CN110375911A - 一种轨道轨枕受力检测方法及其优化结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道轨枕受力检测方法及其优化结构，步骤一、模型尺寸及相关数据；步骤二、材料定义；步骤三、模型参数设置与计算；步骤四、铁轨空间限定；步骤五、轨距调整，本发明涉及轨道交通的施工建设技术领域。该轨道轨枕受力检测方法及其优化结构，利用有限元软件进行分析设定，直接利用模拟的方式得到承受应力数据，并且针对应力对模型进行简化设定，不仅有效的降低了计算时间，还更加迅速的得到相应应力数据，形成双肋板形式的承力结构，保证结构承力时的稳定性，同时还方便了对轨枕的搬运铺设，而且直接去除应力最小的部位，开设出三角孔，在安装时有利于对螺栓螺母进行操作，并且可以减轻钢轨重量，节省材料。

Description

一种轨道轨枕受力检测方法及其优化结构
技术领域
本发明涉及轨道交通的施工建设技术领域，具体为一种轨道轨枕受力检测方法及其优化结构。
背景技术
轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统，最典型的轨道交通就是由传统火车和标准铁路所组成的铁路系统。随着火车和铁路技术的多元化发展，轨道交通呈现出越来越多的类型，不仅遍布于长距离的陆地运输，也广泛运用于中短距离的城市公共交通中，在轨道交通的施工建设中，通常需要为施工车辆搭设基础轨道设施。
基础轨道轨枕系统在台车、电瓶车等车辆行进的过程中主要承受来自车轮滚动带来的动载荷，其大小和车身重量、车速和材料等诸多因素有关，现有的轨道轨枕结构固定，并没有进一步的进行结构优化，同时在进行受力检测时多是直接采用固定数据进行模型测试，这样的测试方式中模型结构较多，而且数据繁杂，需要计算量较大，得到测试结果的速度较慢。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种轨道轨枕受力检测方法及其优化结构，解决了现有的轨道轨枕结构固定，并没有进一步的进行结构优化，同时在进行受力检测时多是直接采用固定数据进行模型测试，这样的测试方式中模型结构较多，而且数据繁杂，需要计算量较大，得到测试结果速度较慢的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种轨道轨枕受力检测方法，具体包括以下步骤：
步骤一、模型尺寸及相关数据：在该轨道系统中内外轨道间距离为900mm、1300mm，分别供电瓶车和台车行进，前后相邻轨枕距以L1＝600mm来计算，其中电瓶车质量M电瓶车＝46t，而台车质量M台车＝120t，并对该模型进行简化，车辆以2km/h的速度行进；
步骤二、材料定义：对于轨枕选用Q235号碳素结构钢、铁轨选用45Mn号优质碳素结构钢；
步骤三、模型参数设置与计算：
1、模块与分析步：采用有限元软件的动态显式，模块计算，分析步时间历程取为0.4s,设置几何非线性，对模型的动态大变形进行分析；
2、接触关系限定：轮对-铁轨、铁轨-轨枕、轨枕-管片间采用面—节点接触方式，设置法向、切向摩擦系数为0.15(钢铁-钢铁)/0.4(钢铁-混凝土)的摩擦力的接触关系，并且铁轨-轨枕的接触中在法向上令两接触面不可分离；
3、加载载荷：在台车和电瓶车的重心位置点，施加集中力分别作为台车和电瓶车车身车载物体重量的载荷，然后以2km/h的行进速度，进而得到应力显示图，分析出应力较小位置；
步骤四、铁轨空间限定：在模型中设置铁轨-轨枕接触面法向上为不可分离，沿轨道方向有库伦摩擦系数0.15的摩擦力，在边界条件中限制铁轨横向上的活动；
