高速道岔組裝式滑床臺板傳力特征及服役性能研究

易 強，王樹國，楊東升，谷永磊

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038)

高速鐵路道岔是工務工程的關鍵設備之一,其結構復雜、性能要求高,是高速鐵路軌道結構中的薄弱環節[1]。由于岔區存在固有不平順,輪載沖擊劇烈,隨著服役時間的增加,高速道岔傷損病害增多,如直尖軌非工作邊縱向裂紋、尖軌跟端壓塌、螺栓斷裂、鋼軌件傷損斷裂等[2-3],顯著降低高速道岔服役性能[4-5]。近年來工務部門在道岔軌件專項檢查中發現部分道岔轉轍器區出現基本軌軌底疲勞傷損,該類型疲勞傷損均萌生于滑床臺板對應的軌底下表面,且發生傷損的道岔采用了組裝式滑床臺板結構。由于道岔區零部件較多,基本軌軌底疲勞傷損難以發現,在長期列車荷載作用下容易發展為軌件折斷,嚴重威脅行車安全。

目前對于道岔區鋼軌件疲勞傷損問題的研究主要集中于輪軌接觸界面,如輪軌滾動接觸疲勞傷損和尖軌非工作邊縱向裂紋等[6-11]。相對于輪軌接觸區域,高速道岔鋼軌軌底位置在服役過程中一直處于復雜應力狀態,道岔區軌件與零部件較多,尖軌、心軌軌底與滑床臺板之間存在剛性接觸,部分類型道岔基本軌、翼軌與滑床臺板也存在剛性接觸。道岔結構由多個零部件裝配而成,由于不可避免存在制造加工與裝配誤差[12],容易導致剛性接觸區域形成應力集中,在列車荷載以及溫度力的作用下,鋼軌軌底拉應力可能超出其疲勞極限[13]。此外,在長期服役后岔區鋼軌軌底產生銹蝕坑,軌底疲勞性能降低,疲勞裂紋將從軌底銹蝕坑位置開始萌生。道岔區鋼軌探傷中,軌底部位探傷工作難度較大,干擾因素較多,容易發生漏探[14]。列車荷載作用下的岔區軌底裂紋萌生通常屬于高周疲勞或超高周疲勞[15],軌底疲勞損傷位置隱蔽且裂紋形成周期較長,岔區鋼軌發生折斷后不能及時通過軌道電路和聯鎖設備報警,只能通過人工探傷和巡查發現,因而軌件疲勞傷損和斷裂是高速道岔中主要風險之一[16-17]。

目前發現的高速道岔基本軌疲勞傷損主要集中在轉轍器區基本軌軌底位置,且與滑床臺板對基本軌軌底的扣壓作用密切相關。但既有研究中,對高速道岔鋼軌軌底疲勞失效機制的分析不足,輪載作用下組裝式滑床臺板結構傳力特征以及基本軌軌底疲勞性能尚待探明。因此首先開展轉轍器區輪載傳遞特征分析,闡明組裝式滑床臺板結構對基本軌軌底應力影響,進一步結合基本軌軌底材質疲勞試驗以及轉轍器結構疲勞試驗開展研究,評估組裝式滑床臺板結構對基本軌服役性能影響,為探明高速道岔基本軌軌底疲勞傷損機制和提升基本軌疲勞壽命提供依據。

