（交通运输工程专业论文）提速道岔滑床板结构优化研究.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文较为系统地总结了国内外道岔用滑床板的结构现状，针对提速道岔 用滑床板存在的扣压力失效i 弹片与销钉出现裂纹、滑床台板表面阻力大、 轨距调整困难等问题，改进和优化了提速道岔用滑床板的结构。重点介绍了 改进型滑床板用楔形调整弹片式和双弹条分体式两种类型弹性扣压件的结构 特征、三种滚轮滑床板用减摩滚轮装置的结构特征、调整轨距用复合缓冲偏 心套的结构特征，并对两种规格的楔形调整弹片式弹性扣压件及便于改进型 滑床板调整轨距的复合缓冲偏心套进行了试制。 在改进型滑床板的弹性扣压系统设计中利用有限元分析软件a n s y s 对新 型弹片的强度、弹程进行检算，对新型弹片的结构设计进行了多次优化，提 高了设计的理论水平，缩短了设计周期，降低了设计成本。 改进型滑床板一方面能持久、可靠的扣压基本轨内侧，保持扣压力的恒 定，另一方面能够方便、灵活的配合基本轨的轨距调整，此外滚轮滑床板减 小了道岔转换阻力，降低了尖轨的不足位移，确保道岔转换可靠。改进型滑 床板结构优化的成功研究，解决了既有滑床板的主要结构缺陷，满足了铁路 快速发展对道岔滑床板的使用要求。 关键词：提速道岔，滑床板，改进型，弹性扣压，减摩，轨距调整 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t h ep a p e rs u l l n i l a 1 z e ss y s t e m a t i c a l l yt h ee x i s t i n gs t a t eo ft h es t r u c t u r eo f s l i d ep l a t eo ft u r n o u ta th o m ea n da b m a d i m p r o v e sa n do p t i m i z e st h es t r i l c t l l r co f s l i d ep l a t eo fs p e e d - u pt u r n o u ta g a i n s tt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fs l i d ep l a t eo f s p e e d - u pt u r n o u ts u c h 船f a i l u r et i g b t e n m gf o r c e ，c r a c k si ns p r i n gs h i ma n dp i n , l a r g es u r f a c er e s i s t a n c eo fs l i d eb e d - p l a t e ，d i f f i c u l t yi ng a u g ea d j u s t i n ga n ds oo n i ta l s oi n t r o d u c e st h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft w ot y p e so fs p r i n gf a s t e n i n g s s u c ha ss p r i n gs h i mw i t hw e d g ea d j u s t m e n ta n dm d 印e n d e n td o u b l es p r i n gb a r , t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fa n t i f r i c t i o nr o l l e rd e v i c eo ft h r e et y p e so fm i l e r p l a t e , t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o u n d b u f f e re c c e n t r i ca d j u s t i n gs l e e v e s u s e df o rg a u g ea d j u s t i n g ，t r i a lp r o d u c t i o nh a sb e e nm a d eo ns p r i n gf a s t e n i n g s w i t hw e d g ea d j u s t m e n ta n do nc o m p o u n db u f f e re c c e n t r i cs l e e v e sf o rs l i d ep l a t e a d j u s t i n gg a u g e d u r i n gt h ed e s i g no fs p r i n gf a s t e n i n gs y s t e mo fi m p r o v e ds l i d ep l a t eo f s p e e d u pt u r n o u t ，n e w - t y p es p r i n gs h i mi si n s p e c t e da n dc a l c u l a t e db yf i n i t e d e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，i