彈條偏轉和扣件松動對彈條扣壓力的影響

李　中,郭瑞琴,武　帥

(同濟大學機械與能源工程學院,上海　201804)

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彈條偏轉和扣件松動對彈條扣壓力的影響

李中,郭瑞琴,武帥

(同濟大學機械與能源工程學院,上海201804)

摘要：為了研究螺栓松動、彈條偏轉對彈條扣壓力的影響,以應用于高速鐵路的Vossloh300-1型扣件系統為研究對象,建立扣件系統完整有限元模型,通過扣壓力與彈條彈程曲線的實驗值和仿真值,驗證扣件系統有限元模型的有效性；在此基礎上建立不同損傷工況的螺栓松動、彈條偏轉的模型,重點研究彈條安裝過程中螺栓松動、彈條偏轉兩種工況對彈條扣壓力的影響。結果表明:螺栓松動、彈條偏轉會造成彈條扣壓力不足,同時加劇螺栓應力波動。安裝過程中若出現這些失效工況,將嚴重影響扣件系統正常工作,研究結果為300-1型扣件系統彈條安裝及后續研究提供思路和參考。

關鍵詞：扣件系統；螺栓松動；彈條偏角；扣壓力

鐵路無砟軌道的彈性幾乎完全由鋼軌扣件系統提供，軌道的安裝軌距和高度同樣靠扣件系統來維持和調整，鋼軌扣件在軌道結構中發揮著極其重要的作用，是關系到軌道運營安全的一項重要部件[1]。然而，隨著列車的高速重載化，軌道結構的軌下基礎將受到很大的沖擊和振動，容易導致扣件系統松脫或失效，影響行車安全。

我國現階段對鋼軌扣件缺陷的檢測[2-4]主要依賴視覺自動化檢測技術及人工巡檢相結合的方法，該方法僅能對扣件系統缺失和彈條斷裂等明顯缺損進行識別，對僅有扣件松動、彈條移位等微弱失效將無法識別，更無法確定其扣件系統的失效帶來的安全隱患，彈條異常示意見圖1。

圖1　彈條異常

杜茂金[5]從曲線段軌道振動、彈條設計及安裝、軌道不平順等方面尋找彈條折斷的原因，認為扣件彈條折斷的主要原因為小半徑曲線地段鋼軌波磨、扣件質量不合格與扣件安裝流程不合理。余自若，袁媛等[6，7]對X2型彈條在不同扣壓力作用下的靜力和疲勞性能進行了研究，為X2型彈條扣壓力的優化設計提供參考，并重點研究了疲勞荷載作用下彈條的疲勞壽命及疲勞破壞危險點的位置。王文秀等[8]利用實際使用過程中開裂的SKL 15型彈條，對裂紋及斷口進行宏、微觀觀察，硬度測試，金相檢驗，化學成分分析，認為彈條開裂的主要原因是在交變應力下產生局部應力集中和表面狀態不良。朱勝陽，姜子清等[9，10]通過現場測試及動力學仿真的手段，研究了高速鐵路鋼軌波磨時彈條在安裝過程中的受力及列車動荷載作用下的振動特性，并給出高速鐵路鋼軌波磨整治的深度限值。田春香[11]等從鋼軌動彎應力、軌道剛度、鋼軌位移及軌道動力學等方面探討了高速鐵路扣件間距的合理取值并給出取值建議。齊少軒[12]等利用有限元法，分析彈性模量對扣壓力的影響以及列車橫向力、列車荷載作用下的垂向振動、壓緊位移對彈條內部應力分布的影響。

本文以現行高鐵中廣泛使用的福斯羅300-1型扣件系統為研究對象，對扣件系統的安裝過程進行深入研究，考慮到安裝過程中可能出現螺栓松動和彈條偏轉工況，并對這些失效工況建立其不同損傷程度的扣件系統荷載分析模型，依據有限元分析和實驗值驗證模型的準確性，揭示了在螺栓松動、彈條偏轉兩種工況下，彈條扣壓力、彈條應力和螺栓應力在彈條安裝過程中的演化規律，為300-1型扣件系統彈條安裝及后續研究提供參考。