1 滑床臺板結構

我國高速道岔轉轍器區滑床臺板結構形式可分為組裝式和一體式。組裝式結構便于拆裝,可在養修作業中快速更換,而一體式結構整體性好,但更換時需要與彈性基板一同拆除。對于組裝式滑床臺板結構,基本軌非工作邊一側采用彈條扣壓,工作邊一側采用滑床臺板扣壓。組裝式滑床臺板結構見圖1。為實現對基本軌的有效扣壓,在滑床臺前端壓舌下部設置凸臺,凸臺半徑為6 mm,兩點扣壓凸臺間距為130 mm,組裝后凸臺中心距離基本軌軌底側邊10 mm?；才_板后部落于基板上,中部懸空,滑床臺板與彈性基板之間采用拉簧固定。早期設計的組裝式滑床臺壓舌下部設置2個凸臺扣壓,后期經過結構優化采用四個凸臺扣壓與平面扣壓的方式。四點扣壓結構在原有設計基礎上增加兩個扣壓點,距原有扣壓點30 mm,其余尺寸保持不變。而最新的平面扣壓則取消了凸臺,中間增設不銹鋼墊片使之形成面接觸扣壓,因此后續分析中主要針對兩點和平面扣壓兩種方式進行探討。而對一體式滑床臺板結構,滑床臺與彈性基板之間采用焊接工藝進行連結,基本軌非工作邊一側采用彈條扣壓,工作邊一側采用彈性夾扣壓。目前發現的基本軌軌底疲勞傷損均采用組裝式滑床臺板結構,且為兩點扣壓,可初步判定基本軌傷損與滑床臺板扣壓作用密切相關。

圖1 高速道岔組裝式滑床臺結構(單位:mm)

2 組裝式滑床臺板傳力特征

為闡明滑床臺板對基本軌軌底受力的影響,開展轉轍器區輪載傳遞路徑分析,對比組裝式滑床臺板與一體式滑床臺板傳力差異。根據現場實測數據,明確高速道岔轉轍器區輪軌動態荷載,結合岔區轉轍器結構有限元分析模型,闡明輪軌荷載在尖軌-滑床臺板-基本軌中的傳遞機制,探明基本軌疲勞傷損原因。

2.1 傳力路徑

組裝式、一體式滑床臺板傳力路徑分析見圖2。

圖2 組裝式、一體式滑床臺輪載傳遞路徑

由圖2(a)可知,當尖軌承受輪載時,輪載通過尖軌軌底與滑床臺之間的接觸傳遞至滑床臺,滑床臺一端扣壓基本軌軌底,另一端置于彈性基板上。當尖軌距基本軌較近時,傳遞至滑床臺的輪載主要通過扣壓點傳遞至基本軌。由于扣壓點與基本軌之間為剛性扣壓,扣壓面積較小,因而在扣壓位置將產生應力集中。由圖2(b)可知,當尖軌承受輪載時,輪載通過尖軌軌底與滑床臺板的接觸傳遞至滑床臺,由于滑床臺與底板為焊聯一體式,輪載直接傳遞至彈性基板。與組裝式滑床臺板結構不同,尖軌上的輪載不會傳遞至基本軌軌底,基本軌工作邊一側的軌底只存在彈性夾的扣壓作用。彈性夾扣壓力設計值為11 kN,與普通彈條扣壓力接近,不會對基本軌產生不利作用。對比兩種類型滑床臺板結構傳力路徑可知,組裝式滑床臺板結構可將尖軌軌頂上方輪載傳遞至基本軌軌底,且存在應力集中,長期列車荷載作用下容易導致基本軌軌底疲勞傷損的產生。

2.2 岔區輪軌荷載

道岔區內輪軌關系復雜,影響輪軌荷載因素較多,岔區疲勞荷載取值尚未統一[17],可結合現場實測數據開展分析?；谀掣咚勹F路道岔動態響應測試結果,CR400AF列車分別以速度為300、350 km/h通過高速道岔轉轍器區時的輪軌垂向力累積分布見圖3。速度分別為300、350 km/h時,轉轍器位置輪軌垂向力最大值分別為102.6、123.2 kN。保守起見,組裝式滑床臺板受力分析中輪軌垂向荷載可取130 kN。