so p t i m i z e di nt h es t r u c t u r a ld e s i g n ，t h u su p g r a d et h e d e s i g nt h e o r ya n ds h o r t e nt h ed e s i g nc y c l ea n dd e s i g n c o s t t h ei m p r o v e ds l i d ep l a t eu s e df b rs p e e d - u pt u r n o u tc a no no n eh a n dp r o v i d e e n d u r e ，r e l i a b l ea n dc o n s t a n tt i g h t e n i n go fi n s i d eo fs t o c kr a i la n d , o nt h eo t h e r h 弛正c a nf l e x i b l ym a t c ht h eg a u g e 删u s t i n go fs t o c kr a i l b e s i d e s ，r o l l e rp l a t e c a nr e d u c et h es w i t c h i n gr e s i s t a n c ea n dt h ed e f i c i e n td i s p l a c e m e n to ft o n g u er a i l s oa gt or e a l i z et h er e l i a b l es w i t c h i n g t h es u c c e s s f u lr e s e a r c ho no p t i m u m s t r u c t u r eo fs l i d e p l a t e o fs p e e d - u pt u r n o u th a sr e s o l v e dt h em a i ne x i s t i n g s t r u c t u r a ld e f e c t so fs l i d ep l a t e ，t h u sm e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fs l i d e p l a t ec a u s e db yr a p i dd e v e l o p m e n to f r a i l w a y 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i i 页 s p e e d - u pt u r n o u t ，s i d ep l a t e ，i m p r o v e d ，s p r i n gf a s t e n i n g ，r e d u c e r e s i s t a n c e ，g a u g ea d j u s t i n g 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 当前，我国正处在经济建设飞速发展阶段，铁路运输作为国民经济的 大动脉，担负着货运和客运两大重要运输任务。近几年来，随着既有线的 不断提速，新建线路设计速度的不断提高，特别是高速铁路的修建，到2 0 1 0 年我国将建成1 l 条客运专线铁路，列车速度将大幅度的提高。随之而来， 铁路运输的安全性就显示出其非同寻常的重要性，作为道岔是铁路轨道的 重要部件之一，由于它具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速 度、行车安全性低、养护维修投入大等特点，与曲线、接头并称为轨道的 三大薄弱环节。 滑床板作为道岔的重要零件，它在整个尖轨长度范围内承托尖轨、扣 压基本轨。提速以前，国内滑床板是由上下两块钢板焊接而成，基本轨内 侧主要采用滑床台压舌刚性扣压，致使尖轨部分弹性较差提速以后，虽 然国内滑床板开始采用弹片和销钉的方式弹性扣压基本轨内侧，但现场发 现个别弹片和销钉有损伤。我国铁路在快速的发展，已经过了六次大提速， 提速后道岔基本采用钢筋混凝土轨枕结构，轨下刚度较大，道岔几何不平 顺也较大；另外尖轨轨下滑床板是由上下两块钢板在四周焊接制成，致使 尖轨部分弹性较差，形成轨道结构钢轨纵向及横向刚度的不平顺，当列车 通过时引起轮轨间强烈的冲击和振动，从而加剧了车轮与尖轨以及尖轨与 滑床板之间的动力作用，恶化了道岔的工作条件，造成道岔部分零部件使 用寿命缩短，严重时还危及到列车的行车安全。因此很有必要研制用于滑 床板的新型优良弹性扣压件，满足铁路快速发展对道岔用滑床板的要求。 道岔的正常运转是行车安全的基本保证，设法减小道岔的转换阻力， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 可以提高道贫运行的可靠性。影响转换力大小的因素很多，如道岔的结构 形式、安装状况、转辙机的调整、道岔的使用环境等。道岔转换阻力主要 由尖轨的反弹力、尖轨和滑床台板间的摩擦力以及尖轨的密贴力等几部分 组成。尖轨转换时尖轨和滑床板的摩擦力是转换力的主要组成部分，设法 减小这种摩擦力，也是减小转换力的有效方法之一，对大号码高速道岔与 长大尖轨来说更是如此。因此，要快速发展铁路，研制摩擦系数小的改进 型滑床板是必要的。 