所示的先鋒扣件,為提高軌道的橫向穩(wěn)定 性采取了支撐軌頭的方式,其垂向鋼度為7kN/ mm。當(dāng)鋼軌在垂向40kN、橫向21kN的力作用 下,軌道的垂向位移達(dá)到5.7mm,橫向位移只有 1mm。2理論分析及設(shè)想列車運(yùn)行時,軌道在承受垂向載荷的同時也承 受著從鋼軌內(nèi)側(cè)向外作用的橫向載荷,特別是在小 半徑彎道,其橫向

7、作用力更大。因此,為保持鋼軌的 橫向穩(wěn)定和軌距,必須在扣件的設(shè)計r:采取能克服 橫向力的特殊結(jié)構(gòu)。 53 萬方數(shù)據(jù)圃匠匝玨E重盈圖2先鋒扣件軌道減振扣件在垂向力P和橫向力廠的作用 下,其軌頭橫向位移來自兩個方面,一是鋼軌與承軌 板整體橫向水平位移,二是以鋼軌外側(cè)的承軌板為 支點的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)位移,這兩個位移之和構(gòu)成 軌距擴(kuò)張。為此,在沒計一卜對減振扣件的鋼軌內(nèi)、外側(cè)結(jié)構(gòu)采取不對稱的結(jié)構(gòu)沒計(見圖3。這種設(shè)計能使鋼軌外側(cè)有效限制承軌板水平位移及偏轉(zhuǎn),并 可達(dá)到軌道橫向穩(wěn)定性的目標(biāo)。3結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3非對稱減振扣件基本設(shè)計參數(shù):車輛軸重160kN,車速8(km/h,鋼軌為60kg/m軌,軌距1435

8、mm,軌枕間距625mm,軌底坡1:40,彈條為型彈條,扣件節(jié)點剛度為912kN/mm。按圖4所示的受力分布進(jìn) 行垂向受力計算,P=16(kN/2×40%=32kN。橫 向力廠按25kN計算。輪載40kN 20%i40%20%10%10%O%圖4鋼軌支撐節(jié)點受力分布圖扣件采用外型為蛋形、彈性材料為剪切型的基本 結(jié)構(gòu)。整體由承軌板、橡膠圈和底座三部分組成。其 結(jié)構(gòu)如圖5所示。鋼軌外側(cè)的底座高度設(shè)為70mm,剪切型橡膠形面傾角設(shè)為75,鋼軌內(nèi)側(cè)的底座高542012年度設(shè)為55mm,剪切型橡膠形面傾角i5乏為7(。讎一Ll兮博一虱圖5If-:x,/稱設(shè)計軌道減振扣什4計算機(jī)有限元分析計算由

9、于非對稱軌道減震扣件的結(jié)構(gòu)特征羽1垂、橫 向加載特性都具有對稱特性,因此,模擬非對稱軌道 減震扣件的垂向和橫向特性可以使用對稱模型進(jìn) 行。網(wǎng)格劃分軟件采用HYPERMESH。網(wǎng)格布局 及網(wǎng)格劃分以適應(yīng)大變形為考量;分析擬采J1tl!線 性的ABAQUS軟件,其中橡膠部位采門j CAX4H單元,鐵件部位采用CAX4R單元。其有限元模型及加載工況如圖6所示。垂向II橫向r,圖6軌道減震器對稱模剮橡膠材料在拉伸、壓縮或剪切載荷的作用F所形成的載荷位移曲線,是其彈性、粘性,以及應(yīng)變速率和Mullins效應(yīng)共同作用的結(jié)果。在加載速率低于10mm/min,重復(fù)測試多次后形成的載衙位移特性曲線可以視為完全彈

10、性的剛度曲線”。.fIl于這 種彈性在橡膠被扯斷前一直保留,因此描述這一特 性的本構(gòu)模型稱為超彈模型。在計算非對稱軌道減 震扣件的靜態(tài)特性時,通常鐵件部分選擇線彈性模 型,橡膠部分選擇超彈本構(gòu)模型進(jìn)行模擬,在本分析 中,非對稱軌道減震扣件的橡膠材料參數(shù)使用一階多項式進(jìn)行擬合,其中參數(shù)0.42MPa、0.12MPa用 來描述材料的彈性變形行為;而其體積壓縮特性則 是根據(jù)經(jīng)驗大致定義-5。分析所使用的本構(gòu)模型見 表1。表1計算用本構(gòu)模型廠。一霆一:坐! 萬方數(shù)據(jù)第,0期有限元分析預(yù)測結(jié)果見圖7。載荷位移特性曲 線如圖8所示。由圖7、圖8可知,非對稱結(jié)構(gòu)軌道 減震扣件在垂向承載工況作用下,橡膠材料的

11、應(yīng)變 最大值為(.31%,且其垂向載荷位移特性曲線基本 為線性,表明橡膠元件在承載過程中橡膠材料始終 處于線性狀態(tài),而這非常有益于提高橡膠元件的疲IMa、l¨nclpa“g 7o o JI:b-aI 8x10引戮!引豢135 30 Z 25、20蒸。1。50 (a垂向雕|嘲|i_謄jj|糯j鞠徽魑l勞壽命;非對稱結(jié)構(gòu)的軌道減震扣件在橫向載荷作 用下,其承載時橡膠材料的應(yīng)變分布均勻,最大為 0.51%,而且其橫向載荷位移特性曲線也表現(xiàn)為線 性。根據(jù)天然橡膠材料疲勞壽命的基礎(chǔ)設(shè)計準(zhǔn)則M 評估,在此工況下,橡膠懸架的疲勞壽命可達(dá)到200萬次的設(shè)計要求。因此,非對稱特征的扣件結(jié)構(gòu)能 滿足設(shè)計

12、要求。F Max PtlnctpaAvu 750ol蒸:雕蠹副蘸;圖7軌道減振器垂向應(yīng)變和橫向應(yīng)變云圖圖8非對稱軌道減震扣什垂、橫剛度特性曲線分析結(jié)果也表明,采用非對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提 高鋼軌的橫向穩(wěn)定性,當(dāng)鋼軌在30kN橫向力的作 用下,承軌板的橫向位移控制在1mm以內(nèi)。5試驗檢測結(jié)果非對稱結(jié)構(gòu)靜剛度試驗的特征曲線如圖9所示, 其垂向的線性剛度為8.6kN/mm,軌頭橫向位移為 2.6mm。試驗結(jié)果與分析結(jié)果的比較見表2。由表 2可知,非對稱軌道減振扣件在設(shè)計上是合理的,且 分析結(jié)果與試驗結(jié)果在工程上具有非常高的吻合性。表2試驗結(jié)果與分析結(jié)果的對比403530至25睇lO5(b橫向變形/mm圖

13、9非對稱結(jié)構(gòu)的靜剛度試驗特征曲線6結(jié)語通過對減振型扣件鋼軌內(nèi)、外側(cè)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行非 對稱性設(shè)計,可以進(jìn)一步降低扣件垂向剛度,提高減 振性能,同時保持鋼軌的橫向穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)1黃建濤,周耀.地鐵軌道減振器的應(yīng)用效果J.振動與沖擊. 2003(2:96.2焦金紅.軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪措施J.城市軌道交通研究, 2002.5(1:25.3胡殿印,王榮橋.橡膠。形圈密封結(jié)構(gòu)的有限元分析J.北京 航空航天大學(xué)學(xué)報,2005(2:23.4ABAQUS,Inc.Quasistatic analysis of a rubber bushing: Abaqus analysis users manual LG 1.2(107.5黃友劍.城市地