圖3 高速道岔輪軌垂向力累積分布

2.3 基本軌受力分析

結合現場調研結果,選擇基本軌傷損集中的區域(16#～22#岔枕范圍)建立轉轍器結構受力分析模型,包括7根枕范圍內基本軌、尖軌、組裝式滑床臺板等結構,模型中考慮各部件之間的接觸關系,對比分析兩點和平面扣壓滑床臺板對基本軌軌底應力影響。輪軌垂向荷載作用于直尖軌軌頂,在鋼軌橫斷面方向與直尖軌軌腰中心線對齊,在鋼軌縱向與滑床臺板扣壓點中心對齊以模擬最不利條件,加載區域與接觸斑尺寸相近,其直徑設置為10 mm。荷載取值為130 kN,滑床臺彈性基板剛度為17.5 kN/mm。輪載作用下基本軌軌底等效應力見圖4。由圖4(a)、圖4(b)可知,對于兩點扣壓式滑床臺板結構,扣壓點位置形成明顯的應力集中,軌底上表面最大等效應力為422.5 MPa,對應的軌底下表面最大等效應力可達310.0 MPa,且以拉應力為主。目前發現的基本軌傷損均發生于冬季,考慮岔區基本軌附加溫度力,在長期列車荷載作用下基本軌軌底可產生疲勞傷損。

圖4 基本軌軌底等效應力

對于平面扣壓式滑床臺板,輪載作用下基本軌等效應力見圖4(c)、圖4(d)?？蹓簠^域形成的應力集中程度明顯降低,相對于兩點扣壓,平面扣壓位置應力顯著減小。雖然在基本軌軌底上表面形成了應力集中區域,但相對于兩點扣壓,此時應力水平大幅降低,接觸位置最大等效應力為131.5 MPa,軌底下表面最大等效應力為112.7 MPa。與兩點扣壓相比,平面扣壓式滑床臺板對應的基本軌軌底下表面應力降低64%。

3 組裝式滑床臺板結構服役性能研究

由理論計算結果可知,采用平面扣壓式滑床臺板可有效降低基本軌軌底應力水平,但由于組裝式滑床臺板結構存在不同零部件之間的配合問題,裝配誤差可能影響結構的使用效果。因此,為有效評估結構改進前后組裝式滑床臺板結構的服役性能,分別開展高速道岔鋼軌軌底材質疲勞試驗以及轉轍器結構疲勞試驗。

3.1 軌底材質疲勞極限

從基本軌軌底取樣,采用升降法測試基本軌軌底的疲勞極限,為基本軌安全服役評估提供依據。被測試樣按逐漸增加的應力水平順序進行加載,直到發生疲勞斷裂。疲勞加載最高加載周次為107,超過107周次未發生斷裂的試樣標記為“通過”,未至107周次發生斷裂的試樣標記為“失效”,試驗測試結果見圖5。圖5中,箭頭表示107未發生疲勞破壞的樣品。由圖5可知,采用升降法計算得到道岔鋼軌軌底材質的疲勞極限為447.1 MPa。

圖5 軌底材料疲勞壽命

3.2 轉轍器結構疲勞試驗研究

以兩點扣壓式滑床臺板結構(以下簡稱“兩點扣壓結構”)和平面扣壓式滑床臺板結構(以下簡稱“平面扣壓結構”)為試驗對象,在實驗室內組裝兩組高速道岔轉轍器開展疲勞試驗,分析不同扣壓形式的滑床臺板對基本軌軌底疲勞的影響。

3.2.1 試驗方案

以18號高速道岔轉轍器為對象進行疲勞試驗,結合現場調研結果,選擇基本軌傷損集中的區域(16#～22#岔枕范圍)進行試驗,見圖6。兩組試驗結構的滑床臺板分別采用兩點與平面扣壓結構,試驗結構由直尖軌、曲基本軌、兩點/平面扣壓滑床臺板及對應的扣件系統、岔枕等組成。

圖6 疲勞試驗布置

結合現場試驗結果,轉轍器區輪軌荷載取值為130 kN,考慮道岔長期服役后存在鋼軌波磨或平順性降低等劣化因素,疲勞試驗以130 kN為初始荷載進行加載,并采用遞增荷載的方式進行試驗,荷載間隔為15 kN,最大疲勞荷載為190 kN,每階段加載200萬次,加載頻率5 Hz。疲勞荷載施加于結構中間位置的尖軌上方(即19#枕位置)。為模擬最不利荷載工況,加載中心位于滑床臺板邊緣位置。

