重载铁路加强型钢轨接头研究

　　第３８卷，第１期２０１７年１月

　　文章编号：１００１－４６３２（２０１７）０１—００２２－０７

　　中

　　国

　　ＣＨＩＮＡ

　　道铁

　　ＲＡＩＬＷＡＹ

　　科学

　　Ｖ０１．３８Ｎｏ．１

　　ＳＣＩＥＮＣＥ

　　Ｊａｎｕａｒｙ，２０１７

　　徐玉坡１’２

　　（１．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京１０００８１；

　　２．中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京

　　摘

　　１０００８１）

　　要：应用三维制图软件ＰＴＣＣｒｅｏ和有限元分析软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ研究和设计３０ｔ轴重重载铁路

　　的加强型钢轨接头，并对加强型钢轨接头、全断面钢轨接头和非接头处钢轨（７５ｋｇ?ｍ－１钢轨）进行静载有限元仿真分析和室内试验。结果表明：全断面钢轨接头和加强型钢轨接头的钢轨挠度以及夹板挠度与荷载基本呈线性关系；全断面钢轨接头的钢轨挠度最大，为加强型钢轨接头钢轨挠度的１．３６倍，且全断面接头的钢轨挠度与非接头处钢轨的挠度比值在０．９４～１．３８之间，而加强型钢轨接头的钢轨挠度与非接头处钢轨挠度的比值在０．９４～１．０１之问，即加强型钢轨接头的抗弯刚度与非接头处钢轨相当，验证了加强型钢轨接头的抗弯性能优于全断面钢轨接头，且满足设计要求。

　　关键词：钢轨接头；长夹板；加强板；结构设计；重载铁路；有限元分析；静载试验中图分类号：Ｕ２１３．５

　　文献标识码：Ａ

　　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４６３２．２０１７．０１．０４

　　钢轨接头是轨道的一个薄弱环节，容易遭受破坏，严重时可能发生行车事故。夹板作为钢轨接头

　　的不同钢种的弹性模量相差很小，只能通过改变水平轴惯性矩的方式提高夹板的抗弯刚度［７］。全断面钢轨接头组装断面图如图１所示。按照夹板的正常安装和使用要求，夹板与扣件系统不能接触，轨距

　　的主要连接部件，其抗弯刚度最好与钢轨的抗弯刚

　　度相同，然而由于受到钢轨形状限制，一般情况下，一对夹板的抗弯刚度仅为钢轨母材的２３％～３０％。重载铁路的钢轨接头主要集中在车站和编组站，目前，重载铁路最常用的是全断面钢轨接头，其抗弯刚度也仅为钢轨母材的３０．７％。在实际应用中，钢轨接头经常出现轨头剥离、钢轨鞍形磨耗、轨头压溃和夹板断裂等现象［１。４］。分析其原因，主要是由于夹板的抗弯刚度与钢轨母材相差较大，列车经过时接头处容易发生横向和垂向位移Ｉｓ－６］。

　　挡块与夹板底部，以及螺栓副与夹板之间都必须留

　　有一定空间，这使得夹板的厚度受到限制，无法通过单纯增加整个夹板厚度的方式增大夹板的抗弯刚度。列车经过钢轨接头时，夹板中间部位的挠度最

　　大，弯矩也最大。根据变截面梁的原理，增大弯矩

　　较大处的截面，即增大夹板中间部分的截面积，可增强其抗弯刚度；另外考虑到夹板的加工成本、运

　　本文应用三维制图软件ＰＴＣＣｒｅｏ和有限元分析软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ及室内试验，进行３０ｔ轴重重载铁路加强型钢轨接头的研究。

　　输和安装便捷性等因素，本文提出重载铁路加强型钢轨接头的夹板采用长夹板和加强板组合的方式。

　　１加强型钢轨接头的设计

　　钢轨接头的抗弯刚度与夹板材料的弹性模量和夹板水平轴惯性矩成正比例关系。因此，为了提高钢轨接头的抗弯刚度，可以通过增大夹板材料的弹

　　性模量和水平轴惯性矩的方式实现。目前夹板所用

　　收稿日期：２０１６—０４—３０；修订日期：２０１６一１１—１３

　　基金项目：中国铁道科学研究院科技开发基金资助项目（Ｊ２０１４Ｇ０８）

　　第一作者：徐玉坡（１９８３一），男，河北石家庄人，助理研究员。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｙｐｂｕａａ＠１６３．ｃｏｍ