步骤五、轨距调整：增大相邻轨枕间距，然后重复步骤二、步骤三和步骤四的操作进行分析计算。
优选的，所述步骤一中简化的模型以设定两种车辆均具有前后对称性为基础，分别取电瓶车后面一对轮对和台车前四对轮对作为模型参与计算，同时减小了两车前后距离。
优选的，所述有限元软件选用Abaqus仿真软件。
优选的，所述步骤三中在台车每个轮对-车桥的几何中心偏左278mm的地方设置重心位置点，并对其各施加196kN的集中力作为台车车身车载物体重量的载荷，对于电瓶车不考虑车身的偏心，在车桥中施加225.4kN竖直向下的集中力。
优选的，所述步骤三中分别给电瓶车、台车轮对施加1.215rad/s和2.75rad/s的角速度的驱动使车辆以2km/h的行进速度匀速前进。
优选的，所述步骤三中应力较小位置位于内外轨道之间轨枕槽型翼缘倒三角部位。
优选的，所述步骤五中相邻轨枕间距从L1＝600mm增大到L2＝1200mm。
本发明还公开了一种轨道轨枕的优化结构，所述轨枕包括槽型板和弧形板，所述槽型板的底部与弧形板的顶部固定连接，所述槽型板内腔的底部固定连接有肋板，且肋板的底部与弧形板的顶部固定连接，所述轨枕的顶部通过定制压板与铁轨的底部固定连接，且轨枕的前后两侧均开设有三角孔。
(三)有益效果
本发明提供了一种轨道轨枕受力检测方法及其优化结构。具备以下有益效果：
(1)、该轨道轨枕受力检测方法及其优化结构，通过步骤一、模型尺寸及相关数据：在该轨道系统中内外轨道间距离为900mm、1300mm，分别供电瓶车和台车行进，前后相邻轨枕距以L1＝600mm来计算，其中电瓶车质量M电瓶车＝46t，而台车质量M台车＝120t，并对该模型进行简化，车辆以2km/h的速度行进；步骤二、材料定义：对于轨枕选用Q235号碳素结构钢、铁轨选用45Mn号优质碳素结构钢；步骤三、模型参数设置与计算：1、模块与分析步：采用有限元软件的动态显式，模块计算，分析步时间历程取为0.4s,设置几何非线性，对模型的动态大变形进行分析；2、接触关系限定：轮对-铁轨、铁轨-轨枕、轨枕-管片间采用面—节点接触方式，设置法向、切向摩擦系数为0.15(钢铁-钢铁)/0.4(钢铁-混凝土)的摩擦力的接触关系，并且铁轨-轨枕的接触中在法向上令两接触面不可分离；3、加载载荷：在台车和电瓶车的重心位置点，施加集中力分别作为台车和电瓶车车身车载物体重量的载荷，然后以2km/h的行进速度，进而得到应力显示图，分析出应力较小位置；步骤四、铁轨空间限定：在模型中设置铁轨-轨枕接触面法向上为不可分离，沿轨道方向有库伦摩擦系数0.15的摩擦力，在边界条件中限制铁轨横向上的活动；步骤五、轨距调整：增大相邻轨枕间距，然后重复步骤二、步骤三和步骤四的操作进行分析计算，利用有限元软件进行分析设定，直接利用模拟的方式得到承受应力数据，并且针对应力对模型进行简化设定，不仅有效的降低了计算时间，还更加迅速的得到相应应力数据。
(2)、该轨道轨枕受力检测方法及其优化结构，通过轨枕包括槽型板和弧形板，槽型板的底部与弧形板的顶部固定连接，槽型板内腔的底部固定连接有肋板，肋板的底部与弧形板的顶部固定连接，轨枕的顶部通过定制压板与铁轨的底部固定连接，轨枕的前后两侧均开设有三角孔，配合肋板和三角孔的设置，形成双肋板形式的承力结构，保证结构承力时的稳定性，同时还方便了对轨枕的搬运铺设，而且直接去除应力最小的部位，开设出三角孔，在安装时有利于对螺栓螺母进行操作，并且可以减轻钢轨重量，节省材料。
附图说明
图1为本发明轨枕的结构示意图；
图2为本发明轨枕结构的剖视图；
图3为本发明轨枕和铁轨结构的连接示意图；