為明確采用組裝式滑床臺板條件下基本軌軌底疲勞裂紋萌生時間,同時分析滑床臺板結構裝配誤差的影響,在每個荷載階段結束后進行拆裝,檢查滑床臺板結構是否良好,并采用超聲探傷檢查基本軌軌底是否產生裂紋。此外,每次試驗前保證尖軌與滑床臺之間離縫小于1.0 mm,每次拆卸滑床板檢查后再次組裝時,保證扣壓點與鋼軌中心線平行,扣壓點保持原有位置,必要時對道床進行搗固,保證枕下支撐均勻密實。

3.2.2 試驗組裝及測點布置

疲勞試驗組裝與加載見圖7。預先在基本軌軌底布置應變傳感器,其中兩點扣壓式滑床臺板貼片位置與兩個扣壓點一一對應,面接觸式滑床臺板貼片位置對應滑床臺板邊緣。為分析應力集中程度,在軌底側面增設一個應變測點?；拒壾壍讘y點布置見表1。兩點與平面扣壓結構的測點布置一致,每組試驗的應力測點11個,疲勞試驗機加載位置與滑床臺板邊緣對齊,即對應6#測點。

表1 基本軌軌底應力測點

圖7 疲勞試驗

3.2.3 試驗結果分析

1)130 kN疲勞荷載

第一階段疲勞荷載幅值為130 kN,此荷載試驗階段部分節點數據見圖8(a)。圖8(a)中,加載40萬次時對兩點扣壓結構進行拆裝與道床搗固。兩點扣壓滑床臺板結構使得基本軌軌底應力水平顯著增大,200萬次疲勞加載后,加載位置滑床臺扣壓點對應的基本軌軌底5#、6#測點應力分別為57.7、565.1 MPa,此時最大應力已經超過基本軌軌底疲勞強度(447.1 MPa),長期荷載作用下可導致疲勞傷損。而對于平面扣壓結構,加載點位置滑床臺對應的基本軌軌底5#、6#測點應力分別為226.6、143.8 MPa,相對兩點扣壓結構最大應力降低60%。

圖8 130 kN疲勞試驗

試驗過程中,由于結構拆裝與道床搗固作業影響,結構狀態發生改變,與之對應的基本軌軌底應力水平發生變化。兩點扣壓結構拆裝前,加載位置滑床臺扣壓點對應的基本軌軌底5#、6#測點應力分別為586.7、315.0 MPa,拆裝搗固后基本軌軌底應力改變分別為130.2、571.2 MPa。試驗過程中未對平面扣壓結構進行任何作業,因而其軌底應力水平基本保持不變。此外,兩點扣壓結構應力集中程度明顯,其軌底側面7#測點應力水平僅為64.9 MPa,而平面扣壓結構應力集中程度較低,軌底側面應力水平為103.0 MPa。受結構組裝狀態影響,兩組轉轍器結構中軌底應力最大位置均不是完全與加載點對應,而可能出現在滑床臺板另一側。以兩點扣壓結構為例,拆裝及道床搗固作業前后,尖軌軌底與滑床臺板接接觸區域發生改變,見圖8(b)、圖8(c)。作業前后尖軌-滑床臺離縫位置由對應6#測點改變為對應5#測點,因而基本軌軌底最大應力位置隨之變化。

