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转辙器迎轮护轨垫板强度分析
迎轮护轨垫板是转辙器结构中重要的部件之一,其主要作用是传递和承受轮轨垂向和横向力及固定钢轨。由于道岔结构的不平顺等原因,列车侧向过岔时,会产生巨大的轮轨垂向力和横向力,这对护轨的冲击作用很明显。因此有必要对护轨垫板的强度进行校验。
护轨垫板分为轧制和铸造两种型式,本文针对50kg/m钢轨6号对称道岔(砼枕)转辙器迎轮护轨垫板(轧制)进行强度分析。图1为护轨垫板装配结构的剖视图,其结构由铁座、撑板、底板和橡胶垫板组成。根据二维图纸,建立三维模型如图2所示。
图1装配结构剖视图
图2装配结构三维模型
通过对垫板进行静力分析,将垫板所受的荷载简化为作用于底板承轨面上的列车垂直载荷和作用于撑板上部的水平荷载,并考虑岔枕螺栓的预紧力和铁座的扣压力,包括:扣件压力、上拔力和扣件对钢轨的压力。
当25吨轴重火车以35km/h速度侧向过岔时,护轨对垫板产生的最大水平力Fc约为31KN,均布于立墙侧面螺栓孔上部区域。
钢轨对垫板的荷载Fv均布于承轨面上,对于货车而言,Fv=125KN。螺栓预紧力简化为作用于垫板螺栓孔周围圆环区域的均部压力,根据螺栓扭矩250N.m换算成预紧力F1=60KN,垫板的支撑刚度为80KN/mm。弹条尾部的扣压力F2取为10KN,以两个集中荷载作用于挡座弧形槽上,各5KN。倒T型螺栓对挡座凸缘的上拔力F3为两倍的弹条扣压力,取为20KN,均布于弹条座和螺栓接触面上。
各零部件的材料参数如表1所示。装配结构的网格如图3所示。网格单元数量为65293,节点数量为101203。计算采用的约束加载方式如图4所示。表1材料参数
名称
材料
密度(kg/m3)
弹性模量(MPa)
泊松比
铁座
ZG230-450
7800
210000
0.3
撑板
Q235B
7850
200000
0.3
底板
16Mn
7870
212000
0.31
橡胶垫板
橡胶
930
3.72
0.495
图3网格划分
图4约束条件加载
其中橡胶层以下为水泥枕,可视为固定端;岔枕螺栓孔处装有岔枕螺栓埋于水泥枕中用来固定垫板,故三个岔枕螺栓孔也可视为固定端。图5为护轨垫板的等效应力云图,可以看出最大应力发生在远离撑板位置的岔枕螺栓孔,最大应力为559.6MPa,如图6所示。底板的屈服强度为345MPa,从理论上判断底板会发生破坏,这主要是将岔枕螺栓和底板处理为刚性接触。但在实际装配中岔枕螺栓与套筒、平垫圈共同组装在岔枕螺栓孔中,套筒对岔枕螺栓有缓冲保护的作用,且套筒与岔枕螺栓孔之间有一定的间隙,故在荷载作用下底板不一定会发生破坏。
图5护轨垫板等效应力云图
图6岔枕螺栓孔附近的等效应力云图
图7为撑板的等效应力云图,撑板上最大应力发生在撑板与底板焊接位置处,最大应力约为206MPa,撑板的屈服强度为235Mpa,故撑板满足强度要求,在荷载作用下不会发生破坏。图8为护轨垫板的等效应力云图,可以看出最大位移发生在橡胶垫板上,橡胶垫板被巨大的载荷“压扁”,最大位移位于承轨面垂直荷载作用附近,最大位移为1.91mm。垫板的最大位移为0.53mm,最大位移发生在底板的端面位置,如图9所示。
图7撑板等效应力云图
图8护轨垫板综合位移云图
图9底板位移云图
图10铁座的应力云图
铁座的应力云图如图10所示,铁座的最大应力发生在底部与底板焊接位置处,最大应力约为175MPa,故不会发生破坏。
结论:
1.底板的最大应力发生在远离撑板位置的岔枕螺栓孔处,最大应力超过屈服强度应力,但由于套筒的保护作用,底板不一定发生破坏。
2.铁座和撑板的最大应力均发生在与底板焊接的位置,且均满足强度要求。
3.垫板的最大位移为0.53mm,橡胶垫板的最大位移为1.91mm。
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