高铁无砟轨道板用模具结构的优化【作者：周靖】

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高铁无砟轨道板用模具结构的优化

作者：周靖

1、引言

轨道板是高速铁路道床的重要组成部分，要求具有高强度（C60）、无裂缝、耐疲劳、耐高寒、板面平整度高（＜1mm）及一次成形等特点。因此，高质量、高精度的轨道板生产制作成为高速铁路修建技术的关键环节。

流水线法轨道板生产线克服了传统矩阵法生产的缺点，但在生产过程中出现了轨道板板面平整度接近允许值的问题。比较两种生产工艺，将产生原因主要锁定在轨道生产的模具结构上。由于轨道板的模具在生产过程中是动态的，模具的结构、模具的制造方法、模具底板支承情况，预应力加载顺序、加载位置、预应力卸载大小级别都是影响轨道板平整度的原因。因而，这几个方面也是轨道板优化设计的方向。

目前，世界各国对高铁轨道结构的研究主要集中在无砟轨道形式及结构形式、结构静动力特性、轨道轮廓磨损及轨道结构的试验研究等方面。而对CRTSⅢ型板式无砟轨道板生产的成形模具研究较少，开展CRTSⅢ型无砟轨道板结构的形式、轨道模具结构及轨道板生产过程中的加载工序等研究，对于我国高铁运输的发展、无砟轨道的推广和高铁轨道技术体系的完善具有重要意义。

本文主要针对CRTSⅢ型无砟轨道板产品精度不够的问题，对其成型模具的力学特性进行了有限元数值模拟。研究了焊接模具结构、铸造模具结构在不同加载条件下，模具结构对计算要求精度的影响规律，从而提高了模具使用寿命，降低了轨道板生产成本。

2、轨道板生产出现的问题

CRTSⅢ型无砟轨道板的尺寸为5600mm×2500mm×200mm，重量达到13t，模具承受的预应力：双向双层施加先张预应力，纵向双排16根、横向单排24根预拉钢筋，单根钢筋承受8t的先张预应力，因而整套模具同时承受320t的预压应力作用。轨道板平整度要求误差＜1.0mm，模具材料为Q345钢，轨道板模具如图1所示，焊接模具平面图如图2所示。

                               
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现有生产线模具生产出的轨道板存在的主要问题是轨道板边部变形超过1.3mm，没有达到产品要求平整度＜1.0mm 的限制。根据产生的问题以及对模具结构的分析，对现有焊接模具结构、铸造模具结构分别进行有限元模拟。根据分析结果，找出是模具结构问题还是生产工艺问题，从而找出解决问题的方案，为模具的设计、产品的生产提供理论依据。

3、轨道板模具结构数值模拟

结构的受力和变形除了与结构本身有关，也与外荷载的加载位置、加载数量级有关。现有的模具结构，其加载孔对应的位置相对于混凝土轨道板中线有0.5mm 的偏心，即加载孔的形心在板厚一半的位置向下0.5mm，加载时可对轨道板施加一个附加的弯矩，从而使轨道板预先有一个反拱。使用轨道板时，外力必须首先克服反拱的预先变形，然后再正常使用。预反拱的大小与加载孔偏离板截面形心的大小有关，偏心越大，反拱越大，结构的变形和水平位移越大。所以，孔洞偏移的距离必须在一定的范围内。本次模拟主要用有限元的方法研究该偏心的大小对模具内力和变形的影响，用以优化模具结构，从而减少变形。模拟中偏移的位移量以现有模具加载孔为基准，向下偏移1mm、3mm 及5mm，加载大小仍为80kN。根据加载位置的变化对模具内力和变形影响的结果，找出在设计中加载位置对模具精度的影响。

将焊接模具和铸造模具的三维模型分别导入有限元软件ABAQUS中。由于模型在平面内是双轴对称的，所以取四分之一模型进行计算，有限元网格为2cm。焊接模具孔下移1mm的应力图如图3所示，应变图如图4所示；铸造模具孔下移1mm的应力图如图5所示，应变图如图 6所示。焊接模具孔下移3mm 的应力图如图7所示，应变图如图8所示；铸造模具孔下移3mm的应力图如图9所示，应变图如图10所示。焊接模具孔下移5mm的应力图如图11所示，应变图如图12所示。

                               
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4、模拟结果分析

4.1  应力分析

现有焊接模具模型的加载孔向下分别偏移1mm、3mm、5mm 时，模具结构上的最大应力分别为248.7N/mm2、254.1N/mm2、243.2N/mm2，与焊接模具偏移0.5mm 时的最大应力255.8N/mm2相比，变化不大，最大值出现的位置仍然在模具侧板加载孔周围的肋板上。所以，加载位置的稍微变化，对焊接模具内力的影响不大。

铸造模型的加载孔向下分别偏移1mm、3mm时，模具结构上的最大应力分别为76.5N/mm2、76.0N/mm2，与焊接模具偏移0.5mm时的最大应力77.5N/mm2相比，变化不大，最大值出现的位置仍然在模具侧板的加载周围的肋板上。所以，加载孔位置的稍微变化对铸造模具内力的影响不大。但在两种情况下，应力都远远小于焊接结构。

4.2  应变分析

现有焊接模型的加载孔向下分别偏移1mm、3mm、5mm 时，模具结构上的最大变形分别为0.953mm、0.839mm、0.745mm。这几种情况下的应变与孔道偏移0.5mm 时的变形0.839mm相比，变化也不是很大，出现的位置在结构侧面肋板板件相交处。这说明孔道位置的变化对焊接模具的变形影响很小。同时，该变形大小都满足厂家的生产精度的要求（小于1mm）。但是，该计算结果都与生产精度要求非常接近。

铸造模型的加载孔向下分别偏移1mm、3mm时，模具结构上的最大变形分别为0.338mm、0.332mm，这两种情况下的应变与孔道偏移0.5mm时的变形0.332mm相比，变化也不是很大，出现的位置在结构侧面肋板板件相交处。说明孔道的位置变化，对铸造模具结构的变形影响很小。但两种情况下应变都远远小于焊接结构。

4.3  模拟结果分析总结

( 1 ) 加载孔位置的改变，无论对焊接模具还是铸造模具结构的应力、应变和位移的影响都不是很大，所以对结构优化的作用不明显。但焊接结构与铸造结构相比，铸造结构的应力、应变都很小，远远小于轨道板的材料应力和板件精度要求。两者有明显的变化。

( 2 ) 焊接模型的应力、应变虽然都没有超过设计要求，但考虑生产过程中震动荷载、移动荷载的影响，模具变形可能超过1mm，因而有必要对现有焊接模具结构进行优化，并进行其他情况下的计算分析。

( 3 ) 在模具的设计过程中要注意板件相交处的结构处理，特别是加劲肋与模具挡板的连接处。由于加劲肋多，焊缝多，缺陷多，为防止应力集中和应变集中，应改进模具结构的生产工艺。

5、总结

( 1 ) 改变加载孔的位置，虽然焊接模具和铸造模具的应力、应变都没有超过设计要求，但铸造模具不论在应力、应变还是水平位移方面都远远小于焊接模具。所以，用铸造模具生产的轨道会提高精度。

( 2 ) 本文只进行了模具加载孔位置变化对模具应力应变的影响，而模具预应力筋加载级别、卸载方法、承轨台的连接及反向预应力加载等对结构是否会产生一定的影响，需要进一步研究。

( 3 ) 流水台架模型的抗变形能力、耐久性能也可能对产品的精度产生影响，因而模具结构模拟与优化都需要进一步的研究。

            

  （来源：铸造工程）

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