　　万方数据

　　第１期

　　其设计要求是：适用于７５ｋｇ?ｍ＿１钢轨，抗弯刚

　　度不低于非接头处钢轨的８０％。

　　１）长夹板和加强板的长度

　　的考虑，长夹板的厚度小于全断面夹板的厚度，并去除长夹板与钢轨轨腰接触的部分，同时为了增加

　　长夹板与加强板之问的摩阻力，将长夹板与加强板接触的部分做凸台设计，如图３所示。

　　重载铁路轨枕和扣件的布置情况如图２所示，

　　钢轨接头与Ⅲ型枕和弹条Ⅱ型扣件配合使用，轨枕

　　间距Ｌ为６００ｍｍ，轨缝位于２根轨枕中间，允许钢轨纵向位移４０ｍＩｎ。根据轨枕间距、钢轨允许位移量和螺栓孔位置，确定长夹板长度为１ｍｍ，加强板长度为５００ｍｍ。

　　，

　　０００

　　纵向移动纵向移动

　　图３长夹板凸台设计图

　　钢轨接头的抗弩陛能是设计的重点，但同时还

　　要保证钢轨接头不能影响线路的正常养护维修，尤

　　图２钢轨接头布置示意图

　　其是标准化机械作业，例如大机清筛和捣固，因此

　　加强板的厚度受到限制，只能考虑在垂向上增加加强板的截面积。设计过程中，提出了３个方案，主

　　２）长夹板和加强板的截面尺寸

　　出于运输和安装便捷性以及钢轨接头抗弯性能要区别在于加强板下半部分的形状，如图４所示。

　　螺检孔叶１心线

　　螺栓孔中心线

　　螺栓孔中心线

　　（ａ）方案ｌ（ｂ）方案２（ｃ）方案３

　　图４加强板的剖面图设计方案对比图

　　当Ｗ１＝毗＝Ｗ３＝叫７１一Ｗ７２一Ｗ７３—３０ｍｍ及加强板底部低于轨底２０ｍｉＴｔ时，３种方案的加强板水平轴惯性矩比值为１：０．９８：０．９１。方案１加

　　强板的水平轴惯性矩比方案２大２％，但考虑到曲面的加工成本，排除方案１。方案２比方案３大７％，但加强板相对轨底的横向伸出长度Ｓ。却要比ｓ。长约１／３。因为图中的矗不能小于平垫圈的外径，以便于螺栓副的安装，同时加强板的下半部分不能与钢轨接触，所以，方案２的Ｗ。和Ｗ７。不能太大。通过调整方案３的Ｗ７。值，使加强板相对轨

　　刚度。综合以上分析，选择方案３进行加强板截面

　　的优化设计。

　　加强板截面的优化设计通过ＡＮＳＹＳＷｏｒｋ—

　　ｂｅｎｃｈ的ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ模块实现，夹板的三

　　维模型由ＰＴＣＣｒｅｏ绘制。将图４中曰?，０ｚ和Ｗ’３作为输入参数，夹板的重量和接头的钢轨最大挠度作为输出参数，参数口，的变化范围为９０。～１５０。，

　　岛的变化范围为９０。～１８０。，训’。的变化范围为

　　３０～４５ｍｍ。通过ＤｅｓｉｇｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ的优化功

　　能，以夹板的重量轻和钢轨的挠度小为优化目标，

　　底横向伸出的长度５ｚ等于趴方案３中加强板的

　　水平轴惯性矩是方案２的１．２２倍，而且在方案３中可灵活调整口，，如和Ｗ’。的值以获得不同的抗弯

　　确定截面尺寸，其优化流程如图５所示。加强型钢轨接头夹板的最终设计方案如图６所示，其性能与

　　全断面夹板的对比结果见表１。

　　万方数据

　　中国铁道科学

　　第３８卷

　　弯刚度约为非接头处钢轨的８７．２％，满足设计

　　要求。

　　表１加强型夹板与全断面夹板的性能对比

　　２钢轨接头仿真分析

　　列车通过钢轨接头时，钢轨接头的抗弯刚度越大，接头处钢轨的挠度越小，因此本节应用三维制图软件ＰＴＣＣｒｅｏ和有限元分析软件ＡＮＳＹＳ

　　图５加强板尺寸优化流程图

　　ｒ＿＋Ａ

　　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ分析钢轨挠度和夹板应力分布。验证

　　’加强型钢轨接头是否满足设计要求。

　　２．１仿真模型

　　应用ＰＴＣＣｒｅｏ建立非接头处钢轨、全断面钢轨接头和加强型钢轨接头的三维仿真模型，模型中钢轨、夹板和螺栓的尺寸与实际应用中的尺寸相同，模型所用钢轨为７５ｋｇ?ｍ－１钢轨。

