CN110162846A - 一种弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，涉及轨道设计技术领域。该弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法包括：对钢轨施加载荷，以使载荷通过铁垫板传递至板下垫层，其中，铁垫板、板下垫层和轨枕从上至下依次层叠设置，钢轨设置于铁垫板上；获取板下垫层的位移数据和加载于钢轨的载荷的载荷数据，以依据位移数据和载荷数据得到非线性荷载‑位移曲线；建立铁垫板‑板下垫层‑轨枕三维实体有限元模型；将非线性荷载‑位移曲线导入铁垫板‑板下垫层‑轨枕三维实体有限元模型中，以计算得到铁垫板下组合刚度。本发明提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法能够得到更加准确的设计结果。

Description

一种弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法

技术领域

本发明涉及轨道设计技术领域，具体而言，涉及一种弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法。

背景技术

目前，对于铁路弹性分开式扣件系统理论刚度设计所采用的传统设计方法中，将铁垫板看作是均匀变形的刚体进行计算。

但是，在锚固螺栓预紧后，铁垫板会发生“中间高两端低”的翘曲变形，然后在列车通过时，铁垫板又会出现“中间低两端高”的挠曲变形，而且铁垫板下垫层往往具有明显的超弹性特征。按照传统设计方法，将铁垫板看作是均匀变形的刚体进行计算，必然会导致铁垫板下的设计刚度与实际不符。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其能够得到与弹性分开式扣件系统铁垫板下实际组合刚度一致的理论设计值。

本发明提供一种技术方案：

一种弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，包括：

对钢轨施加载荷，以使所述载荷通过铁垫板传递至板下垫层，其中，所述铁垫板、所述板下垫层和轨枕从上至下依次层叠设置，所述钢轨设置于所述铁垫板上；

获取所述板下垫层的位移数据和加载于所述钢轨的所述载荷的载荷数据，以依据所述位移数据和所述载荷数据得到非线性荷载-位移曲线；

建立铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型；

将所述非线性荷载-位移曲线导入所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型中，以计算得到铁垫板下组合刚度。

进一步地，在所述对钢轨施加载荷，以使所述载荷通过铁垫板传递至板下垫层的步骤之前，所述弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法还包括：

将所述钢轨、所述铁垫板及所述板下垫层进行组装，组装完成后置于预设温度环境中保持预设时间。

进一步地，所述对钢轨施加载荷的步骤包括：

对所述钢轨进行至少两次第一加载；

对所述钢轨进行多次第二加载；

对进行所述第二加载后的所述板下垫层变形产生的位移进行测量，并得到所述位移数据。

进一步地，所述对所述钢轨进行至少两次第一加载的步骤包括：

以第一加载速率进行至少两次所述第一加载，其中，所述第一加载的最大值高于所述板下垫层的刚度荷载至少10kN。

进一步地，所述对所述钢轨进行多次第二加载的步骤包括：

以第二加载速率进行多次所述第二加载，其中，所述第二加载每隔第一载荷间隔保持第一预设时间直至第一预设加载值，且所述第二加载从第一预设加载值每隔第二载荷间隔保持第二预设时间直至第二预设加载值。

进一步地，所述对进行所述第二加载后的所述板下垫层变形产生的位移进行测量，并得到位移数据的步骤包括：

使用至少两个百分表对所述第二加载后的所述铁垫板的位移进行测量，以得到所述板下垫层的所述位移数据，其中，至少两个所述百分表设置于所述铁垫板上；

计算所述至少两个百分表的测量结果的平均值作为所述位移数据。

进一步地，所述建立铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的步骤包括：

将所述铁垫板依据实际尺寸建立原比例精细化三维模型，并依据第一实体单元模拟，并赋予第一密度、第一弹性模量和第一泊松比；

将所述板下垫层依据第一弹簧单元模拟，并导入所述非线性荷载-位移曲线；

将所述轨枕依据第二实体单元模拟，并赋予第二密度、第二弹性模量和第二泊松比。

进一步地，所述将所述非线性荷载-位移曲线导入所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型中，以计算得到铁垫板下组合刚度的步骤包括：

依次在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型上施加模拟锚固螺栓预紧力与模拟列车荷载，得到所述铁垫板的位移差，所述位移差表示施加所述列车荷载前后所述铁垫板轨底外侧的位移变化值；

通过以下公式计算所述铁垫板下组合刚度：

K＝F/S，

其中，K表示所述铁垫板下组合刚度，F表示所述模拟列车荷载，S表示所述位移差。

进一步地，所述依次在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型上施加模拟锚固螺栓预紧力与模拟列车荷载，得到所述铁垫板的位移差的步骤包括：