提速滑床板的底板与其台板相焊接，为固定连接，基本轨磨耗后无法 向内侧移动来调整轨距，导致转辙器在滑床板部分轨距扩大，存有安全隐 患，因此有必要增加改进型滑床板的轨距调整功能 1 2 道岔滑床板结构发展现状 1 2 1 国外滑床板的扣压现状 目前国外的滑床板以瑞士施维格公司和德国b w g 公司的技术最为成 熟。施维格公司采用的弹性夹扣压为o c 形状( 图i - 1 ) ，扣压力为1 2 k n ，能 够有效扣压基本轨，确保基本轨不外翻，并提供足够的扣件阻力抵抗温度 力，安装简单、方便。施维格公司的弹性夹为变截面曲线，结构较复杂， 具有技术含量高、结构简单、安装方便、性能稳定等特点，在世界范围应 用较广，法国高速道岔大量运用它。 图卜1 瑞士施维格公司滑床板用扣压件 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 b w g 公司滑床板为可拆卸式，底板为整体硫化形式( 图1 - 2 ) ，扣件为 左右分体双弹条形式( 图1 - 3 ) ，台板用双弹条弹性扣压与底板连接，扣压 力也为1 2 k n ，台板下垫片几乎不提供任何弹性，其主要功能是方便基本轨 的安装和拆卸，同样具有技术含量高。安装、拆解简单实用的特点，在德 国道岔中运用较广泛。 此外，德法高速道岔转辙器基本轨、尖轨用u i c 6 0 和u i c 6 0 b ( 或d ) 配 合，两者有足够的高差，较容易设置与基本轨外侧弹条扣压力相同的弹性 扣压件。 图卜2b w g 公司滑床底板背面图卜3b w g 公司滑床台板用扣压件 1 2 2 国外滑床板的减摩现状 国外道岔滑床台板的减摩主要有两种形式，第一种是机械式减摩，以 滚动摩擦代替滑动摩擦，将滑床板设计成带滚轮的特殊结构，尖轨工作状 态坐落在滑床台板上，承受列车载荷；斥离基本轨转换时，尖轨轨底爬上 滚轮，以滚动形式完成转换，扳开状态尖轨坐落在滚轮上 国外在减摩滚轮装置方面也以瑞士施维格公司研制的可调滚轮装置为 典范，通过旋转偏心辊轴可满足不同牵引点对滚轮垂直高度的要求，通过 移动滚轮装置可调节滚轮与尖轨间的水平位置。法国采用的滚轮装置和它 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 类似( 图卜4 ) ，安装在各牵引点附近，同时和有减摩镀层的滑床台配合使 用，在法铁道岔上己试用，效果得到法铁认可，据介绍已在其它国家使用 5 年且将要在法国正在修建的高速铁路上使用。 图卜4 法国滚轮滑床板 德国在高速道岔和普通道岔中普遍采用滚轮滑床板( 图1 - 5 ) 。德国滚 轮组件下部粘有一层厚2 5 3 0 m 的弹性物质( 比普通橡胶软，比硬海绵 硬) ，且长度方向弹性呈梯度变化，通过此弹性物质调节滚轮的高度，离基 本轨近侧较软，最外侧滚轮高出台板3 毫米，结构见图卜6 。德法两国扣 件形式不同，所以滚轮位置不同，德国安装在滑床台中间，法国在滑床板 一侧。 图卜5 德国用滚轮滑床板图卜6 德国滚轮结构 在滑床板设计方面，德法两国都强调高速道岔设计系统性的重要，因 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 此滑床板的弹性均与其它垫板匹配。法国道岔转辙器尖轨可动部分弹性完 全在板下实现，而德国由于走的是高弹性路线，滑床板及其它垫板本身很 厚( 有5 0 舢) ，滑床板为铁板与橡胶的结合体，具有很高的弹性。每隔3 5 根岔枕安装一块滚轮滑床板。 国外第二种减摩是通过改变滑床板表面的材质，以减小滑床台与尖轨 的摩擦系数。将自润滑式材料制成的薄板，以不同方式固定在滑床板上， 做成不用涂油的滑床板。自润滑材料主要有多孔浸油材料、含油粉末冶金 材料、含油陶瓷、石墨分散合金、等离子喷涂陶瓷、高分子材料涂层、特 种塑料等，用这些材料制成滑床板再以焊接、喷涂、镶嵌、粘结等方法固 定在滑床板上。 法国现有的高速铁路道岔采用滑床板( 铸造) 台面涂油的方式，这在 距马赛5 0 公里的a i xe np r o v e n c e 车站现场铺设的道岔上采用。此外， 法国c o g i f e r 公司也在使用一套无须润滑的滑床板，在安装滚轮滑床板以 外的位置，安装带有一层0 3 毫米厚的n i c r 减摩镀层的涂层减摩滑床板( 图 i - 7 ) ，摩擦系数为0 2 5 。 图卜7 法国涂层减摩滑床板图卜8 德国用涂层减摩滑床板 德国涂层减摩滑床板( 图i - 8 ) 台板面上是一层灰黑色的减摩材料， 表面还有一层蜡样物质，这层蜡样物质一可填充减摩材料的细孔，二可稍 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 起保护作用。 英国研制出了具有自润滑性能的高分子材料镶板式滑床板，波泰克 ( p o r t e c ) 公司用特制聚四氟乙烯做成了自润滑滑床板。美国曾采取将有弹 性的自润滑材料镶嵌在尖轨底部以减小摩擦力的方法。日本九州铁路公司 研究的金属基固体润滑剂分散形浸油双层材料，它用c u n i 系合金粉末与 固定润滑剂粉末按一定比例混合均匀后散步在花纹钢板上，然后进行烧结， 通过烧结扩散使钢板与烧结层结合，切割到尺寸后，经干燥和真空处理后 即可焊接成滑床板，使用效果较好。 1 2 3 国外滑床板的轨距调整现状 德法两国均认为道岔区钢轨磨耗很小，因此在道岔区扣件与钢轨间均 不设置轨距调整功能，即在扣件与钢轨间不设置我国的轨距块，以保证钢 轨方向稳定，德法两国调距主要是通过铁垫板钉孔内的偏心块实现( 图 1 9 ) ，滑床板的调距与铁垫板相同。 