　　Ｌ＋Ａ（ａ）土视图

　　Ａ．Ａ２：１

　　仿真模型均根据钢轨焊接接头静载试验的相关标准建立，支座间距为１ｍ，非接头处钢轨长度为

　　１．２

　　ｍ，全断面钢轨接头和加强型钢轨接头均采用

　　２根长度为０．６ｍ的７５ｋｇ?ｍ－１钢轨，接头的轨缝宽度为６ｍｍ，接头轨缝位于２个支座的中间位置。夹板螺栓直径为２７ｍｍ，钢轨和夹板的螺栓孔直径为３３ｍｍ。

　　三维仿真模型中钢轨、夹板、螺栓和支座均采用２０节点六面体单元（ＳＯＬＩＤｌ８６）模拟。全断面

　　（ｂ）Ａ—Ａ剖面图

　　夹板与钢轨之间、长夹板与钢轨之间以及长夹板与加强板之间的接触设置为摩擦接触，摩擦系数取０．２。螺栓头和螺母与夹板侧平面的接触设置为绑

　　图６加强型钢轨接头设计方案

　　加强型夹板的重量相比全断面夹板增加了５．４％，抗弯性能提升了１８４％，加强型夹板的抗

　　定接触，螺栓杆与钢轨和夹板螺栓孔的接触设置为

　　无摩擦接触，模型如图７所示。

　　（ｂ）全断面钢轨接头（ｃ）加强型钢轨接头

　　图７三维仿真模型

　　仿真模型按实际应用设置边界条件。模型中考

　　虑螺栓扭矩的影响，模型中的螺栓和螺母不包含螺

　　纹，螺栓拧紧扭矩通过对螺栓施加预紧力实现，螺栓预紧力Ｐｃ由下式得到。

　　万方数据

　　第１期重载铁路加强型钢轨接头研究

　　ｔｅｄＬａｇｒａｎｇｅ）。

　　２５

　　Ｐｃ一旦一』粤坐旦≈２。０．２２７４０（ｋＮ）（１’Ｋｄ

　　ｍｍ。

　　“…７

　　”７

　　２．２仿真结果

　　在模型的中部施加垂向载荷，分析载荷分别为５０，１００，１５０，２００，２５０，３００，３５０和４００ｋＮ时钢轨接头的变形与受力情况。

　　３００

　　式中：Ｐｃ为预紧力值，ｋＮ；ｒｃ为拧紧扭矩值，

　　ｋＮ?ｍ，根据高强度螺栓相关规定，取ｒｃ一１

　　为扭矩系数，取Ｋ＝０．２。

　　Ｎ?ｍ；ｄ为螺栓公称直径，ｍｍ，ｄ一２７ｍｍ；Ｋ

　　因为摩擦接触和无摩擦接触均属于非线性接触，所以接触算法选择增强拉格朗日法（Ａｕｇｍｅｎ－

　　２．２．１钢轨接头挠度

　　仿真分析得到的模型中间处各钢轨及夹板的挠度如表２和图８。

　　表２仿真分析钢轨接头挠度

　　载荷／ｋＮ

　　图８模型中间处钢轨和夹板的挠度

　　由仿真结果可知，全断面钢轨接头和加强型钢

　　轨接头的钢轨挠度与荷载基本呈线性关系。当载荷为５０ｋＮ时，全断面接头的钢轨挠度比非接头处钢轨的挠度大２６．５％，加强型接头的钢轨挠度比非接头处钢轨的挠度大２０．８％。随着载荷的增大，当载荷不小于１００ｋＮ时，全断面接头的钢轨挠度与非接头处钢轨的挠度比值也随载荷的增大而逐渐增大，载荷为４００ｋＮ时比值为１．３６；加强型接头的钢轨挠度与非接头处钢轨的挠度比值逐渐增大，载荷为４００ｋＮ时比值为１．１８。无论是全断面接头，还是加强型接头，接头的夹板挠度均小于接头的钢轨挠度，夹板挠度约为钢轨挠度的８７％，加强板挠度约为长夹板挠度的９５％。加强型钢轨接头的抗弯刚度为非接头处钢轨的８７％。

　　２．２．２

　　图９长夹板的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力分布

　　睦

　　图ｌｏ加强板的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力分布

　　由图９和图１０可见：钢轨接头由于受力而发生挠曲，长夹板中间的底部位置受到拉伸，最大应力出现在该处，约为２３０ＭＰａ。夹板中间的顶部和

　　夹板应力

　　图９和图１０分别给出了仿真分析得到的加强

　　型钢轨接头的长夹板和加强板的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应

　　螺栓孔附近的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力约为１５０ＭＰａ；加强板最大的ＶｏｎＭｉｓｅｓ等效应力位于两端螺栓孔