完成130 kN等級疲勞試驗后,對轉轍器進行拆裝并進行道床搗固,拆裝前后軌底應力見圖9(a)。對于兩點扣壓結構,拆裝前加載點位置扣壓點對應的基本軌軌底5#、6#測點應力分別為57.7、565.1 MPa,拆裝后軌底應力分別為222.5、133.3 MPa。對于平面扣壓結構,拆裝前加載點位置基本軌軌底5#、6#測點應力分別為230.9、164.2 MPa,拆裝后軌底應力分別為73.5、53.4 MPa。拆裝后加載點位置軌底應力顯著降低,相鄰枕軌底應力水平有所提升。通過檢查發現作業后尖軌與滑床臺板接觸狀態發生改變,靠近基本軌一側存在約0.5 mm離縫。由于尖軌與滑床臺板接觸區域遠離基本軌,使得基本軌軌底應力水平顯著降低。當增加0.5 mm厚度調整墊片后,基本軌軌底最大應力水平從222.5 MPa增加至347.1 MPa,見圖9(b)。由此表明,尖軌與滑床臺板之間的接觸狀態對基本軌軌底應力水平影響顯著。

圖9 基本軌軌底應力影響分析

2)不同荷載等級試驗分析

145 kN荷載階段部分節點測試數據見圖10(a)。加載到57萬次時發現兩點扣壓結構加載位置的軌底5#、6#測點應力明顯降低,由加載位置軌枕沉降引起。為保證軌枕水平,在加載95萬次時對兩組結構的所有軌枕進行調整并進行搗固。軌枕調整、道床搗固后,兩點扣壓結構加載點位置應力提升,相鄰軌枕位置基本軌應力降低;而平面扣壓結構變化相對不明顯。軌枕調整及道床搗固作業前兩點扣壓結構軌底最大應力為279.5 MPa,平面扣壓結構為93.5 MPa;作業后兩點扣壓結構軌底最大應力295.0 MPa,平面扣壓結構為103.4 MPa,見圖10(b)。兩點扣壓結構基本軌軌底應力水平始終遠高于平面扣壓結構。當前荷載等級疲勞試驗結束后,轉轍器的拆裝作業也對軌件應力產生影響,見圖10(c)。拆裝前,兩點扣壓結構加載點位置軌底最大應力為289.4 MPa,重新組裝后軌底最大應力為255.4 MPa,而平面扣壓結構對應的基本軌軌底應力變化不大。

圖10 145 kN試驗過程基本軌應力

160 kN荷載期間部分節點測試數據見圖11(a)。其中,加載進行到32萬次時發現5#測點應變發生顯著變化,因此進行拆卸、探傷并重新組裝,探傷時發現兩點扣壓結構加載點位置的基本軌超聲回波波形存在單一明顯的峰值,可初步判定為傷損,但此時傷損尺寸較小。進行拆裝作業后,對于兩點扣壓結構,加載點位置應力降低,相鄰軌枕位置基本軌應力提高,基本軌軌底最大應力由280.8 MPa降低至210.7 MPa。對于平面扣壓結構,未進行任何作業,因此試驗過程中應力基本保持不變,見圖11(b)。

圖11 160 kN試驗過程基本軌應力

當完成160 kN疲勞荷載試驗后,再次進行轉轍器結構拆裝與道床搗固作業以后,基本軌軌底應力發生明顯改變,見圖11(b)。拆裝搗固作業使得兩點扣壓結構軌底最大應力由176.1 MPa增加至435.1 MPa,而對平面扣壓結構軌底應力變化不顯著。

175 kN荷載期間部分關鍵節點測試數據見圖12(a)。該階段試驗過程中未進行任何作業,因此各個測點應力水平變化不明顯。試驗過程中兩點扣壓結構與平面扣壓結構的基本軌軌底最大應力分別為488.2、200.0 MPa,對應5#測點。完成175 kN等級疲勞試驗后,對結構進行拆除、探傷以及重裝,拆裝前后應力對比見圖12(b)。拆裝后兩點扣壓結構基本軌軌底最大應力降低108.0 MPa,平面扣壓結構基本軌軌底最大應力降低63.7 MPa。

圖12 175 kN試驗過程基本軌應力

190 kN荷載期間部分關鍵節點測試數據見圖13。該階段試驗過程中未進行任何作業,因此各個測點應力水平變化不顯著,兩點扣壓與平面扣壓結構的基本軌軌底最大應力分別為410.8、212.0 MPa,對應5#測點。

