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摘要:针对道岔双接头存在腰鼓螺栓发生折断的情况,进行受力分析,现场查找原因,以期找到解决措施。
关键词:道岔 双接头 腰鼓螺栓 折断
Abstract: based on the rail double union YaoGu bolts of broken there happened, stress analysis, site search reason, hoping to find solutions.
Keywords: rail double joint YaoGu bolt broken
中图分类号: U213.5+2文献标识码:A文章编号:
1概况
南京地铁1号线道岔采用由北京城建设计研究院设计的P60-9号单开道岔(图号为DCZ211),正线铺设共计21组道岔、3组交叉渡线,道岔主要部件图纸编号见表1。运营期间在道岔双接头部位腰鼓螺栓常出现折断情况,且不易检查到,严重影响运营安全。表1 南京地铁1号线道岔主要部件选用图纸编号表
2原因分析
2.1螺栓材质
从螺栓断面上初步分析,材质均匀细密,无核伤等能使螺栓发上突变的内在因素,断口周围有塑性变形,符合钢轨材质的物理性指标,初步认定钢轨材质非主因。
2.2断面伤痕
折断先是由螺栓腰鼓部位频繁受外剪力冲击,致使螺栓边缘剪力切槽,然后突变。现在假定螺栓从上部开始切槽。
2.3分析受力
根据受力的迹象分析,只有两种可能较易发生:
若直向过岔,会发生在直尖轨与曲基本轨的双接头上。
若侧向过岔,会发生在直基本轨与曲尖轨的双接头上。
2.3.1竖向受力
2.3.1.1理论分析
取螺杆局部受力分析。
在未折断之前,按照力学原理列均衡式:
1)力平衡:N1+G2-N3-N4=0………………………………(计算式1)
2)力矩平衡:N1*X1+G2*X2-N3*X3-M=0………………(计算式2)
在电客车车轮的荷载作用下,钢轨面发生沉降并局部微小变形,传至整个断面。两种情况:
1)车轮通过钢轨作用力传至接头夹板,转而对螺杆产生作用力,这是对螺杆折断最致命的作用力N1,还有一直存在的接头夹板及轨撑等的重力G2与轨撑的向上作用力N3。在这多种力复合作用下,使得螺栓杆表面有击痕和切痕。
2)双接头的尖轨跟端轨底与垫板存在不密贴,但若吊空较大,N1不变,轨撑产生的N3从0逐渐递增至N1+G2,并在钢轨底部逐渐压实垫板胶垫时,又缩减为N1*ε(ε为系数),远大于 0。或轨撑产生的N3直接就是递增至N1*ε。N4落后N3的变化,从0逐渐变成N1-N1*ε。在此过程中,腰鼓螺栓下部受到向上的剪切合力及顺时针的力矩,螺杆下部极易伤损或折断。
3)综上,在(N1+G2-N3)剪切合力及弯矩M的频繁作用下,螺杆逐渐形成击打切槽,一旦切槽或疲劳形成,应力平衡即被打破,或者只是表面上的平衡,由于螺杆的强度高、韧性小的特点,遇到电客车车轮的极大动荷载后,M瞬间=0就极易折断,这也就是切槽处没有频繁冲击击痕的原因,从有切槽到折断,时间跨度很短。
2.3.1.2数据分析
1)外界附加力及力矩
根据南京地铁的车辆参数及系统设计运能(见表2),可计算出车辆单个车轮所施加的静载作用力(取动车车辆38.8t,人均60kg计算):
则:N1=38.8*103*9.8/4/2+1860*60*9.8*10-3/4/2=47.67KN。
2)螺栓自身力矩分析(最大力矩)
由于螺栓为10.9级高强度螺栓,则抗拉强度P2=1000 MPa,屈服强度1000*0.9=900MPa。
3)综上可得出:P1<P2,Ms或Mx 远>M’,且Ms远<Mx,剪切力为诱因,弯矩为主因,而且从螺栓下侧极易破坏。另外,考虑动荷载的情况下,附加力与力矩还应较大,以及尚未考虑扭矩对螺杆的破坏影响。
2.3.2腰鼓螺栓折断优先性
从表3可以得出,5个螺栓在受同等力的情况下,④⑤螺栓有较大的活动空间,避免受到高度集中力,受力较其他三个螺栓较小,所以排除④⑤先断的可能性。比较螺栓①②③。相比较螺栓②,由于螺栓①无轨撑限制,螺栓③在钢轨处竖向位移较大,均有效降低应力的集中加载或释放。在理论分析时也得出主要由轨撑所起的破坏作用,两者相互印证。
3现场实施
通过受力分析,已经明确折断的原因,及主要因素,进行现场作业:
3.1将腰鼓螺栓②处的轨撑孔进行修正。建议在设计时,可以将腰鼓螺栓②处方孔27*27改为直径33-38的圆孔,腰鼓螺栓③处方孔维持不变。同时清理完轨撑底部杂物,以免影响轨撑正常工作。
3.2折断也缘于整体道床弹性不足,有条件的地方可以适当增强胶垫弹性,增加胶垫厚度。
3.3线路检修时,结合工电联整,做好此处空吊板的消除工作。
4结语
4.1经过整修处理,腰鼓螺栓使用周期大大延长,很大程度上降低因设备问题而影响运营安全的风险。
4.2轨道巡检时,有针对性地对重点道岔双接头进行涂油检查,根据检查情况制定出对所辖道岔腰鼓螺栓的更换计划。
参考文献:
铁道部工务局道岔标准图籍[S].中铁工程设计咨询集体有限公司轨道处,2008[8].
技术文件汇编[A].南京地铁运营分公司,2008[4].
注:文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。