1扣件系統工作機理

鋼軌扣件是聯結鋼軌與軌枕的中間構件，軌道在列車運行過程會出現軌距、方向、高低等幾何形位的改變，這些問題一般只能通過扣件系統來調整。

Vossloh300-1型扣件系統由Ss36軌枕螺栓、SKL15型彈條、IS15絕緣墊片、Wfp軌距擋板、Zw軌下墊板、Grp鐵墊板、Zwp彈性墊板、Sdu絕緣套管等組成，其結構組成如圖2所示。當安裝300-1型扣件時，使用配套的套筒扳手(管鉗)扭緊軌枕螺栓，當扭緊力矩達到250 N·m左右時到達安裝位置[13]，通過壓緊彈條使其發生形變，從而彈條施加給鋼軌一個初始的扣壓力，這個扣壓力可以保證鋼軌在列車荷載作用下穩定工作，并防止鋼軌相對于軌下墊層縱向爬行，彈條和軌下墊層還具有緩沖輪載沖擊力以及抵抗鋼軌橫向及縱向變形的能力，對保證軌道穩定性、可靠性起著重要作用。扣件系統組成見圖2。

圖2　扣件系統組成

2建立扣件系統分析模型

2.1　建立扣件系統模型

為了得到扣件系統中螺栓、彈條、墊板等工作時的內力及變形信息，利用三維建模軟件Pro/E和有限元軟件ANSYS workbench建立了包含螺栓、彈條、絕緣墊片、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、彈性墊板、絕緣套管在內的完整的扣件系統模型。在該分析模型中，為了減小模型計算量，對模型適當簡化。

(1)鑒于系統的對稱性，取系統的一半進行研究，中間平面加symmetry對稱約束。

(2)為了避免出現畸形網格，去除扣件系統各元件的圓角及倒角特征。

(3)對螺栓、軌距擋塊及絕緣墊片進行簡化，去除對其力學性能影響較小的局部特征。

扣件系統的計算模型如圖3所示。

圖3　Vossloh300-1型扣件系統計算模型

2.2　材料屬性設置

扣件各部分所用材料根據其實際情況進行設置，具體參數如表1所示。

表1　扣件系統各元件材料屬性

2.3　接觸設置

目前，在解決接觸問題時主要會遇到的難題有兩個，一是模型中各元件接觸的真實位置難以確定，二是需要考慮相互之間摩擦的影響[14]。300-1型扣件系統實際工況復雜，各元件之間的接觸類型包括點接觸、線接觸和面接觸3類，其中彈條的接觸工況最為復雜，彈條同時與軌枕螺栓、絕緣墊片和鐵墊板均有接觸作用。在實際工作中，隨著扣壓力和輪軌力的變化，彈條與軌枕螺栓、絕緣墊片、鐵墊板之間的接觸類型從點接觸轉化為線接觸，并伴隨劇烈的內力作用。

為了保證有足夠的接觸面，將彈條與其相接觸元件間均采用摩擦接觸；其他接觸元件僅存在靜摩擦力且無間隙，同時為了節約計算資源、提高模型收斂性，其接觸形式均采用一次迭代不允許切向位移的綁定接觸類型。各部分接觸參數設置如表2所示。

表2　系統接觸對設置表

為了更加真實地模擬彈條的接觸狀態，共定義了3個摩擦接觸對，如圖4所示。

圖4　接觸對設置

2.4　其他約束條件設置

約束軌枕底面的3個方向(x，y，z)的全部位移；約束螺栓2個水平方向(x，y)的位移；為了避免由于彈條滑動而引起的計算結果不收斂，同時盡量與實際情況相接近，約束彈條前端中圈y軸方向位移[6]，如圖5所示。