图卜9德国带偏心块的铁垫板 1 。3 国内道岔滑床板结构现状 1 3 1 国内滑床板的扣压现状 提速以前，国内道岔滑床板是由上下两块钢板焊接而成，基本轨内侧 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 主要靠滑床台压舌刚性扣压( 图1 - 1 0 ) ，致使尖轨部分弹性较差，形成轨道 结构纵向及横向刚度不平顺，列车通过时在轮轨间引起强烈的冲击和振动， 从而加剧了车轮与尖轨以及尖轨与滑床板之间的动力作用，恶化道岔的工 作条件，造成道岔部分零部件使用寿命缩短，严重时还危及到行车安全。 图1 1 0 刚性扣压滑床板 提速以后，国内滑床板开始采用弹片和销钉的方式弹性扣压基本轨内 侧( 图1 1 1 ) 根据秦沈道岔的综合试验测试结果，列车通过时转辙器部分 基本轨的横向最大位移值为1 0 7 r a m ，完全能够满足提速道岔的使用要求， 但由于受基本轨与a t 轨高差的限制，加之弹片后端与底板相顶，弹片易 产生过变形，造成弹片和销钉的强度不足，现场发现个别弹片和销钉有损 伤。 图1 1 1 提速道岔用弹片销钉滑床板 2 0 0 5 年在国内自主研发的时速2 5 0 k m 客专道岔中，对滑床板、辙跟垫 板、护轨垫板使用的扣压件均引进瑞士施维格的弹性夹( 图1 - 1 2 ) ，此夹子 技术含量较高，结构独特，扣压力稳定、安装简单，但价格昂贵，最短的 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 夹子也在七百元以上，图1 1 3 为客专道岔用滑床板。 图1 - 1 2 施威格弹性夹图1 - 1 3 时速2 5 0 k i n 客专用滑床板 随着铁路速度不断的提高，确保滑床板安全、可靠、持久的弹性扣压 基本轨内侧就成亟需解决的问题。 1 3 2 国内滑床板的减摩现状 目前我国道岔滑床板在减摩方面基本上是通过人工定期清理、涂油来 养护的，这不仅增大了道岔养护工作量，造成线路环境污染，同时由于缺 油或各种粉尘及杂物粘附在滑床板上，还会使道岔转换阻力增加，导致道 岔转换不良的情况时有发生。 近年来也开发和应用了多种技术试图取代传统方法，降低滑床板摩擦 系数，减少维护。如采用滑床台面喷涂减摩材料、电( 化学) 涂镀高硬减 摩或其复合材料并应用于提速、广深及秦沈道岔，具有一定效果，但不明 显，目前在国内未见有滚轮滑床板应用的实例。 在时速2 5 0 k m 客专道岔中进口了施维格的减摩滚轮装置( 图1 - 1 4 ) ， 此装置采用偏心辊轴结构，通过旋转偏心辊轴来调节滚轮的垂直高度，以 满足不同位置对滚轮的高度要求，具有很强的通用性，使用中免维修，但 同样价格高昂，每一滚轮装置约两万圆，图1 1 5 为客专道岔用施维格滚轮 滑床板。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 图1 1 4 施维格的减摩滚轮装置图1 1 5 时速2 5 0 k m 客专滚轮滑床板 1 3 3 国内滑床板的轨距调整现状 提速滑床板的底板与其台板相焊接，为固定连接，基本轨磨耗后无法 向内侧移动调整轨距为了满足基本轨的轨距调整，曾在一些提速滑床板 的内侧台板与基本轨轨肢间预留2 t m 间隙，设置调整片，当基本轨需向内 侧调距时，抽换调整片以配合外侧的轨距块调整，实现基本轨的调距。此 方法简单，但现场应用中调整片易锈蚀，并且更换时相应的尖轨必须处于 扳开状态，用调整片在线路上调整基本轨轨距操作性不强。 1 4 改进型滑床板结构优化研究主要内容 针对提速道岔滑床板存在弹片销钉折断、尖轨转换出现不足位移、滑 床板难以配合基本轨轨距调整等三个主要问题，改进型滑床板结构优化研 究主要内容如下： 1 4 1 对基本轨内侧弹性扣压研究 研制具有良好弹性的新型扣压件，使其能持久、可靠的扣压基本轨内 侧，并确保新扣压件具有安装、拆解简单，现场使用、维修便利的特点。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 1 4 2 减摩措施研究 研制具有较小摩擦力的改进型滑床板，使其能减小道岔转换阻力，消 除或降低尖轨的不足位移，确保道岔转换灵活、可靠。 1 4 3 基本轨轨距调整研究 研制便于转辙器滑床板部分轨距调整的改进型滑床板，使其能灵活配 合基本轨的轨距调整。 综合上述三方面研究内容，研制具有良好弹性扣压、较小摩擦力、轨 距调整方便的改进型滑床板，使其一方面能持久、可靠的扣压基本轨内侧， 另一方面减小道岔转换阻力，消除或降低尖轨的不足位移，同时滑床板还 能方便、灵活的配合基本轨的轨距调整。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 第二章弹性扣压件研究及结构设计 2 1 改进型滑床板弹性扣压件研究目的 针对提速道岔滑床板用弹片和销钉强度不足，存在折断、安装困难等 问题，本次设计将吸取借鉴国外先进技术，同时充分利用提速道岔弹片扣 压件的成熟经验，从弹片的工作原理、定位、支撑、安装，拆解及台板、 底板结构上进行改进，使其具有扣压力稳定、安全可靠的优点，而且安装 和拆解简便，方便现场使用和维修。在改进型滑床板中设计两种弹性扣压 件，种是楔形调整弹片式扣压件，一种是分体式双弹条扣压件。 2 2 楔形调整弹片式扣压件 2 2 1 设计原则、参数及引用标准 ( j 设计原则： 1 满足提速道岔相关技术条件的要求； 基本结构：基本轨为6 0 k g m 钢轨，尖轨为6 0 a t 钢轨； 2 在原有提速道岔滑床板扣件基础上优化设计，吸取原设计成功的经 验，克服目前存在的缺陷。 