在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的螺栓孔周边施加所述模拟锚固螺栓预紧力，并获取在所述模拟锚固螺栓预紧力的作用下的所述铁垫板的第一位移；

在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的铁垫板上方施加所述模拟列车荷载，并获取在所述模拟锚固螺栓预紧力与所述模拟列车荷载共同作用下的所述铁垫板的第二位移；

计算所述第二位移与所述第一位移的差值得到所述位移差。

进一步地，所述在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的螺栓孔周边施加所述模拟锚固螺栓预紧力，并获取在所述模拟锚固螺栓预紧力的作用下的所述铁垫板的第一位移的步骤包括：

通过如下公式计算得到锚固螺栓扭力矩：

其中，M表示所述锚固螺栓扭力矩；P表示所述模拟锚固螺栓预紧力；d2表示螺纹中径；β表示螺纹半角度；t表示螺距；f’表示螺栓与螺母之间的摩擦系数；f表示螺母与所述铁垫板的支承面间的摩擦系数，其中，螺母与所述铁垫板抵持；R表示螺母的外半径；r表示螺母的内半径。

相比现有技术，本发明提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，通过获取板下垫层的位移数据和加载于钢轨的载荷的载荷数据，并依据位移数据和载荷数据得到非线性荷载-位移曲线，建立铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型，并将非线性荷载-位移曲线导入铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型中，以计算得到铁垫板下组合刚度。即本方法将铁垫板视为柔体，通过非线性-位移曲线与三维有限元模型结合，真实反映板下垫层超弹性在铁垫板非均匀变形情况下对板下组合刚度的影响。因此，本发明提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法的有益效果是：能够得到更加准确的设计结果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的实施例提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法的流程示意框图；

图2为图1中步骤S102的子步骤流程示意框图；

图3为图1中步骤S103得到的非线性荷载-位移曲线图；

图4为图1中步骤S103得到的铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型图；

图5为图1中步骤S104的子步骤流程示意框图；

图6为图1中步骤S105的子步骤流程示意框图；

图7为图6中步骤S1051的子步骤流程示意框图；

图8为图7中步骤S10511得到的铁垫板的翘曲变形的曲线图；

图9为图7中步骤S10512得到的铁垫板的挠曲变形的曲线图；

图10为施加250N·m锚固螺栓扭矩和50kN列车荷载的实际测试情况示意图；

图11为本发明的实施例提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法的设计结果与实际测试结果的对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例

图1为本发明的实施例提供的一种弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法的流程示意框图，请参照图1，该弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法包括：

S101，将钢轨、铁垫板及板下垫层进行组装，组装完成后置于预设温度环境中保持预设时间。

本实施例中采用的钢轨为60kg/m短钢轨，铁垫板采用DZIII型弹性分开式扣件系统铁垫板。预设温度取23±3℃，预设时间为24h，经过恒温保持后的实验组合件，在一定程度上避免温度对材质变形的影响，使得设计结果更加准确。

进一步地，该弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法还包括：

S102，对钢轨施加载荷，以使载荷通过铁垫板传递至板下垫层，其中，铁垫板、板下垫层和轨枕从上至下依次层叠设置，钢轨设置于铁垫板上。

进一步地，请参照图2所示，步骤S102还可以包括以下子步骤：

子步骤S1021，对钢轨进行至少两次第一加载。

以第一加载速率进行至少两次第一加载，其中，第一加载的最大值高于板下垫层的刚度荷载至少10kN。

本实施例中，采用最大可施加1000kN加载的万能力学试验机进行载荷施加。本实施例中，以3～5kN/s的第一加载速率进行两次以上第一加载，以消除高分子材料的Mullins效应。

子步骤S1022，对钢轨进行多次第二加载。

以第二加载速率进行多次第二加载，其中，第二加载每隔第一载荷间隔保持第一预设时间直至第一预设加载值，且第二加载从第一预设加载值每隔第二载荷间隔保持第二预设时间直至第二预设加载值。