图4为本发明轨枕的俯视图；
图5为本发明间距600mm时不同时间下的最大应力变化折线图；
图6为本发明间距1200mm时不同时间下的最大应力变化折线图；
图7为本发明轨枕和铁轨的材料表图。
图中，1—轨枕、2—槽型板、3—弧形板、4—肋板、5—定制压板、6—铁轨、7—三角孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明实施例提供一种技术方案：一种轨道轨枕受力检测方法，具体包括以下步骤：步骤一、模型尺寸及相关数据：在该轨道系统中内外轨道间距离为900mm、1300mm，分别供电瓶车和台车行进，前后相邻轨枕距以L1＝600mm来计算，其中电瓶车质量M电瓶车＝46t，而台车质量M台车＝120t，并对该模型进行简化，车辆以2km/h的速度行进；步骤二、材料定义：对于轨枕1选用Q235号碳素结构钢、铁轨6选用45Mn号优质碳素结构钢；步骤三、模型参数设置与计算：1、模块与分析步：采用有限元软件的动态显式，模块计算，分析步时间历程取为0.4s,设置几何非线性，对模型的动态大变形进行分析；2、接触关系限定：轮对-铁轨6、铁轨6-轨枕1、轨枕1-管片间采用面—节点接触方式，设置法向、切向摩擦系数为0.15(钢铁-钢铁)/0.4(钢铁-混凝土)的摩擦力的接触关系，并且铁轨-轨枕的接触中在法向上令两接触面不可分离；3、加载载荷：在台车和电瓶车的重心位置点，施加集中力分别作为台车和电瓶车车身车载物体重量的载荷，然后以2km/h的行进速度，进而得到应力显示图，分析出应力较小位置；步骤四、铁轨空间限定：在模型中设置铁轨6-轨枕1接触面法向上为不可分离，沿轨道方向有库伦摩擦系数0.15的摩擦力，在边界条件中限制铁轨横向上的活动；步骤五、轨距调整：增大相邻轨枕1间距，然后重复步骤二、步骤三和步骤四的操作进行分析计算，利用有限元软件进行分析设定，直接利用模拟的方式得到承受应力数据，并且针对应力对模型进行简化设定，不仅有效的降低了计算时间，还更加迅速的得到相应应力数据。
步骤一中简化的模型以设定两种车辆均具有前后对称性为基础，分别取电瓶车后面一对轮对和台车前四对轮对作为模型参与计算，同时减小了两车前后距离，有限元软件选用Abaqus仿真软件，步骤三中在台车每个轮对-车桥的几何中心偏左278mm的地方设置重心位置点，并对其各施加196kN的集中力作为台车车身车载物体重量的载荷，对于电瓶车不考虑车身的偏心，在车桥中施加225.4kN竖直向下的集中力，步骤三中分别给电瓶车、台车轮对施加1.215rad/s和2.75rad/s的角速度的驱动使车辆以2km/h的行进速度匀速前进，步骤三中应力较小位置位于内外轨道之间轨枕槽型翼缘倒三角部位，步骤五中相邻轨枕1间距从L1＝600mm增大到L2＝1200mm。
本发明还公开了一种轨道轨枕的优化结构，轨枕1包括槽型板2和弧形板3，槽型板2的底部与弧形板3的顶部固定连接，槽型板2内腔的底部固定连接有肋板4，肋板4的底部与弧形板3的顶部固定连接，轨枕1的顶部通过定制压板5与铁轨6的底部固定连接，轨枕1的前后两侧均开设有三角孔7，配合肋板4和三角孔7的设置，形成双肋板形式的承力结构，保证结构承力时的稳定性，同时还方便了对轨枕1的搬运铺设，而且直接去除应力最小的部位，开设出三角孔7，在安装时有利于对螺栓螺母进行操作，并且可以减轻钢轨重量，节省材料。