设计参数： 参照客运专线及欧洲道岔区扣件系统的技术要求，滑床板对基本轨内 侧扣压件的设计参数如下： 1 一个节点扣件的扣压力不小于i o k n t 注：考虑疲劳后损耗和制造工艺的稳定性，设计扣压力按1 0 + 1 0 x 2 0 = 1 2 k n 设计 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 2 一个节点扣件的防爬阻力大于1 0 k n ； 3 疲劳性能 疲劳试验前后，应进行以下测定，性能变化不超过如下值： 扣压力变化( b se n1 3 1 4 6 7 ) 2 0 ； 钢轨纵向阻力变化( b se n1 3 1 4 6 1 ) 2 0 。 设计引用标准： 1 i i 型弹条设计标准：t b i 3 0 6 5 2 。 2 2 2 工作原理 提速道岔滑床板通过弹条、销钉组合方式对基本轨轨底进行扣压，其 工作原理为：在未工作状态时弹片前端靠在基本轨轨底上，后端靠在底板 上，呈斜坡梯子形；工作状态下，销钉下压紧固弹片，弹片前端产生向下 的扣压力，后端支撑受力点随着弹片受压变形而后移，最终停留固定在底 板铣削台阶处，因弹片后端直接与底板接触，受力点靠下，使弹片产生较 大的变形，见图2 - 1 又因提速道岔尖轨采用6 0 t ，与基本轨仅有3 2 m m 的 高差，空间所限弹片设计的较薄，最大厚度1 0 n a n ，强度不足，容易受伤断 裂。 图2 - i 提速滑床板弹片工作原理图 针对提速滑床板弹片工作原理上的缺陷，在其基础上研究出了楔形调 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 整弹片式扣件，工作原理为：弹片前端扣压在基本轨轨底上，后端用楔形 调整块抬高支撑，当弹片抬高到位后，台板内腔的支撑凸台下压紧固弹片， 后端的楔形块支撑弹片，在弹片前端产生1 2 k n 的扣压力，见图2 2 图2 - 2 楔形调整弹片式滑床板扣件工作原理图 2 2 3 结构设计 为了通过试制、试验选择性价比最优者，本次设计了两种楔形调整弹 片式扣件，对其结构分别论述： 楔形调整弹片式扣压件一 楔形调整弹片式滑床板一相对提速滑床板在各零部件结构上主要有以 下改进： 弹片一 用有限元软件a n s y s 分析检算，s o l i d 9 s 单元建模，材料弹性模量为 2 0 6 x1 0 5m p a ，泊松比为0 3 。通过有限元检算，对弹片的结构进行了多 次优化，弹片中间下部为水平面，考虑此段弹片与台板内腔的支撑凸台接 触，所受的应力较其它部位要大，因此将其设计的较其它部位厚，厚度为 1 1 咖，下部的前后均为斜面，与基本轨相扣压部位弹片厚度为6 姗，后端 设有限位结构，限位结构与台板内腔的两限位槽配合，确保弹片在横向安 装到设计位置，弹片一结构见图2 3 。 ；e兰爪邃 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 if 茁司il之 一i il - li nl f f 1 66 5 ：1 ：1 f 3 0 f 1 8 1 片 v | 丽弋、 夕一7 卜 i 2 1 0一笪 i 一 图2 - 3 弹片一结构图 经有限元分析计算，弹片一的最大屈服应力0 = = 7 7 1 6 m p a ，仅存在于 小区域内，绝大区域应力在6 8 0 m p a 以下，应力检算结果见图2 - 4 ；在弹片 一与台板支撑凸台紧固位置处弹程s = 2 3 r m ，与基本轨轨底相扣压位置处 弹程s = 4 1 衄，位移检算结果见图2 5 。 图2 - 4弹片一应力图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 - 5 弹片一位移图 提速道岔滑床板用弹片材料为6 0 s i g n ，屈服强度为8 6 6 7 m p a ( 已扣除 i 3 5 安全系数) ，为了确保弹片有一定的强度储备，本次选用热轧优质弹 簧钢6 0 s i r r a ，其屈服强度为1 1 8 5 7 m p a ( 已扣除1 3 5 安全系数) 。由检算 结果知弹片一的最大应力在材料强度的许用范围内，提速用弹片最大应力 o , = 8 5 0 6 m p a ，新设计的弹片一达到了降低应力的目的。 台板一 利用有限元软件a n s y s 计算的弹片变形曲线，模拟出弹片在工作状态 下的轮廓，以此来设计台板的内腔结构。改进了提速滑床台内腔结构，取 消销钉孔，在台板内腔分别设有限位凸台和支撑凸台，设置限位凸台以避 免弹片受力过大而伤损，限制弹片的过变形；设置支撑凸台作为弹片受力 变形时的支点，支撑凸台距压舌跟端7 1 r a m ，距台板底1 9 8 m ；台板后端设 有弹片限位槽、调整楔锁闭槽。台板内腔前段深2 6 m ，内腔后段深2 2 册， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 结构见图2 6 。采用铸造工艺，减少加工工作量，有利于批量生产。 图2 - 6 台板一结构 锁闭装置 锁闭装置由楔形调整块、压簧、锁闭杆、盖板四部分组成，结构见图 2 7 ，将压簧与锁闭杆装配 后，放入楔形调整块内腔 中，再用盖板焊接，将其 封闭起来，防止零件散乱 为避免锁闭装置锈蚀，压 簧采用防锈材料 1 c r l 8 n i 9 或2 c r l 8 n i 9 ，锁 闭杆、楔形锁闭块均进行 发黑防锈处理，锁闭装置 组装焊接完后，由盖板孔 加注黄油润滑锁闭杆和压簧。