高速鐵路無砟軌道無擋肩扣件彈條疲勞與斷裂研究.pdf

1、扣件系統(tǒng)是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，用于保持軌道的幾何形位，并提供一定的彈性與絕緣性，對保障軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全至關(guān)重要。近年來，隨著鐵路列車速度的提高、軸重的增加、運量的提升等，扣件系統(tǒng)中彈條疲勞與斷裂問題日益嚴重，制約運輸效率，威脅行車安全。本文基于靜力分析、疲勞理論、斷裂理論、掃頻原理對彈條傷損機理進行研究，揭示彈條斷裂的原因，模擬彈條斷裂的過程，預(yù)測彈條在斷裂前和斷裂過程中的疲勞壽命，并提出一定的優(yōu)化建議。主要工作和結(jié)論如下:

2、r>　　(1)按照60N鋼軌及WJ-7型扣件系統(tǒng)部件實際尺寸建立了鋼軌-W J-7型扣件系統(tǒng)三維實體有限元模型?；诜蔷€性接觸理論處理各部件之間的接觸關(guān)系，采用雙線性強化模型模擬彈條60Si2MnA材料，并基于C3D10I單元進行離散，實現(xiàn)較高的計算精度。選用第四強度理論（Mises準則）作為彈條強度的控制評價指標，采用第三強度理論（Tresca準則）作為彈條強度的輔助評價指標，構(gòu)建了彈條傷損分析的評價方法。采用聲振互易法的模態(tài)測試試驗

3、驗證模型的合理性。
　　(2)系統(tǒng)研究了彈條在不同安裝載荷、不同鋼軌垂向位移、不同鋼軌橫向位移作用下的力學(xué)性能，從應(yīng)力應(yīng)變角度分析彈條斷裂位置，揭示彈條斷裂原因。服役狀態(tài)下的彈條受到拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切合力作用。不同安裝載荷、不同鋼軌垂向位移、不同鋼軌橫向位移作用下彈條最大Mises應(yīng)力、剪應(yīng)力最大值、最大塑性應(yīng)變均出現(xiàn)在彈條后端圓弧內(nèi)外肢連接處，彈條最大主應(yīng)力出現(xiàn)在彈條后端圓弧外肢，上述區(qū)域是現(xiàn)場彈條容易發(fā)生斷裂的區(qū)域。

4、>　　(3)采用名義應(yīng)力法中的Basquin準則（Goodman平均應(yīng)力修正）以及局部應(yīng)力應(yīng)變法中的Brown Miller準則（Morrow平均應(yīng)力修正）、Miner線性疲勞累積損傷理論及雨流計數(shù)法分析彈條在20kN、26.21kN、30kN、40kN、50kN的不同安裝載荷，實測鋼軌垂向位移時程載荷作用下的疲勞性能。安裝載荷越大，彈條疲勞壽命越低。采用Basquin準則（Goodman平均應(yīng)力修正）、Miner線性疲勞累積損傷理論及

5、雨流計數(shù)法對純彈性狀態(tài)下的彈條進行疲勞分析時，計算出的疲勞壽命分別為10e10.1972次、10e10.0903次、10e10.0175次、10e9.7717次、10e9.5548次;采用Brown Miller準則（Morrow平均應(yīng)力修正）、Miner線性疲勞累積損傷理論及雨流計數(shù)法對局部區(qū)域發(fā)生塑性的彈條進行疲勞分析時，計算出的疲勞壽命分別為10e13.4707次、10e12.6083次、10e10.5285次、10e10.036

6、9次、10e9.8812次。彈條后端圓弧與鐵墊板接觸處、彈條后端圓弧外肢為疲勞分析中的危險區(qū)域。
　　(4)采用斷裂理論中的應(yīng)力強度因子理論、最大周向應(yīng)力準則、疲勞裂紋擴展理論（選用Paris公式），模擬彈條在(a)扣件安裝載荷為26.21kN，循環(huán)載荷為0～1～0mm、0～1.5～0mm、0～2～0rnm的鋼軌垂向位移;(b)循環(huán)載荷為0～1.5～0mm的鋼軌垂向位移，扣件安裝載荷為20kN、26.21kN、30kN、40kN兩

7、種工況下彈條由初裂紋擴展至完全斷裂的過程及斷裂過程的疲勞壽命?？奂惭b載荷增大或循環(huán)載荷變化幅度的增加均會導(dǎo)致彈條斷裂過程壽命的降低，工況(a)中對應(yīng)的疲勞壽命分別為194510次、132420次、88524次;工況(b)中對應(yīng)的疲勞壽命分別為164422次、132420次、94282次、52165次。隨著裂紋深度的增加，裂紋疲勞擴展速率增大。
　　(5)采用掃頻分析方法，結(jié)合高速鐵路列車通過鋼軌波磨地段時，由鋼軌波磨激發(fā)的頻率范

8、圍514Hz～578Hz，從扣件安裝載荷、彈條密度、彈條彈性模量角度提出優(yōu)化建議:彈條處于欠擰和嚴重過擰狀態(tài)下均易發(fā)生共振，建議彈條處于輕微過擰狀態(tài)，即建議安裝載荷取值范圍為27～38kN;彈條處于正常安裝載荷(26.21kN)時，建議采用的彈條材料密度取值范圍為小于6800kg·m-3或大于12200kg·m-3;彈條處于正常安裝載荷(26.21kN)時，建議采用的彈條材料彈性模量取值范圍為156000～202000MPa或大于225