本实施例中，在第一加载结束后，以1～2kN/s的第二加载速率进行3此正式加载，同时每隔10kN设置一个加载点逐级加载到200kN。

即本实施例中，第一预设加载值为200kN，并在刚度测试荷载范围两端点保持荷载90s，荷载小于100kN时可缩短至60s。

子步骤S1023，对进行第二加载后的板下垫层变形产生的位移进行测量，并得到位移数据。

使用至少两个百分表对第二加载后的铁垫板的位移进行测量，以得到板下垫层的位移数据，其中，至少两个百分表设置于铁垫板上；

计算至少两个百分表的测量结果的平均值作为位移数据。

进一步地，该弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法还包括：

S103，获取板下垫层的位移数据和加载于钢轨的载荷的载荷数据，以依据位移数据和载荷数据得到非线性荷载-位移曲线。

本实施例中，采用示值精度为0.01mm的百分表进行测量，待测试位移稳定时，读取并记录铁垫板轨底外侧两个百分表读数，以其平均值作为测试的位移结果。

经过步骤S103，得到如图3所示的板下垫层在不同荷载范围下的荷载_位移曲线。

进一步地，该弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法还包括：

S104，建立铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型。

在本模型中，除允许垂直方向的变形与绕垂直方向的转动变形外，约束其余方向的自由度，并对轨枕底部施加固定约束。

铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型如图4所示。

进一步地，请参照图5所示，步骤S104还可以包括以下子步骤：

子步骤S1041，将铁垫板依据实际尺寸建立原比例精细化三维模型，并依据第一实体单元模拟，本实施例中，采用实体单元SOLID187进行模拟，并赋予第一密度、第一弹性模量和第一泊松比。

子步骤S1042，将板下垫层依据第一弹簧单元模拟，本实施例中，采用非线性弹簧单元COMBIN39进行模拟，并导入非线性荷载-位移曲线。

子步骤S1043，将轨枕依据第二实体单元模拟，本实施例中，采用实体单元SOLID45进行模拟，并赋予第二密度、第二弹性模量和第二泊松比。

其中，铁垫板以及轨枕的力学参数设计如表1所示：

表1

进一步地，该弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法还包括：

S105，将非线性荷载-位移曲线导入铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型中，以计算得到铁垫板下组合刚度。

进一步地，请参照图6所示，步骤S105还可以包括以下子步骤：

子步骤S1051，依次在铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型上施加模拟锚固螺栓预紧力与模拟列车荷载，得到铁垫板的位移差，位移差表示施加列车荷载前后铁垫板轨底外侧的位移变化值。

本实施例中，取单个螺栓锚固螺栓扭力矩250N·m，得到单个螺栓锚固螺栓扭力矩250N·m时对应的模拟锚固螺栓预紧力约为60kN。并且，施加的模拟列车荷载大小为50kN。

对于锚固螺栓扭力矩与模拟锚固螺栓预紧力的关系为：

其中，M表示锚固螺栓扭力矩；P表示模拟锚固螺栓预紧力；d2表示螺纹中径；β表示螺纹半角度；t表示螺距；f’表示螺栓与螺母之间的摩擦系数；f表示螺母与铁垫板的支承面间的摩擦系数，其中，螺母与铁垫板抵持；R表示螺母的外半径；r表示螺母的内半径。

进一步地，请参照图7所示，子步骤S1051还可以包括以下子步骤：

S10511，在铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的螺栓孔周边施加模拟锚固螺栓预紧力，并获取在模拟锚固螺栓预紧力的作用下的铁垫板的第一位移；

S10512，在铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的铁垫板上方施加模拟列车荷载，并获取在模拟锚固螺栓预紧力与模拟列车荷载共同作用下的铁垫板的第二位移；

S10513，计算第二位移与第一位移的差值得到位移差。

通过提取列车荷载后，通过提取模拟列车荷载作用前后(即单独模拟锚固螺栓预紧力作用下以及模拟锚固螺栓预紧力与模拟列车荷载共同作用下)铁垫板上不同位置的垂向位移可以发现，铁垫板在单独模拟锚固螺栓预紧力作用下会发生如图8所示的“中间高两端低”的翘曲变形，而在模拟锚固螺栓预紧力与模拟列车荷载共同作用下铁垫板出现如图9所示的“中间低两端高”的挠曲变形现象。进而，获取数据得到本实施例中的位移差为0.493mm。

进一步地，子步骤S1051还可以包括以下子步骤：

子步骤S1052，通过以下公式计算铁垫板下组合刚度：

K＝F/S，

其中，K表示铁垫板下组合刚度，F表示模拟列车荷载，S表示位移差。

即，本实施例中F取50kN，S为0.493mm，故，本实施例中弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度为101.4kN/mm。

为了验证本实施例提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法的可靠性与准确性，通过施加锚固螺栓扭矩250N·m和列车荷载50kN后(测试情况如图10所示)，提取了锚固螺栓预紧力与列车荷载共同作用下铁垫板上不同位置的实测挠曲变形，并与本实施例提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法的设计结果进行对比，对比结果如图11所示，可见，在相同工况下本方法与实测所得的铁垫板各测点垂向位移之间最大差值仅为8％，满足工程设计精度要求(一般不超过10％)，因此本实施例提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法可行。另外，利用本方法还可以分别考虑铁垫板尺寸、板下垫层超弹性力学特征、螺栓孔间距、螺栓扭矩等因素对弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的影响。