图2 - 7 锁闭装置 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 为方便弹片安装，将弹片后端支撑装置设置成楔形调整块，用楔形调 整块逐渐拾高弹片，当弹片安装到位后，安装在调整块内腔的锁闭杆与台 板后端的锁闭槽相配合锁定调整块位置。拆解时用小铁棍塞进锁闭杆后端 孔中。拨动压簧，解除锁闭杆的锁闭，同时再用另一个小铁棍塞进楔形调 整块上部的孔中，用力推撬调整块，弹片便拆解。 。 楔形调整弹片式扣件二 扣件二与扣件一的工作原理相同，区别仅在弹片、台板的结构，设计 两种弹性扣压件主要目的是通过试验，选择性价比最优者，将其更好的用 在以后的道岔产品中。 弹片二 与弹片一区别：中间最厚处由1 1 咖变为1 2 r a m ，距扣压基本轨轨底位 置由6 5 m 变为8 4 嘞，楔形调整块支撑处厚度由6 m m 变为7 m m ，见图2 - 8 。 抨厂蚕l 蚕 量 要l i ll 1i 、j i 1 6 8 1 i 3 0 i l 君7 l 1 8 4 i l 飞 仝口弋 凹 r 夕 l rl 1 0t 2 1 0 一一 图2 8 弹片二结构 经有限元分析计算，弹片二的最大应力0 , = 9 3 4 1 9 m p a ，仅存在于极小 区域内，绝大区域应力在7 2 6 6 m p a 以下，6 0 s i r r a 的屈服强度 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 1 1 8 5 7 m p a ( 已扣除1 - 3 5 安全系数) ，最大应力在材料强度的许用范围内， 应力检算结果见图2 - 9 ；弹片二在与台板支撑的凸台紧固位置处弹程s = 2 4 m m ，与基本轨轨底相扣压位置处弹程s = 5 1 哪，位移检算结果见图 2 1 0 。 图2 - 9 弹片二应力图图2 1 0 弹片二位移图 台板二 与台板一在内腔尺寸上有区别，支撑凸台距压舌跟端由7 1 咖变为 9 0 r a m ，距台板底高度仍是1 9 8 m ：内腔后部深由2 2 r a m 变为2 3 r , m ，见图2 一1 1 。 图2 - 1 1 台板二结构 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 - 1 2 楔形调整弹片式扣件滑床板组件示意图 2 。2 4 小结 两种规格的楔形调整弹片式扣件滑床板均取消了销钉，改善了弹片的 受力状态，在提供足够扣压力情况下避免了弹片的过变形，降低了弹片的 应力。 2 3 分体式双弹条滑床板扣压件 2 3 1 设计原则、参数及引用标准 设计原则： 1 满足提速道岔相关技术条件的要求； 基本结构：基本轨为6 0 k g m 钢轨，尖轨为6 0 a t 钢轨； 2 充分借鉴铁路发达国家滑床板用弹性扣压件设计的成功经验，并进 行改良； 3 结构应具有同一性和统一性 设计参数： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 根据提速道岔术条件的要求，参照欧洲道岔区扣件系统的技术要求， 道岔区扣件系统的设计参数如下： 1 一组扣件( 2 个弹条) 的扣压力不小于i o k n ( 单个弹条不小于5 k n ) ； 注：考虑疲劳后损耗和制造工艺的稳定性，设计扣压力按1 0 + 1 0 2 0 = 1 2 k n ( 单个弹条设计6 k n 扣压力) 计算。 2 一组扣件( 2 个弹条) 的防爬阻力大于i o k n ( 单个弹条大于5 k n ) ； 3 疲劳性能 疲劳试验前后，应进行一下测定，性能变化不超过所示值： 扣压力( b se n1 3 1 4 6 7 ) 2 0 钢轨纵向阻力( b se n1 3 1 4 6 - 1 ) 2 0 设计引用标准： 1 i i 型弹条相关设计标准：t b t 3 0 6 5 2 2 3 2 工作原理 两个弹条分别设置在滑床板两外侧，弹条前端扣压基本轨轨底，中部 通过滑床台的侧翼限位，弹条后端通过台板的支座抬高、支撑、限位，工 作状态弹条发生弹性变形，在弹片前端产生1 2 k n 的扣压力，见图2 一1 3 。 图2 - 1 3双弹片式扣件滑床板工作原理图 2 3 3 结构设计 底板 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 l 页 考虑滑床板空间有限，同时为节省底板材料，仅在与台板两侧翼与弹 条配合的部位进行加宽，以确保支撑点有足够的强度；此外为方便弹条安 装，也避免弹条工作状态的过变形，在底板长度方向两外侧与弹条相配和 的部位均挖掉一部分，留出弹片变形空间，结构见图2 - 1 4 。 图2 - 1 4底板结构 台板 在台板宽度方向的两外侧分别设置了侧翼和支座，侧翼用来是限位、 支撑弹条，支座用来抬高、固定、支撑弹条。提速道岔尖轨采用6 0 a t 钢轨， 基本轨轨底与尖轨轨底高差仅为3 2 m m ，因此台板的厚度也有限，在台板高 度设计中尽可能的减小弹条的占用空间，但同时要保证台板的侧翼、支座 有足够的强度，台板与底板则采用焊接形式的刚性连接，结构见图2 一1 5 。 图2 - 1 5双弹条用台板结构 亘南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 弹条 弹条采用梭形结构，跟端设有限位结构与台板相配合，确保弹条安装 到设计位置，结构见图2 1 6 。 