一款新型非对称轨道减振扣件的设计图文精.docx
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一款新型非对称轨道减振扣件的设计图文精
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U213.5+3
DesignofaNewDissymmetryTrackDampingFastener
LiJinwei,HuangYoujian
AbstractAnewtrackdampingfastenerisintroducedin
thispaper,whichisformedwiththreeparts.topplate,
rubbercircleandbottomplate.Thetopplateisinstalledto
fastenthetrack,andbottomplateisfastenedOffthebed
withanchorboIt,aftervulcanizationtherubbercirclewill
bondthetopplateandbottomplateintoawhole.Themost
obviouslycharacteristicofthisfasteneristhedissymmetry
structure,aimingtoimprovethestabilityontrackcrosswise
direction.Thetestresultshowsthatthedampingfastener
verticalandcrosswisestiffnesscouldbeintegratedwith
FEM,thuscouldsecurethetracksafetyandimprovefas—
tenerdampingperformance.
Keywordstrackdampingfastener;dissymmetrydesign;
trackcrosswisestability
First-author’SaddressZhuzhouTimesNewMaterialTech.
nologyCo.,Ltd.,412007,Zhuzhou,China
轨道扣件是用来固定钢轨的联接件,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（JkN/mm左右,因而其垂向位移较小,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1
435
mm,轨枕间距
625
mm,轨底坡1:
40,弹条为Ⅲ型弹条,扣件节点
刚度为9~12kN/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40
k
N20%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70
mm,
剪切型橡胶形面倾角设为75℃,钢轨内侧的底座高
・54・
2012年
度设为55mm,剪切型橡胶形面倾角i5乏为7（℃。
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图5
If-:
x,/称设计轨道减振扣什
4计算机有限元分析计算
4.1模型及计算参数
由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J1]tl!
线性的ABAQUS软件,其中橡胶部位采门jCAX4H
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I
I
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
。
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Ⅵ坐!
万方数据
第,0期
4.2应变结果及刚度特性曲线
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
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3530Z25、20蒸。
1。
5
0（a垂向
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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要求。
FMaxPtlnctpa
Avu750ol
㈣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
4.3非对称结构的稳定性
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
40
35
30
至25
睇
lO
5
（b横向
0.5l01.52.02.53.0354.04.55.0
变形/mm
图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
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株洲时代新材料科技股份有限公司.2004.
（收稿H期:
2011—03—106・55・
万方数据
一款新型非对称轨道减振扣件的设计
作者:
李金卫,黄友剑,LiJinwei,HuangYoujian
作者单位:
中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司,412007,株洲刊名:
城市轨道交通研究英文刊名:
UrbanMassTransit年,卷（期:
2012,15（10
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