　　万方数据

　　２６中国铁道科学第３８卷处，约为３５０ＭＰａ，加强板中间部位的ＶｏｎＭｉｓｅｓ

　　等效应力约为１００ＭＰａ螺栓孔处的应力比加强板

　　其他部位的应力大，两端螺栓孔的应力比中间２个

　　螺栓孔的应力大，两端螺栓孔处为加强板的薄弱部ｋｇ?１ＴＩ叫钢轨和加强型夹板组装而成。试验设备主要包括数显式液压脉动试验机、位移传感器和电阻应变片。数显式液压脉动试验机用于施加载荷，位移传感器用于测量钢轨和夹板的挠

　　度，电阻应变片用于测量夹板的应力。位。接头夹板所用材质通常为Ｂ７钢或性能优于Ｂ７

　　钢的其他钢字，Ｂ７钢的屈服强度一般不低于５２０

　　ＭＰａ，长夹板和加强板的强度均满足设计要求。试验前先对试件进行预压，预压载荷为２００ｋＮ。静载试验过程中，实时测量加强板底面的应

　　力以及钢轨和夹板的垂向位移。加强型钢轨接头的

　　３室内实物试验

　　为进一步验证接头的抗弯性能和强度，试制了

　　加强型钢轨接头，并进行了非接头处钢轨、全断面试验情况如图１１所示。

　　钢轨接头和加强型钢轨接头的对比试验。

　　３．１试验简介

　　参照ＴＢ／Ｔ１６３２．１—２０１４《钢轨焊接第１部

　　分：通用技术条件》标准，进行非接头处钢轨、全

　　断面钢轨接头和加强型钢轨接头的静载试验。

　　非接头处钢轨静载试验的试验试件采用长度为

　　１．２ｍ的标准７５ｋｇ?ｍ＿１钢轨；全断面钢轨接头图１１加强型钢轨接头的室内静载试验

　　静载试验的试验试件由２根等长的０．６ｍ标准７５

　　ｋｇ?ｍ＿１钢轨和全断面夹板组装而成；加强型钢轨３．２试验结果

　　静载试验结果见表３、图１２和图１３。接头静载试验的试验试件由２根等长的０．６ｍ标准

　　７５

　　表３静载试验钢轨接头挠度

　　２－８

　　２－４

　　２?０

　　ｇ

　　要１．６

　　鬈１．２

　　０．８

　　０?４

　　０

　　图１２试件中间位置钢轨和夹板的挠度图１３加强板底面的应力

　　万方数据

　　第１期重载铁路加强型钢轨接头研究

　　２７

　　由试验结果可得出，全断面钢轨接头的钢轨挠度最大，加强型钢轨接头的钢轨挠度与非接头处钢

　　４结语

　　本文应用三维制图软件ＰＴＣＣｒｅｏ和有限元分析软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ对加强型钢轨接头的

　　轨的挠度相当，加强型钢轨接头的抗弯性能优于全断面钢轨接头。全断面钢轨接头和加强型钢轨接头的钢轨和挠度以及夹板挠度与荷载基本呈线性关

　　系。当载荷为５０ｋＮ时，非接头处的钢轨挠度要大于全断面接头的钢轨挠度和加强型接头的钢轨挠

　　夹板进行设计。静载试验表明：当载荷为４００

　　ｋＮ

　　时，全断面接头的钢轨挠度与加强型接头的钢轨挠

　　度。随着载荷的增大，当载荷不小于１００ｋＮ时，

　　全断面接头的钢轨挠度大于非接头处的钢轨挠度，

　　度比值最大，为１．３６，全断面接头钢轨的挠度与

　　非接头处的钢轨挠度比值在０．９４～１．３８之间，而加强型接头的钢轨挠度与非接头处的钢轨挠度比值

　　并且全断面接头的钢轨挠度与非接头处的钢轨挠度

　　比值逐渐增大，比值最大为１．３８，此时载荷为４００ｋＮ。加强型接头的钢轨挠度与非接头处的钢轨挠

　　在０．９４～１．０１之间，说明加强型钢轨接头的抗弯

　　性能与非接头处钢轨相当，优于全断面钢轨接头。

　　度比值并未随着载荷的增大而增大，而是在０．９４～１。０１之间变化。无论是全断面接头还是加强型接头，接头的夹板挠度都小于接头的钢轨挠度，夹板挠度与钢轨挠度的比值在０．９４～ｏ．９７之间，长夹

