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60Kg/m-1/9道岔双接头腰鼓螺栓折断原因分析

发布时间:2013-11-29   |  所属分类:建筑设计:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏

  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

  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

  序号图号名称序号图号名称

  1DCZ211-1002直基本轨3专线4195-6尖轨

  2DCZ211-1003曲基本轨4DCZ211-1004辙跟轨撑

  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:

  1)若直向过岔,会发生在直尖轨与曲基本轨的双接头上。

  2)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。

  

  图1腰鼓螺栓受力分析图

  视图1虚线框以外部分为固定刚性物体,不发生位移变形。以腰鼓螺栓断面中心设为O点(如图2),对此断面进行受力与力矩分析。

  

  图6腰鼓螺栓受力理论分析图

  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

  表2系统设计运输能力

  项目/年限初期2008年近期2015年远期2030年

  预测单向高峰客流(万人次/小时)2.23.75.3

  列车编组(组)666

  列车定员(人)186018601860

  最小间隔时间(分)532

  高峰小时列车对数(对/小时)122030

  设计运输能力(万人次/小时)2.233.725.58

  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=1000MPa,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

  表3双接头螺栓情况一览表

  项目螺栓号①②③④⑤

  螺栓类型腰鼓腰鼓普通普通普通

  轨撑有无无有有无无

  轨撑孔尺寸无27*2727*27无无

  钢轨孔直径3737313131

  腰鼓螺栓直径24/3524/35242424

  竖向位移Max23/23/777

  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。

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