高速道岔尖轨矫直理论及应用研究

【摘要】： 高的平顺性是提高列车过岔速度、提高旅客乘坐舒适性及保障列车运行安全的基础,因此高速道岔对制造精度要求非常高。尖轨矫直是高速道岔生产的关键工艺环节之一,尖轨矫后线形对道岔的平顺性等制造精度影响较大,轨底残余应力影响尖轨的使用寿命。当前尖轨矫直仍停留在凭操作者经验进行粗放生产的水平,需多次反复才能矫直合格,返工率高,产品报废也时有发生,劳动强度大,效率低,而且达到高精度要求比较困难,影响高速道岔生产进度,增加产品成本。本文针对高速道岔尖轨的矫直特点,基于弹塑性理论,通过理论分析、有限元数值计算,对高速道岔尖轨矫直理论及相关关键技术进行研究,论文的主要研究工作如下: (1)尖轨矫直理论研究 在分析压力矫直基础理论基础上,通过采用弹塑性理论,建立具有复杂断面特性的高速道岔尖轨矫直力学分析模型,对尖轨矫直的弹塑性区域分布、矫直应力、残余应力、尖轨矫直挠度及残余几何形态进行分析讨论,研究尖轨矫直机理,建立相应的计算公式。采用数值计算方法,通过编程求解尖轨不规则形状截面弹塑性区域分布方程、应力方程及挠度方程。 (2)尖轨矫直有限元分析研究 针对复杂结构构件,无法用解析法求解矫直参数的工程难题,采用弹塑性有限元法,建立尖轨矫直三维实体模型,对尖轨竖向矫直、横向矫直及曲线尖轨顶弯进行有限元分析计算,详细分析尖轨竖向矫直、横向矫直及曲线尖轨顶弯的线形变化、矫直应力和残余应力分布规律。结果表明,竖向矫直与横向矫直的线形变化、矫直应力和残余应力分布规律不同,横向矫直与顶弯的线形变化、矫直应力和残余应力分布规律比较相似。 为验证本文采用的弹塑性有限元法及计算模型的正确性,进行尖轨矫直试验。结果表明,有限元计算结果与实验结果相差较小,本文采用的弹塑性有限元法及计算模型可用于尖轨矫直分析。 (3)尖轨矫直关键参数研究 加载支距和压弯量是尖轨矫直的两个关键矫直参数。分析不同加载支距及压弯量条件下尖轨的残余变形、矫直应力、残余应力和矫直力的变化规律。结果表明,残余变形、矫直应力、残余应力和矫直力随加载支距的增大而减小,随压弯量的增大而增大。 (4)初始变形及矫直部位对尖轨矫直的影响研究 分析尖轨在不同初始变形条件下矫后残余线形、矫直应力和残余应力。结果表明,不同初始变形尖轨在相同矫直参数条件下残余挠度、矫直应力及残余应力相差不大。尖轨不同弯曲方向矫后残余应力及线形变化不同。 分析尖轨不同部位矫后残余线形、矫直应力和残余应力。结果表明,尖轨切削部位被削弱,抗弯模量变小,相同的压弯量所需矫直力减小,残余曲率、矫直应力及残余应力减小。 (5)尖轨矫直工艺及矫直质量评价方法 总结分析尖轨支点、压点组合的确定方法及原则。采用有限元方法,编程计算尖轨矫直及尖轨顶弯的压弯量。结果表明,给定尖轨初始曲率半径条件下,加载支距越大,所需压弯量也越大;相同加载支距下,初始曲率半径越大,所需压弯量越小。尖轨初始曲率半径越小,矫直后轨底残余拉应力越大;曲线尖轨顶弯时加载支距越大,所需压弯量也越大,但轨底最大残余拉应力相差不大。 建立尖轨矫直质量评价方法,结合生产实际及高速道岔的技术要求,分析讨论尖轨矫直质量检测内容及检测方法,为高速道岔矫直质量评价提供指导。