圖5　彈條與螺栓約束設置

3驗證扣件系統模型的有效性

為了得到正確的結論，在進行結果分析及預測時，必須保證仿真模型能夠準確地反映實際扣件系統特性，因而模型的有效性分析對于扣件系統響應分析具有重大的實際意義。

3.1　驗證模型的有效性

在扣件系統荷載分析模型的基礎上，施加一定螺栓預緊力，以模擬螺栓預緊過程。采用在螺栓頭部施加均布荷載以替代螺栓預緊力，如圖6所示。

圖6　螺栓預緊力施加方式

由于螺栓頭部直徑d=50 mm，假設螺栓預緊力為F，螺栓預緊力與螺栓上表面均布載荷的對應關系可通過公式P=4F/πd2計算得到。螺栓頂面壓力換算如表3所示。

表3　螺栓預緊力與螺栓上表面壓強關系

設置螺栓頭部載荷從0增至12 MPa，用以模擬預緊螺栓的過程，螺栓荷載施加情況如圖7所示；同時對扣件系統接觸部分網格局部細化，共劃分143 199個單元，257 016個節點進行計算。

圖7　螺栓荷載施加

螺栓壓緊彈條過程中，取SKL彈條扣壓力與彈程變形曲線的仿真值和實驗值進行對比，考慮到彈條彈程數值上等于螺栓豎直方向的壓縮量，故彈條彈程取螺栓豎直方向的位移，扣壓力取鋼軌對彈條豎直方向上的支反力。其中圖8(a)為SKL彈條扣壓力與彈程變形實驗曲線[3]，圖8(b)為相應仿真數據與實驗數據的對比。

圖8　SKLl5彈條扣壓力與彈條變形曲線

由圖8(a)可知，彈條變形曲線可分為兩個階段，第一階段扣壓力在0～10 kN，當扣壓力大于10 kN時曲線出現拐點，彈條變形進入第二階段。

圖8(b)對彈條變形進行了仿真，螺栓擰緊位移與扣壓力近似成正比，與實驗曲線相符。考慮到設計[3]要求扣壓力≥9 kN，彈程≥15 mm，取滿足要求的一組設計參數扣壓力9 kN，彈程15 mm，仿真數據的扣壓力9 kN，彈程15.71 mm，相對誤差為4.73%，表明該扣件系統模型在一定誤差范圍內能夠真實地反映模型的變形及內力情況，該模型可以認為是有效的。

3.2　彈條標準安裝時的扣件系統受力情況

彈條標準安裝時，扣件系統、螺栓和彈條在螺栓預緊過程中的受力情況如圖9所示，圖9(a)為扣件系統的von-Mises應力云圖，圖9(b)為扣件系統位移云圖。

圖9　扣件系統應力及變形

圖10　彈條在螺栓預緊過程中的應力情況

圖11　螺栓在螺栓預緊過程中的應力情況

圖10和圖11為彈條和螺栓在螺栓預緊過程中的應力情況。其中彈條應力變化隨螺栓擰緊壓力正相關，當螺栓頭部壓強達到9.36 MPa后彈條壓緊，應力變化曲線趨于平緩，彈條應力最大處為危險區域，也是裂紋最初萌生的地方，與實際情況相符合。

圖11中螺栓應力隨螺栓擰緊力增大而伴隨劇烈震蕩，主要原因是螺栓與彈條接觸不穩定造成，在彈條達到安裝位置后，應力變化值減少并趨于穩定，該過程經歷了不穩定接觸到穩定接觸的變化。

4扣件系統失效工況下的扣壓力研究

在扣件系統失效機理研究中，對扣件系統缺失、彈條斷裂等明顯缺損研究較多，而扣件松動、彈條偏轉等微弱失效工況研究甚少。扣件系統安裝時，由于人為或安裝工具操作不當等因素，可能會導致扣件系統安裝時出現螺栓未達到安裝位置、彈條轉角等問題，進而產生一定的安全隱患。而彈條扣壓力是保證軌道位置和姿態的關鍵因素，通過分析相應的微弱失效模型，可研究得到不同失效程度的微弱失效工況對彈條扣壓力的影響。