图2 1 6 双弹条结构图( 单件) 2 3 4 分析检算 弹条检算 设计了7 种规格的新型弹条结构，结构及受力如图2 1 7 所示： 图2 一1 7 双弹条受力图 注：弹条宽度为b ( m m ) 弹条材料采用6 0 s i g n 热轧优质弹簧钢，其淬火后屈服强度 8 6 6 7 m p a ( 以扣除1 3 5 安全系数) 。在结构设计中用有限元检算分析，对结 构进行优化对比，在弹条提供足够扣压力的同时，使其应力尽可能分布均 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 3 页 匀，并降低应力最大值。s o l i d 9 5 单元建模，材料弹性模量为2 0 6 x1 0 5 m p a ， 泊松比为0 3 。 当弹条前端提供1 2 k n 的扣压力时，理论计算七种方案的新型弹条，其 变形y 、应力值见表2 _ l 。 表2 1各方案应力与变形 方 y 1 ( m m )y 2 ( 姗)y 3 ( 唧)b ( 姗)x ( 咖) 弹条变形最大应力 案y ( 唧) ( 1 4 p a ) 16 1 381 57 04 1 89 9 2 2 61 581 57 03 0 77 5 8 2 38 1 581 57 02 9 27 5 9 9 46 1 5 81 58 03 7 88 7 3 8 561 581 56 02 3 86 5 1 5 4 661 5 81 07 04 61 1 5 6 781 5 81 37 03 3 78 9 3 5 5 对计算结果进行分析对比，选用方案3 。弹条的最大应力值为7 5 9 9 m p a ， 达到了提高弹条强度，降低其应力的目的，应力结果见图2 1 8 ，位移结果 见图2 - 1 9 。 图2 1 8 方案3 弹条应力图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 4 页 2 3 4 2 台板检算 图2 1 9 方案3 弹条位移图 台板用0 2 3 5 - a 材料，屈服强度为2 3 5 m p a ，抗拉强度为3 7 5 m p a 。经分 析计算，在台板扣压弹条处应力最大，为1 6 0 m p a ，但仅在极小区域内存在， 大部分区域应力低于i o o m p a ，台板侧翼的最大位移为0 o l m m ，不影响尖轨 的扳动。台板分析检算结果见图2 2 0 、图2 2 l 。 图2 2 0 台板应力图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 5 页 图2 - 2 1 台板竖向位移图 2 3 5 小结 双弹条式扣件改进了滑床板的扣压方式( 图2 - 2 2 ) ，取消了销钉，双 弹条薄弱点最大应力值远远低于材料屈服强度，能够满足提速道岔的使用 要求；同时新结构设计考虑了制造精度和安装使用状态对弹条和台板的应 力影响。此结构可持久弹性扣压基本轨内侧，使用安全可靠。此外，双弹 条式扣件在弹条的安装和拆解上均较简单灵活，适应铁路野外作业和维修 养护，能够满足提速道岔的使用要求，开创了滑床板安全可靠弹性扣压基 本轨内侧的新领域。 图2 - 2 2 双弹条式扣件滑床板组件示意图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 6 页 第三章减摩措施研究及结构设计 3 1 研究目的 随着大号码道佾的开发及长大尖轨的应用，尖轨与滑床板的摩擦力在 道岔转换力中所占比例增大，需要研制不用涂油、摩擦力小的减摩滑床板。 减摩滑床板可减小道岔转换阻力、人工涂油养护滑床板工作量及涂油引发 的环境污染，可消除或减小尖轨的不足位移，使道岔转换可靠、安全。 3 2 减摩原理的研究 减小尖轨与滑床板间摩擦力有两大研究方向，一是改滑动摩擦为滚动 摩擦，达到减小摩擦力的目的；二是减小滑床台表面摩擦系数，达到相同 目的。参考国内外的减摩方式，有两种方式供选择： 机械式减摩，滑床板上安装滚轮装置，变滑动摩擦为滚动摩擦： 改变滑床板表面材质，将自润滑式材料以喷涂、镶嵌、粘结等方式 固定在滑床台板上表面。 3 2 1 减摩滚轮的研究 变滑动摩擦为滚动摩擦的思路在国外己得到了较为广泛的应用，技术 已经成熟，在我国虽然个别单位和部门已开展了研究，但目前国内还没有 成熟的技术。机械式滑床板以滚动代替滑动，毫无疑问，减摩效果最好， 但这种方式也有明显的缺点：一是由于裸露使用，灰尘、油污及其它有害 物质，如酸碱盐等化学物质，易于侵入滚珠槽内，不易清理，容易将滚珠 腻住，滚动失效：二是雨水特别是酸雨等有害介质的作用下。易造成锈蚀； 三是结构复杂，成本高。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 7 页 3 2 2 减摩涂层的研究 表面减摩涂层技术应用目的是减少滑床台表面与尖轨( 心轨) 轨底间 的摩擦系数，达到减少摩擦力目的。台板表面嵌入式减摩技术的研究在国 内也有一些应用，但没有得到较为广泛的推广。其原因之一在于适用性有 一定限制，如我国提速系列道岔应用在结构上较为困难；原因之二是气候 条件限制，在高寒高热地区使用会存在材料适应性问题；原因之三是温差 造成材料膨胀和缩小，为其固定造成一定困难；原因之四是减摩材料本身 的使用寿命也是制约其发展的一个方面。 之所以将减摩涂层方式列为一种研究方式，主要在于该方式研究投入 少，利于快速开发，更重要的是有利于可动心轨辙叉部分滑床台板表面实 现减摩，滑床台板减摩涂层技术在我国有广阔的应用前景。 