综上所述，由图5、图6和图7可以看出，在轨枕间距由600mm增大到1200mm的情况下，轨枕腹板处最大Mises应力从100MPa增大到160-170MPa左右。钢轨所用材料为45Mn，其屈服强度为375MPa,依然满足安全性要求，在车辆启动初时对轨道轨枕系统的应力会较大，而上述应力均指车辆平稳行进时的应力情况，因此在车辆始发位置适当减小轨距，可以保障车辆安全停驶。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种轨道轨枕受力检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、模型尺寸及相关数据：在该轨道系统中内外轨道间距离为900mm、1300mm，分别供电瓶车和台车行进，前后相邻轨枕距以L1＝600mm来计算，其中电瓶车质量M电瓶车＝46t，而台车质量M台车＝120t，并对该模型进行简化，车辆以2km/h的速度行进；
步骤二、材料定义：对于轨枕(1)选用Q235号碳素结构钢、铁轨(6)选用45Mn号优质碳素结构钢；
步骤三、模型参数设置与计算：
1、模块与分析步：采用有限元软件的动态显式，模块计算，分析步时间历程取为0.4s,设置几何非线性，对模型的动态大变形进行分析；
2、接触关系限定：轮对-铁轨(6)、铁轨(6)-轨枕(1)、轨枕(1)-管片间采用面—节点接触方式，设置法向、切向摩擦系数为0.15(钢铁-钢铁)/0.4(钢铁-混凝土)的摩擦力的接触关系，并且铁轨-轨枕的接触中在法向上令两接触面不可分离；
3、加载载荷：在台车和电瓶车的重心位置点，施加集中力分别作为台车和电瓶车车身车载物体重量的载荷，然后以2km/h的行进速度，进而得到应力显示图，分析出应力较小位置；
步骤四、铁轨空间限定：在模型中设置铁轨(6)-轨枕(1)接触面法向上为不可分离，沿轨道方向有库伦摩擦系数0.15的摩擦力，在边界条件中限制铁轨横向上的活动；
步骤五、轨距调整：增大相邻轨枕(1)间距，然后重复步骤二、步骤三和步骤四的操作进行分析计算。
2.根据权利要求1所述的一种轨道轨枕受力检测方法，其特征在于：所述步骤一中简化的模型以设定两种车辆均具有前后对称性为基础，分别取电瓶车后面一对轮对和台车前四对轮对作为模型参与计算，同时减小了两车前后距离。
3.根据权利要求1所述的一种轨道轨枕受力检测方法，其特征在于：所述有限元软件选用Abaqus仿真软件。
4.根据权利要求1所述的一种轨道轨枕受力检测方法，其特征在于：所述步骤三中在台车每个轮对-车桥的几何中心偏左278mm的地方设置重心位置点，并对其各施加196kN的集中力作为台车车身车载物体重量的载荷，对于电瓶车不考虑车身的偏心，在车桥中施加225.4kN竖直向下的集中力。
5.根据权利要求1所述的一种轨道轨枕受力检测方法，其特征在于：所述步骤三中分别给电瓶车、台车轮对施加1.215rad/s和2.75rad/s的角速度的驱动使车辆以2km/h的行进速度匀速前进。
6.根据权利要求1所述的一种轨道轨枕受力检测方法，其特征在于：所述步骤三中应力较小位置位于内外轨道之间轨枕槽型翼缘倒三角部位。
7.根据权利要求1所述的一种轨道轨枕受力检测方法，其特征在于：所述步骤五中相邻轨枕(1)间距从L1＝600mm增大到L2＝1200mm。
8.一种轨道轨枕的优化结构，其特征在于：所述轨枕(1)包括槽型板(2)和弧形板(3)，所述槽型板(2)的底部与弧形板(3)的顶部固定连接，所述槽型板(2)内腔的底部固定连接有肋板(4)，且肋板(4)的底部与弧形板(3)的顶部固定连接，所述轨枕(1)的顶部通过定制压板(5)与铁轨(6)的底部固定连接，且轨枕(1)的前后两侧均开设有三角孔(7)。
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