地铁道岔滑床板伤损原因分析及整治措施

2021年5月21日00:00:09
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道岔是轨道交通的咽喉所在,折返道岔更是重中之重,而折返道岔病害中又以滑床板伤损较为突出。针对滑床板现阶段的病害分类,通过受力分析深入研究,摸清导致病害产生的各种因素,从而对症下药专项整治消除此类病害,以提高设备使用寿命和安全系数,本文以广州地铁五号线文冲折返道岔为例)。

一、滑床板伤损现状调查分析

五号线于2009年底开通,2013年之前滑床板伤损仅以零星发生不具代表性,从2013年开始文冲道岔滑床板伤损故障率呈直线上升趋势且有规律分布,究其原因首先与五号线运营已达8年之久有关,各关键道岔列车通过车次已累计达42万车次处于道岔中修期,其次与线路设备养护不良、五号线新型列车上线使用等因素有关。

1、常见滑床板伤损分类

经对文冲折返道岔滑床板伤损跟踪调查,并收集近3年的滑床板病害更换记录,统计滑床板病害主要类型如下:

(1)滑床板底板中部断裂(或裂纹);

(2) 滑床台焊缝脱焊(或裂纹);

(3)滑床板弹片中部断裂。

统计各类型滑床板伤损数量,可发现滑床板底板断裂(或裂纹)占比重较大达78%, 滑床台脱焊(或裂纹)占比重13%,滑床板弹片断裂占比重9%。可见在几种常见病害中又以滑床板底板断裂(或裂纹)病害最为突出。其它滑床板伤损如滑床台面划痕,此类病害与尖轨轨底不平有毛刺及运营期间异物掉落有关,整改以打磨为主。

2、伤损滑床板位置分布

(1)伤损滑床板主要分布在道岔曲尖轨一侧,列车通过时滑床板除受竖向荷载外还受离心力产生的横向荷载,受力复杂。

(2)文冲折返道岔均采用9号道岔,9号道岔直曲各有16块滑床板,伤损滑床板主要分布在第7-16块间(不包含第7块滑床板),而前7块滑床板则很少发生类似病害。

尖轨顶宽50mm处正好对应第7块滑床板,而尖轨顶宽50nm后将承受列车全部荷载,滑床板受力明显增加,现场滑床板伤损分布与滑床板受力情况基本一致。

3、现有道岔使用频率与滑床板伤损的关系

因列车折返模式的不同,同一岔群的不同道岔使用频次各不相同。使用频率高的道岔,滑床板的疲劳伤损也相应较高,使用寿命较短,使用频率低的道岔则相反。从文冲折返道岔的折返模式看(红色虚线及箭头为列车折返走行线路)使用频率主要集中在W2415、W2407、W2405、W2411、W2413五组道岔,且列车均通过曲尖轨,而滑床板伤损则与道岔使用频率分布及曲生轨晋力分布一致。

地铁道岔滑床板伤损原因分析及整治措施

图1 文冲折返道岔示意图

4、整体道床与碎石道床滑床板伤损区别

五号线鱼珠车辆段采用碎石道床铺设,全厂共计铺设63组道岔,未发现一例滑床板断裂(或裂纹)、脱焊现象,而正线仅文冲折返道岔即发现23处,由此可见整体道床与碎石道床线路差异较大,铺设于整体道床的滑床板断裂或脱焊概率大的多,根本原因在于两种道床的刚度明显不同,碎石道床列车经过时滑床板受力可以通过轨枕传递给碎石道床卸载,而整体道床只能通过滑床板下大胶垫以及基本轨轨下胶垫进行缓冲,效果明显不同。

二、滑床板伤损受力分析

滑床板伤损与其使用过程中的复杂受力情况关系密切,滑床板受力发生变形会产生一定的变形量,当变形量超过滑床板自身的弹性变形量时则发生断裂,当滑床台焊缝强度低于底板受力变形产生的抵抗力时则发生脱焊。本文以曲尖轨顶宽50mm 处(即曲尖轨开始完全受力,基本轨不在直接受力时)之后的滑床板受力情况为研究模型,以列车通过时的受力为理想受力状态,从影响滑床板病害的各项受力因素考虑,研究导致滑床板伤损的原因。

1、正常状态下,滑床板整体受力情况分析

当列车经过曲尖轨时,滑床板主要受力情况为:列车经过曲尖轨时因离心作用给直基本轨一个横向作用力F1,直基本轨为抵抗侧倾分别对滑床板底板和滑床台舌尖产生两个力F2、F3,列车因自重通过尖轨对滑床板产生竖向荷载F4,滑床台与底板的焊缝的粘着力F5,以及滑床板下大胶垫对滑床板的支撑力F0,(设备自身重力相对于列车经过时产生的作用力可忽略不计)如下图示:

地铁道岔滑床板伤损原因分析及整治措施

图2 滑床板受力分析图

2、滑床台脱焊受力分析(力矩分析法)

