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(duì)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(yùn)量的提升等，扣件系統(tǒng)中彈條疲勞與斷裂問題日益嚴(yán)重，制約運(yùn)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(duì)彈條傷損機(jī)理進(jìn)行研究，揭示彈條斷裂的原因，模擬彈條斷裂的過程，預(yù)測(cè)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(shí)際尺寸建立了鋼軌-W J-7型扣件系統(tǒng)三維實(shí)體有限元模型。基于非線性接觸理論處理各部件之間的接觸關(guān)系，采用雙線性強(qiáng)化模型模擬彈條60Si2MnA材料，并基于C3D10I單元進(jìn)行離散，實(shí)現(xiàn)較高的計(jì)算精度。選用第四強(qiáng)度理論（Mises準(zhǔn)則）作為彈條強(qiáng)度的控制評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用第三強(qiáng)度理論（Tresca準(zhǔn)則）作為彈條強(qiáng)度的輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建了彈條傷損分析的評(píng)價(jià)方法。采用聲振互易法的模態(tài)測(cè)試試驗(yàn)

3、驗(yàn)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(chǎng)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(zhǔn)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(zhǔn)則（Morrow平均應(yīng)力修正）、Miner線性疲勞累積損傷理論及雨流計(jì)數(shù)法分析彈條在20kN、26.21kN、30kN、40kN、50kN的不同安裝載荷，實(shí)測(cè)鋼軌垂向位移時(shí)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(zhǔn)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(jì)數(shù)法對(duì)純彈性狀態(tài)下的彈條進(jìn)行疲勞分析時(shí)，計(jì)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(zhǔn)則（Morrow平均應(yīng)力修正）、Miner線性疲勞累積損傷理論及雨流計(jì)數(shù)法對(duì)局部區(qū)域發(fā)生塑性的彈條進(jìn)行疲勞分析時(shí)，計(jì)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(xiǎn)區(qū)域。
　　(4)采用斷裂理論中的應(yīng)力強(qiáng)度因子理論、最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則、疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展至完全斷裂的過程及斷裂過程的疲勞壽命。扣件安裝載荷增大或循環(huán)載荷變化幅度的增加均會(huì)導(dǎo)致彈條斷裂過程壽命的降低，工況(a)中對(duì)應(yīng)的疲勞壽命分別為194510次、132420次、88524次;工況(b)中對(duì)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(kuò)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(shí)，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(yán)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(shí)，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(shí)，建議采用的彈條材料彈性模量取值范圍為156000～202000MPa或大于225