圖13 190 kN試驗過程基本軌應力

3.2.4 試驗全過程分析

提取加載點位置對應的5#、6#測點,進行疲勞試驗全過程分析,見圖14。對于兩點扣壓結構,130～190 kN疲勞荷載P等級的試驗過程中,兩點扣壓結構基本軌軌底最大應力分別為611.2、295.0、286.3、488.6、410.8 MPa。對于平面扣壓結構,130～190 kN疲勞荷載等級的試驗過程中,平面扣壓結構基本軌軌底最大應力分別為237.5、103.4、113.9、200.0、212.8 MPa。

圖14 兩種滑床臺板結構基本軌軌底應力

由理論分析結果以及疲勞試驗測試可知,采用平面扣壓滑床臺板結構可有效降低軌底應力水平。但由于結構裝配狀態影響,組裝式滑床臺板對基本軌軌底扣壓作用與尖軌-滑床臺接觸狀態密切相關,且該離縫狀態難以控制,因而理論計算結果與試驗測試結果存在一定的偏差。結合疲勞試驗結果,兩點扣壓滑床臺板結構條件下基本軌軌底應力水平容易超出其疲勞極限(447.1 MPa),而平面扣壓結構對應的基本軌軌底最大應力為237.5 MPa,與兩點扣壓結構相比,基本軌軌底應力可降低50%～60%。

完成190 kN荷載等級疲勞試驗后,繼續進行約400萬次疲勞加載后,兩點扣壓式滑床臺板對應的基本軌軌底發現裂紋,而平面扣壓式滑床臺板對應的基本軌軌底應力水平一直處于疲勞極限范圍內,因而能夠保證基本軌服役性能。因此,為保證基本軌正常安全服役,建議將高速道岔轉轍器區中兩點扣壓式滑床臺板更換為平面扣壓式滑床臺板。

4 結論

為闡明高速鐵路道岔基本軌疲勞損傷原因,分析組裝式滑床臺板扣壓作用對基本軌服役性能影響,開展理論分析和室內試驗研究。主要結論如下:

1)仿真分析結果表明,兩點扣壓式滑床臺板使得扣壓點處基本軌軌底形成應力集中,軌底下表面以拉應力為主,130 kN輪載作用下基本軌軌底最大應力為310.0 MPa。將滑床臺板兩點扣壓優化為平面扣壓后,軌底最大應力為111.7 MPa,相對兩點扣壓降低64%。

2)采用旋轉彎曲疲勞試驗得到高速道岔軌底材質疲勞極限為447.1 MPa,可為高速道岔軌件疲勞性能評估提供依據。

3)根據轉轍器疲勞試驗測試結果,兩點扣壓式滑床臺板容易導致基本軌軌底應力超出其疲勞極限從而萌生裂紋,130～190 kN荷載試驗過程中最大應力達到611.2 MPa。采用平面扣壓式滑床臺板可有效降低基本軌軌底應力,與兩點扣壓結構相比,最大應力可降低50%～60%。平面扣壓式滑床臺板對應的基本軌軌底最大應力為237.5 MPa,處于疲勞極限范圍內,因而能夠保證基本軌正常服役。

4)結構裝配狀態對組裝式滑床臺板結構的服役性能影響顯著,主要與尖軌軌底-滑床臺之間的接觸狀態密切相關。對于兩點扣壓結構,130 kN疲勞荷載作用下,增設0.5 mm墊片改變尖軌-滑床臺接觸狀態后可使得基本軌軌底應力從222.5 MPa增加至347.1 MPa。

高速道岔岔區輪軌沖擊劇烈,輪軌荷載存在高頻成份,可能導致振動疲勞損傷的產生。由于試驗條件限制,本文研究中未考慮高頻振動疲勞,道岔軌件及其零部件的振動疲勞傷損問題是后續值得研究的工作。