3 3 减摩滚轮装置结构设计 3 3 1 偏心辊轴滚轮装置 此结构类似客专道岔进口的施维格滚轮，主要优点在于它有很强的通 用性，不同位置的滚轮滑床板均可用同一滚轮装置，滑床底板上配有螺纹 孔，通过水平移动滚轮装置，可满足不同动程处安装使用同一滚轮装置的 要求；通过旋转偏心辊轴，满足不同位置对滚轮垂直高度的要求，组装图 见图3 - 1 。滚轮装置是在尖轨开通状态下安装的，它和尖轨轨底外侧边留有 约2 m m 的间隙，以免开始扳动时阻力大；离基本轨近的滚轮高出滑床台表 面1 5 2 m m ，离基本轨远的滚轮高出滑床台表面2 5 3 m m ，因为两滚轮 的高差，可以使扳开尖轨走上坡，开通尖轨走下坡，这能够使开通的尖轨 与基本轨更好的密贴；在尖轨后端动程较小处，安装靠近基本轨侧的一个 滚轮，调整好滚轮的垂直高度及水平位置后将辊轴锁紧，滚轮装置安装在 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 8 页 滑床台一侧，装配图见3 - 2 。 辊轴 滚轮轴套密封环 图3 - 1 偏心辊轴组装图 图3 - 2 偏心滚轮装置 关键件结构设计： 滚轮 设计为弧形，以减少尖轨与滚轮的接触面积；滚轮材料用4 0 c r ，淬火 处理，h r c 5 0 5 8 ，并且对表面进行发黑防锈处理。 辊轴 设计3 m 偏心量，最大调高量为6 咖，调高范围- 0 5 5 5 m m ；辊轴 调到合适高度后再锁紧，为增大辊轴与上下盖的摩擦力，在盖与轴接触部 位对轴进行滚花处理。辊轴材料用4 0 c r ，淬火处理，h r c 5 0 5 8 ，也进行 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 9 页 发黑防锈处理。 轴套、密封环 因轴套较薄，精度要求高，将辊轴与轴套设计为过盈配合，滚轮与轴 套为间隙配合，用热胀冷缩原理装配，滚轮绕轴套转动。轴套、密封环均 采用聚四氟乙烯材料，主要鉴于聚四氟乙烯具有优良的综合性能，耐高温， 耐腐蚀、不粘、自润滑、很低的摩擦系数，在已知塑料中聚四氟乙烯具有 最好的耐化学腐蚀性能及介电性能。此材料用做轴套与密封环，减摩装置 将具有免润滑，良好的防尘等优点。 辊轴的锁紧 通过上下盖间隙及摩擦力，用联结螺栓将轴卡死锁定。 3 3 2 同心辊轴滚轮装置 为了便于辊轴加工，采用同心辊轴，滚轮、密封、减摩轴套均与偏心 辊轴装置结构相同，图3 3 为同心辊轴与滚轮、轴套、密封环的组装图。 为确保距基本轨远的滚轮高，在上下盖设计中将装配辊轴的两孔中心高相 差1 5 m m ，这样在双滚轮结构中不用调高，第二滚轮就比第一滚轮高1 5 m m ； 为了在不同牵引点附近安装同一同心辊轴滚轮装置，在滚轮框架底部使用 0 5 2 m m 调整片：滚轮直径、框架厚度均比偏心滚轮装置小，便于调整片 的应用，装配图见3 - 4 。 图3 - 3 同心辊轴组装图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 0 页 图3 - 4 同心滚轮装置 3 3 3 岔枕间减摩滚轮装置 滚轮装置安装在牵引点附近的两岔枕间，在岔枕边上安装连接支架， 支架一方面通过限位装置与岔枕螺栓相连，一方面通过连接板与滚轮框架 相连：不同位置处滚轮的垂直高度通过调高螺栓调节，尖轨开通时坐落在 台板面上，扳开时坐落在滚轮上，装配图见图3 5 。 图3 - 5 岔枕间减摩滚轮装置 3 4 减摩材料及工艺的研究与选择 3 4 1 对减摩涂层的技术要求 1 良好的减摩性能； 2 良好的强度和硬度； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 1 页 3 与机体有良好的结合性能； 4 良好的摩擦疲劳性能： 5 良好的抗冲击性能； 6 良好的耐腐蚀性和良好的防锈性能： 对以上的技术要求，目前很难给出具体指标，主要要求台板面摩擦系 数小于0 3 。 3 4 。2 减摩材料及工艺的研究与选择 陶瓷材料耐高温、硬度高、耐磨损、稳定性好，但其塑性变形能力差， 加工成型困难。 等离子喷涂陶瓷涂层，有较好的减摩效果，但涂层较薄、易发生脆性 破坏，而且一旦破坏后很难修补，j j n - r 时对金属表面处理要求严格，设备 昂贵。 金属基复合自润滑材料，如铁一石墨系、青铜一石墨系等，是在金属 基体内加入适量石墨、m o s 2 、w s 2 等固体润滑剂或在多孔的金属基体空隙 中浸入润滑油，这些方法都是用粉末冶金法制成的。这种减摩材料的缺点 是接触面处于边界润滑状态，所以摩擦系数变化较大，露天使用时，容易 被污染，所含润滑油也容易干涸。另外，工艺复杂，价格昂贵。 碳石墨材料，具有良好的自润滑能力和抗磨性、耐蚀性、线膨胀系数 小、浸渍金属或环氧树脂等高分子材料后，其抗磨性、减摩性均很好，但 其抗冲击性差，不适宜做道岔滑床板。 塑料基复合材料是在尼龙等基体中加入润滑油或石墨、m o s 2 等固体润 滑剂制成，这种材料的抗磨减摩作用很好、改性容易、工艺简单、成本较 低，其缺点为在自然界光和热的作用下易于老化，在冲击载荷作用下易于 变形，特别是出现压痕之后，反而增大了转换阻力。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 2 页 上述减摩材料和减摩方法对道岔滑床台板表面均可程度不同地起到减 小转换阻力的作用，但也存在着不同的弱点。 在滑床台板减摩工艺方面目前主要通过