因此，本实施例提供的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法除能够得到更加准确的设计结果外，还能够对多种影响弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的因素进行分别研究。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，包括：

对钢轨施加载荷，以使所述载荷通过铁垫板传递至板下垫层，其中，所述铁垫板、所述板下垫层和轨枕从上至下依次层叠设置，所述钢轨设置于所述铁垫板上；

获取所述板下垫层的位移数据和加载于所述钢轨的所述载荷的载荷数据，以依据所述位移数据和所述载荷数据得到非线性荷载-位移曲线；

建立铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型；

将所述非线性荷载-位移曲线导入所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型中，以计算得到铁垫板下组合刚度。

2.根据权利要求1所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，在所述对钢轨施加载荷，以使所述载荷通过铁垫板传递至板下垫层的步骤之前，所述弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法还包括：

将所述钢轨、所述铁垫板及所述板下垫层进行组装，组装完成后置于预设温度环境中保持预设时间。

3.根据权利要求1所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，所述对钢轨施加载荷的步骤包括：

对所述钢轨进行至少两次第一加载；

对所述钢轨进行多次第二加载；

对进行所述第二加载后的所述板下垫层变形产生的位移进行测量，并得到所述位移数据。

4.根据权利要求3所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，所述对所述钢轨进行至少两次第一加载的步骤包括：

以第一加载速率进行至少两次所述第一加载，其中，所述第一加载的最大值高于所述板下垫层的刚度荷载至少10kN。

5.根据权利要求3所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，所述对所述钢轨进行多次第二加载的步骤包括：

以第二加载速率进行多次所述第二加载，其中，所述第二加载每隔第一载荷间隔保持第一预设时间直至第一预设加载值，且所述第二加载从第一预设加载值每隔第二载荷间隔保持第二预设时间直至第二预设加载值。

6.根据权利要求3所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，所述对进行所述第二加载后的所述板下垫层变形产生的位移进行测量，并得到位移数据的步骤包括：

使用至少两个百分表对所述第二加载后的所述铁垫板的位移进行测量，以得到所述板下垫层的所述位移数据，其中，至少两个所述百分表设置于所述铁垫板上；

计算所述至少两个百分表的测量结果的平均值作为所述位移数据。

7.根据权利要求1所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，所述建立铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的步骤包括：

将所述铁垫板依据实际尺寸建立原比例精细化三维模型，并依据第一实体单元模拟，并赋予第一密度、第一弹性模量和第一泊松比；

将所述板下垫层依据第一弹簧单元模拟，并导入所述非线性荷载-位移曲线；

将所述轨枕依据第二实体单元模拟，并赋予第二密度、第二弹性模量和第二泊松比。

8.根据权利要求1所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，所述将所述非线性荷载-位移曲线导入所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型中，以计算得到铁垫板下组合刚度的步骤包括：

依次在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型上施加模拟锚固螺栓预紧力与模拟列车荷载，得到所述铁垫板的位移差，所述位移差表示施加所述列车荷载前后所述铁垫板于轨底外侧的位移变化值；

通过以下公式计算所述铁垫板下组合刚度：

K＝F/S，

其中，K表示所述铁垫板下组合刚度，F表示所述模拟列车荷载，S表示所述位移差。

9.根据权利要求8所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，所述依次在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型上施加模拟锚固螺栓预紧力与模拟列车荷载，得到所述铁垫板的位移差的步骤包括：

在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的螺栓孔周边施加所述模拟锚固螺栓预紧力，并获取在所述模拟锚固螺栓预紧力的作用下的所述铁垫板的第一位移；

在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的铁垫板上方施加所述模拟列车荷载，并获取在所述模拟锚固螺栓预紧力与所述模拟列车荷载共同作用下的所述铁垫板的第二位移；

计算所述第二位移与所述第一位移的差值得到所述位移差。

10.根据权利要求9所述的弹性分开式扣件系统铁垫板下组合刚度的设计方法，其特征在于，所述在所述铁垫板-板下垫层-轨枕三维实体有限元模型的螺栓孔周边施加所述模拟锚固螺栓预紧力，并获取在所述模拟锚固螺栓预紧力的作用下的所述铁垫板的第一位移的步骤包括：

通过以下公式计算得到锚固螺栓扭力矩：

其中，M表示所述锚固螺栓扭力矩；P表示所述模拟锚固螺栓预紧力；d2表示螺纹中径；β表示螺纹半角度；t表示螺距；f’表示螺栓与螺母之间的摩擦系数；f表示螺母与所述铁垫板的支承面间的摩擦系数，其中，螺母与所述铁垫板抵持；R表示螺母的外半径；r表示螺母的内半径。