一款新型非对称轨道减振扣件的设计

1、第10期李金卫黄友剑(中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司,412007,株洲第一作者,高级1:程师摘要介绍了一种钢轨内外侧结构非对称设计的新型轨道减振扣件。该扣件由承轨板、橡胶圈和底座三部份组成。其中,承轨板用于安装固定钢轨,底座通过锚固螺栓固定在道床上,橡胶圈将承轨板和底座通过粘接硫化成一个整体。该设计的显著特点是在轨道的横向采取非对称结构,以提高轨道的横向稳定性。对该扣件进行有限元分析计算及静刚度试验,结果表明,减振扣件的垂向刚度与横向刚度达到和谐的统一,既保证轨道安全又能提高扣件的减振性能。关键词 轨道减振扣件;非对称设计;轨道横向稳定性中图分类号 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轨道扣件是用来固定钢轨的联

5、接件,并通过锚固螺栓将钢轨牢固地锁定在道床上的正确位置。由于列车运行时轮轨冲击振动较大,因此在轨道扣件上设计有弹性垫板和扣压弹簧,为轨道提供必要的缓冲n。随着城市轨道交通的发展,出于减振降噪要求的需要,不同类型的减振型扣件相继产生。众所周知,要达到减振降噪的目的,就必须降低 衡霭嘏绩轨道垂向支撑刚度,提供足够的缓冲,减小轮轨冲击 的作用力。但是,当轨道的垂向支撑刚度降低后,轨 道的垂向位移加大,从而使得轨道的横向稳定性变 差,影响轨道安全。这是一对矛盾:既要降低轨道垂 向支撑刚度,又必须保证钢轨横向稳定。l现有减振扣件的基本概况普通扣件的轨下支撑刚度较大,一般在7(J kN/ mm左右,因而其

6、垂向位移较小,横向稳定性较好。 而减振型扣件的垂向刚度一般在25kN/mm以下。 图1所示的轨道减振器扣件,采用了完全对称的设 计结构,其垂向刚度为12kN/mm。当钢轨在垂向 4(kN、横向20kN的力作用下,轨道的垂向位移达 3.3mm,横向位移达3.8mm。,图1对称性减振器扣件图2所示的先锋扣件,为提高轨道的横向稳定 性采取了支撑轨头的方式,其垂向钢度为7kN/ mm。当钢轨在垂向40kN、横向21kN的力作用 下,轨道的垂向位移达到5.7mm,横向位移只有 1mm。2理论分析及设想列车运行时,轨道在承受垂向载荷的同时也承 受着从钢轨内侧向外作用的横向载荷,特别是在小 半径弯道,其横向

7、作用力更大。因此,为保持钢轨的 横向稳定和轨距,必须在扣件的设计r:采取能克服 横向力的特殊结构。 53 万方数据圃匠匝珏E重盈图2先锋扣件轨道减振扣件在垂向力P和横向力厂的作用 下,其轨头横向位移来自两个方面,一是钢轨与承轨 板整体横向水平位移,二是以钢轨外侧的承轨板为 支点的扭转产生的偏转位移,这两个位移之和构成 轨距扩张。为此,在没计一卜对减振扣件的钢轨内、外侧结构采取不对称的结构没计(见图3。这种设计能使钢轨外侧有效限制承轨板水平位移及偏转,并 可达到轨道横向稳定性的目标。3结构设计图3非对称减振扣件基本设计参数:车辆轴重160kN,车速8(km/h,钢轨为60kg/m轨,轨距1435

8、mm,轨枕间距625mm,轨底坡1:40,弹条为型弹条,扣件节点刚度为912kN/mm。按图4所示的受力分布进 行垂向受力计算,P=16(kN/2×40%=32kN。横 向力厂按25kN计算。轮载40kN 20%i40%20%10%10%O%图4钢轨支撑节点受力分布图扣件采用外型为蛋形、弹性材料为剪切型的基本 结构。整体由承轨板、橡胶圈和底座三部分组成。其 结构如图5所示。钢轨外侧的底座高度设为70mm,剪切型橡胶形面倾角设为75,钢轨内侧的底座高542012年度设为55mm,剪切型橡胶形面倾角i5乏为7(。雠一Ll兮博一虱图5If-:x,/称设计轨道减振扣什4计算机有限元分析计算由

