张 龙 庆

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

结合当前的有轨电车设计情况[1-6]，开发一种新型不分开式有轨电车扣件，但在产品试验过程中，调高垫板和轨距挡块会有不同程度的开裂出现。为优化轨距挡块和调高垫板尺寸，满足结构设计强度要求，本文对有轨电车调高垫板和轨距挡块接触模型进行强度分析，得出了合理的调高垫板和轨距挡块尺寸。

1 有轨电车扣件系统结构形式

根据现代有轨电车的线路条件和最高速度80 km/h、最大轴重12.5 t运营条件要求，研发了适用于59R2或60R2槽型轨的有轨电车扣件。该扣件系统由弹条、螺栓、螺母、轨距挡板、橡胶垫板、预埋套管、调高垫板等组成，混凝土轨枕设置斜挡肩，为有螺栓扣件(见图1)。

2 计算模型及参数

为分析轨距挡块和调高垫板在横向力作用下的不同尺寸参数以及两者在材料运用上能否满足结构静强度要求，首先利用建立了轨距挡块、调高垫板的简化有限元模型，如图2a)所示。在分析模型中，将调高垫板的侧面进行全约束，底面施加垂向约束；轨距挡块侧向施力面以及弹条支承面施加垂向约束。在轨距挡块侧面高度为20 mm以上施加横向荷载，如图2b)所示。

根据材料力学[2]对塑性材料的安全系数限值要求并综合考虑各种因素取安全系数ns=1.3。考虑轨距挡块和调高垫板使用的材质玻璃增强聚酰胺66和改性尼龙均为塑性材料，而材料力学中第三强度理论和第四强度理论是以出现塑性屈服或发生显著的塑性变形作为失效标志，因此适合塑性材料的判断准则。但由于第三强度理论不考虑第二主应力的影响，计算结果偏于保守，第四强度理论同时考虑了三个方向的主应力，更加符合实际。综上所述，本次分析中采用第四强度理论开展轨距挡块和调高垫板静强度分析，并以第三强度理论作为两者受力规律参考项。材质方面，轨距挡板采用玻璃增强聚酰胺66，调高垫板采用改性尼龙。在接触的摩擦系数方面，轨距挡块、调高垫板之间取为0.35。材料参数如表1所示。

表1 有轨电车扣件调高垫板轨距挡块材料特性

3 计算工况

采用以上有限元模型进行静力分析。分析中，在轨距挡块侧面施加的节点力大小以30 kN横向力转换计算得到，考虑轨距挡块的宽度、调高垫板的宽度参数，表2为各种工况的对比分析。

表2 不同工况材料参数

4 结果分析

图3～图6给出了以上各种计算工况下，第三强度理论应力和第四强度理论应力变化曲线。

由图3和图4可知，随着轨距挡块宽度的增大，调高垫板和轨距挡块的第三强度理论应力和第四强度理论应力均显著减小。在设置的以上各轨距挡块宽度工况下，轨距挡块第三、第四强度理论应力最大降幅达40 MPa；调高垫板第三、第四强度理论应力最大降幅达2 MPa；另外，从图4中还可以看出，当轨距挡块与调高垫板等宽度时，调高垫板的第三、第四强度理论应力值均有所增大，表明两者等宽度时，在调高垫板边缘产生较大的应力。在适当增大两者接触面积的同时应避免两者宽度过于接近，以此来防止在轨距挡块和调高垫板的接触边缘产生应力集中现象。

由图5和图6可知，随着轨距挡块和调高垫板的宽度同时增大，调高垫板和轨距挡块第三强度理论应力强度和第四强度理论应力均呈减小趋势。在设置的以上各轨距挡块和调高垫板宽度工况下，轨距挡块第三、第四强度理论应力最大降幅达23 MPa；调高垫板第三、第四强度理论应力最大降幅达1.9 MPa。

从以上分析可以看出，增大轨距挡块宽度使得轨距挡块与调高垫板的接触面积以及钢轨与轨距挡块的接触面积，轨距挡块和调高垫板受力明显减小；增大挡块和调高垫板宽度与增大轨距挡块宽度同理。综上所述，并结合工程设计经验选取轨距挡块的宽度为115 mm，调高垫板的宽度为170 mm。

5 最优工况强度校核

根据目前实际的轨距挡块和调高垫板尺寸，即轨距挡块宽115 mm，调高垫板宽170 mm，建立了轨距挡块、调高垫板有限元模型，如图7所示。以轨距挡块与调高垫板接触面是否开槽两种工况分析，模型中各部件材料参数以及施加的约束同前，单个节点上的力大小为155 440 N，各节点施加力总和为30 kN。

轨距挡块与调高垫板接触部分开槽前后两者的最大横向位移、最大横向应力、第三强度理论应力、第四强度理论应力情况如表3所示。

表3 轨距挡块与调高垫板接触部分开槽前后静力计算结果对比

从表3可以看出，在轨距挡块与调高垫板接触部分开槽后，轨距挡块和调高垫板横向位移、横向应力、第三强度理论应力以及第四强度理论应力均有所增加，但增幅不大。在设置以上两种工况下，调高垫板第三强度理论应力最大增幅为0.426 MPa，其第四强度理论应力最大增幅为0.415 MPa。轨距挡块第三强度理论应力最大增幅为1.496 MPa，其第四强度理论应力最大增幅为1.267 MPa。由此可见，轨距挡块与调高垫板接触部分开槽对两者的第三、第四强度理论应力影响均不大。

根据前面选取的安全系数ns=1.3以及材料参数表1中的轨距挡块和调高垫板的屈服强度值，可分别得到两者的许用应力：

6 结语

1)随着轨距挡块宽度的增大，调高垫板和轨距挡块的强度理论应力均显著减小，在设置的以上各工况下，轨距挡块强度理论应力最大降幅达40 MPa，调高垫板强度理论应力最大降幅达2 MPa，当轨距挡块与调高垫板等宽度时，调高垫板的强度理论应力值均有所增大，两者等宽度时，在调高垫板边缘产生较大的应力；2)随着轨距挡块和调高垫板的宽度同时增大，调高垫板和轨距挡块强度理论应力强度和强度理论应力均呈减小趋势，在设置的以上各工况下，轨距挡块强度理论应力最大降幅达23 MPa，调高垫板强度理论应力最大降幅达1.9 MPa；3)根据模拟实际调高垫板和轨距挡块情况可知，选取的最优工况下，轨距挡块及调高垫板均满足强度设计要求，轨距挡板和调高垫板的材料参数及尺寸结构参数取值是合理可行的。