　　板挠度约为加强板挠度的９６％。加强型钢轨接头

　　经过对比发现，仿真得到的全断面接头钢轨的挠度与非接头处钢轨的挠度比值大于静载试验结果；仿真得到的长夹板挠度比加强板挠度大，而静

　　载试验得到的长夹板挠度比加强板挠度小。出现该现象的主要原因是：静载试验中，夹板与钢轨之间

　　的抗弯刚度与非接头处钢轨的抗弯刚度相当。加

　　强板底面的应力为１３４ＭＰａ，小于夹板的屈服强度。

　　参

　　Ｅ１］Ｅ２］

　　的实际摩擦系数大于仿真中用的值。静载试验加强

　　板挠度比长夹板挠度大，可能是由于长夹板凸台的

　　制造公差，长夹板与加强板之间配合不好。

　　考

　　文

　　献

　　佐藤裕．轨道力学ｌ－Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９８１：８３—８７．

　　张欢．３０ｔ轴重重载铁路钢轨接头合理抗弯刚度取值及动态响应规律的研究［Ｄ］．北京：中国铁道科学研究院，２０１２．

　　（ＺＨＡＮＧＨｕａｒＬ

　　ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｆＲｅａｓｏｎａｂｌｅＢｅｎｄｉｎｇＳｔｉｆｆｎｅｓｓＶａｌｕｅｓａｎｄｔｈｅＤｙｎａｍｉｃＲｅｓｐｏｎｓｅＬａｗｏｆＲａｉｌＪｏｉｎｔｓ

　　ｏｎ

　　３０ｔＡｘｌｅＬｏａｄＨｅａｖｙＨａｕｌＲａｉｌｗａｙＥＤ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＲａｉｌｗａｙＳｃｉｅｎｃｅｓ，２０１２．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

　　［３］祝劲松，刘淑珍．钢轨接头夹板应力的计算模型［Ｊ］．铁道学报，１９９３，１５（３）：９９—１０３．

　　（ｚＨＵＪｉｎｓｏｎｇ，ＬＩＵＳｈｕｚｈｅｒＬ

　　ＴｈｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇＭｏｄｅｌｓｆｏｒｔｈｅＣｌａｍｐｉｎｇＰｌａｔｅｓｉｎＲａｉｌ

　　Ｊｏｉｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ

　　ｏｆｔｈｅ

　　ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｏｃｉｅｔｙ，１９９３，１５（３）：９９—１０３．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

　　［４］杨荣山．钢轨接头应力的有限元分析［Ｊ］．西南交通大学学报，２００３，３８（３）：３１４—３１７．

　　（ＹＡＮＧＲｏｎｇｓｈａｎ．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｔｒｅｓｓｉｎＲａｉｌ２００３，３８（３）：３１４—３１７．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

　　Ｊｏｉｎｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，

　　［５］李成辉，万复光．接头冲击作用下轨道结构加速度谱分析［Ｊ］．铁道学报，１９９５，１７（４）：８８－９１．

　　（ＬＩ

　　Ｃｈｅｎｇｈｕｉ，ＷＡＮ

　　Ｆｕｇｕａｎｇ．ＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＳｐｅｃｔｒａｌ

　　Ａｎａｌｙｓｅｓ

　　ｏｆＴｒａｃｋＳｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒＲａｉｌＪｏｉｎｔＩｍｐａｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．

　　ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｏｃｉｅｔｙ，１９９５，１７（４）：８８—９１．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

　　［６］邢书珍．钢轨接头强度的静力计算方法［Ｊ］．中国铁道科学，１９９４，１５（３）：７１—８１．

　　（ＸＩＮＧＳｈｕｚｈｅｍ

　　ＴｈｅＳｔａｔｉｃＭｅｔｈｏｄｆｏｒＣａｌｃｕｌａｔｉｎｇＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＲａｉｌ

　　Ｊｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｃｉｅｎｃｅ，１９９４，１５

　　（３）：７１－８１．ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）

　　［７］ＤＡＶＩＤ

　　Ｄａｖｉｓ．ＩｍｐｒｏｖｅｄＲａｉｌＪｏｉｎｔＢａｒＤｅｓｉｇｎｓａｎｄＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＵｓｅｉｎＣＷＲＴｒａｃｋ［Ｊ］．Ｒａｉｌｗａｙ

　　Ｔｒａｃｋ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１４（３）：１４—１６．

　　万方数据