9、于非对称轨道减震扣件的结构特征羽1垂、横 向加载特性都具有对称特性,因此,模拟非对称轨道 减震扣件的垂向和横向特性可以使用对称模型进 行。网格划分软件采用HYPERMESH。网格布局 及网格划分以适应大变形为考量;分析拟采J1tl!线 性的ABAQUS软件,其中橡胶部位采门j CAX4H单元,铁件部位采用CAX4R单元。其有限元模型及加载工况如图6所示。垂向II横向r,图6轨道减震器对称模剐橡胶材料在拉伸、压缩或剪切载荷的作用F所形成的载荷位移曲线,是其弹性、粘性,以及应变速率和Mullins效应共同作用的结果。在加载速率低于10mm/min,重复测试多次后形成的载衙位移特性曲线可以视为完全弹

10、性的刚度曲线”。.fIl于这 种弹性在橡胶被扯断前一直保留,因此描述这一特 性的本构模型称为超弹模型。在计算非对称轨道减 震扣件的静态特性时,通常铁件部分选择线弹性模 型,橡胶部分选择超弹本构模型进行模拟,在本分析 中,非对称轨道减震扣件的橡胶材料参数使用一阶多项式进行拟合,其中参数0.42MPa、0.12MPa用 来描述材料的弹性变形行为;而其体积压缩特性则 是根据经验大致定义-5。分析所使用的本构模型见 表1。表1计算用本构模型厂。一霆一:坐! 万方数据第,0期有限元分析预测结果见图7。载荷位移特性曲 线如图8所示。由图7、图8可知,非对称结构轨道 减震扣件在垂向承载工况作用下,橡胶材料的

11、应变 最大值为(.31%,且其垂向载荷位移特性曲线基本 为线性,表明橡胶元件在承载过程中橡胶材料始终 处于线性状态,而这非常有益于提高橡胶元件的疲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_誊jj|糯j鞠徽魑l劳寿命;非对称结构的轨道减震扣件在横向载荷作 用下,其承载时橡胶材料的应变分布均匀,最大为 0.51%,而且其横向载荷位移特性曲线也表现为线 性。根据天然橡胶材料疲劳寿命的基础设计准则M 评估,在此工况下,橡胶悬架的疲劳寿命可达到200万次的设计要求。因此,非对称特征的扣件结构能 满足设计

12、要求。F Max PtlnctpaAvu 750ol蒸:雕蠹副蘸;图7轨道减振器垂向应变和横向应变云图图8非对称轨道减震扣什垂、横刚度特性曲线分析结果也表明,采用非对称结构设计可以提 高钢轨的横向稳定性,当钢轨在30kN横向力的作 用下,承轨板的横向位移控制在1mm以内。5试验检测结果非对称结构静刚度试验的特征曲线如图9所示, 其垂向的线性刚度为8.6kN/mm,轨头横向位移为 2.6mm。试验结果与分析结果的比较见表2。由表 2可知,非对称轨道减振扣件在设计上是合理的,且 分析结果与试验结果在工程上具有非常高的吻合性。表2试验结果与分析结果的对比403530至25睇lO5(b横向变形/mm图

13、9非对称结构的静刚度试验特征曲线6结语通过对减振型扣件钢轨内、外侧的结构进行非 对称性设计,可以进一步降低扣件垂向刚度,提高减 振性能,同时保持钢轨的横向稳定性。参考文献1黄建涛,周耀.地铁轨道减振器的应用效果J.振动与冲击. 2003(2:96.2焦金红.轨道结构的减振降噪措施J.城市轨道交通研究, 2002.5(1:25.3胡殿印,王荣桥.橡胶。形圈密封结构的有限元分析J.北京 航空航天大学学报,2005(2:23.4ABAQUS,Inc.Quasistatic analysis of a rubber bushing: Abaqus analysis users manual LG 1.2(107.5黄友剑.城市地