力矩;力和力臂的乘积叫做力对转动轴的力矩,即M=P*L。式中M是力P对转动轴0的力矩,凡是使物体产生反时针方向转动效果的,定为正力矩,反之为负力矩。

根据图2分析滑床台脱焊受力,滑床台以0点为支点产生一个力矩平衡,即F3* (11+ 12) = F5*12。当F3产生的扳动力矩(负力矩)大于焊缝焊接强度也即滑床台与底板焊缝的粘着力的抵抗力矩(正力矩) (F5*12) 时,滑床台会脱焊破坏。根据以往滑床台脱焊后的焊缝新旧程度,可判断滑床台均非一次性脆性脱焊,判断为经过列车的反复作用后,焊缝裂纹逐步发展成全面脱焊,期间F5大小逐渐降低,力臂12逐步减小,如无尖轨直接作用于滑床台表面则会发生全面脱焊及掀盖情况发生。另外,滑床台脱焊与焊缝的焊接质量不良也有直接关系。

当基本轨轨底与滑床台槽边有缝,即图2示11的距离,11值越大则力矩F3* (11+ 12)越大,12为定值则相应的F5数值越大,F5越接近滑床台与底板焊缝粘着力极限时则发生脱焊的概率越高,对滑床台的焊缝破坏也越大,故基本轨轨底与滑床台槽边缝隙值11越大则滑床台更容易脱焊。

3、滑床板底板断裂(或裂纹)分析

由滑床板整体受力分析知,滑床板底板受力主要有列车经过时的竖向荷载F4和基本轨因抵抗侧倾的压力F2,以及滑床板下大胶垫a对底板的支撑力F0。底板断裂(或裂纹)除受列车经过时外力影响外,也与底板下大胶垫及调高垫片的不当使用有关。

(1)底板胶垫或垫片过厚导致的底板断裂(或裂纹)底板下铺设12mm的大胶垫,当底板两端地脚螺栓扭矩较大时(超过120Nm),大胶垫将给底板一个向上的作用力,而底板上表面则形成拉应力,螺栓扭矩越大,大胶垫(或垫片)越厚,底板上表面拉应力越大。当有列车经过时底板受列车的竖向荷载在底板上表面产生压应力,如此将造成在过车和不过车时上表面处于拉应力-压应力的循环应力状态。如下图:

地铁道岔滑床板伤损原因分析及整治措施

图3 滑床板下胶垫受力分析图

以上情况当底板上表面的拉应力过大,突然承受列车竖向荷载时容易发生脆性断裂,即使上表面拉应力不足以导致底板脆性断裂,当经列车循环经过易在底板中部发生疲劳伤损产生裂纹,从而导致断裂发生。

(2)底板下空吊或侧吊导致的底板断裂(或裂纹)底板空吊主要与大胶垫变形有关,侧吊与底板下垫片使用不均匀有关。

空吊情况下:列车经过时底板受竖向力向下产生一定的形变量,底板上表面承受压应力,底板下方空隙值越大,底板形变量则越大,因此当底板变形超过自身挠度时即发生断裂或裂纹,当底板变形量小于底板自身挠度,在列车循环经过时底板中部也易发生疲劳伤损而产生裂纹,进一步导致断裂。

侧吊情况下:侧吊主要是为消除轨底空吊而在大胶垫下不当的使用了部分感应板垫片或其他垫片,导致滑床板下单侧密贴另一侧悬空的状态,在列车经过时易在大胶垫下密贴处形成剪力点,滑床板底板受剪力破坏导致裂纹或断裂。

4、其他受力因素对滑床板伤损影响

钢轨波磨对滑床板受力的影响

小半径曲线易形成波磨,道岔侧向过岔时即为一段小半径曲线。以文冲站折返道岔为例,因道岔距站台较近,列车在折返岔群进行折返时会在道岔区域完成加速-减速为零-加速的折返模式,复杂的受力情况,造成折返道岔曲尖轨、导曲线等部位波磨较为严重,而钢轨波磨又加剧了尖轨受力的复杂性。

如钢轨波磨严重时,钢轨表面不平顺,轮轨作用力急剧增加,特别是轮对经过波峰时冲击力达到最大值,而列车经过波谷时受力减小,滑床板频繁承受尖轨传递的高频振动力,除容易造成疲劳伤损外,也会造成滑床板瞬间受力超过其最大变形挠度而发生断裂。

三、措施

经以上滑床板外在受力影响因素及内在断裂原因的分析,整治滑床板病害可从以下几方面逐步展开:

1、将既有滑床板逐步更换为强度更高的钢制型,规范滑床板构造工艺,避免因制造工艺导致滑床板产生的应力集中。

2、将滑床板下大胶垫更换为高强度、高弹性的胶垫,规范滑床板下大胶垫的使用规格,严禁使用厚度不均匀不合格的大胶垫,及时更换变形的大胶垫。

3、对道岔区域的曲尖轨、导曲线、辙叉心钢轨波磨及时打磨,消除高频振动力突然施加在滑床板上的瞬间高强荷载。

4、定期对滑床板面高程进行测量分析,及时整治不在同一平面的滑床板,确保道岔所有滑床板均在同一平面。

5、消除基本轨轨底与滑床台槽边的缝隙,减小过车时基本轨对滑床台的扳动力。

6、定期调整折返线折返模式,使各组道岔左、右尖轨均匀受力,提高设备使用寿命。

7、对滑床板地脚螺栓定期紧固,使整个板面受力均匀,整治空吊时滑床板下垫片要均匀。

目前滑床板病害是地铁道岔区域病害整治的重点,除不可避免的外在因素外,线路自身的维修保养不到位也逐渐成为故障频发的一个重要原因。

文章来源:

搜狐号:轨道科技网

原文地址:https://www.sohu.com/a/461650755_120599226

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