4.1　建立扣件系統微弱失效工況模型4.1.1　建立扣件松動模型

扣件松動的直接原因是彈條松動、扣壓力不足，出現該情況一方面是由于螺栓在初始安裝或列車運行過程中螺栓預緊力不足，導致彈條和螺栓松動，使得扣壓力減小；另一方面由于螺栓和軌枕上的絕緣套管安裝時軸線未共線導致兩者軸線在一定程度的偏移或偏角，即使螺栓按照要求擰緊，仍然不能到達標準安裝位置，此時扣壓力也可能不足。歸根結底扣件松動是螺栓由于預緊力不足或安裝位移未達到要求引起，本文扣壓力不足通過螺栓預緊力不足表示，表現為螺栓擰緊位移不能在規定的時間內到達預定安裝位置，扣件松動模型與標準安裝模型一致，通過減少螺栓頭部壓強值得到扣件松動模型。

4.1.2建立彈條偏轉模型

假設螺栓與安裝于軌枕上的絕緣套管同心，故在彈條偏移的過程中，在螺栓未被剪斷的前提下，螺栓不會發生偏移且相對軌枕的位置固定。

在實際工況中彈條偏轉主要表現為彈條相對于螺栓軸心發生一定的轉角，偏轉形式如圖12所示。建立彈條偏轉模型時，彈條和絕緣墊片的接觸關系保持不變，彈條相對于螺栓桿軸心O順時針或逆時針旋轉一定的角度，考慮到模型具有對稱性，順時針和逆時針的均可，這里取順時針方向，圖12中直線mn與x軸的所夾銳角為彈條偏角。

圖12　彈條偏角模型

為了探究不同彈條偏角對扣件系統彈條應力、螺栓應力及扣壓力的影響，建立彈條偏角為0°、3°、6°、9°、12°的扣件系統傷損模型。

4.2　扣件系統失效工況對彈條扣壓力的影響

4.2.1扣件松動對彈條扣壓力的影響

圖13　彈條位移、扣壓力和螺栓頭部壓強關系曲線

扣壓力不足可以通過改變螺栓頭部壓強的方式等效替代，由于扣壓力、彈條彈程均為螺栓預緊力作用的結果，為了簡明表達出螺栓預緊力、扣壓力及彈條彈程三者之間的關系，建立螺栓預緊力、扣壓力和彈條變形的曲線，如圖13所示。其中當扣壓力為9 kN，彈程為15.71 mm，螺栓頭部壓強為9.36 MPa時，彈條達到預定安裝位置，扣件系統完成安裝；在彈條未達到預定安裝位置時，彈條彈程、扣壓力與螺栓頭部壓強近似呈線性關系；在彈條達到預定安裝位置后，彈條彈程、扣壓力增大趨勢明顯減少，彈條變形進入第二階段[3]。

圖14螺栓及彈條應力與扣壓力的關系反映出不同扣壓力下的螺栓應力、彈條應力的演變規律。預緊過程中，扣壓力與彈條應力近似成正比，而螺栓在預緊過程應力先增加后減少，且螺栓應力值波動較大，接觸很不穩定。

圖14　螺栓應力、彈條應力與扣壓力關系曲線

4.2.2彈條偏轉對彈條扣壓力的影響

不同彈條偏轉角度對扣壓力的影響如圖15所示，彈條偏角會影響彈條扣壓力的大小，降低扣壓力的值，導致彈條在一定程度上有所放松，影響扣件系統的正常使用。

圖15　彈條偏轉對扣壓力的影響

同時彈條偏轉會增大螺栓的應力，且應力伴隨劇烈波動，這是因為彈條偏轉后扣點兩側不在同一水平線上，存在一高一低，使彈條扣壓力減小，而扣壓力的減小導致螺栓未達到完全接觸狀態，造成接觸的不穩定，螺栓受力不均勻。彈條偏轉對螺栓應力的影響見圖16。

圖16　彈條偏轉對螺栓應力的影響

5結論

以現行高鐵中廣泛使用的Vossloh300-1型扣件系統為研究對象，對扣件系統的安裝過程中可能出現彈條扣壓力不足、彈條偏轉兩種工況進行深入研究，建立不同損傷工況的扣件系統荷載分析模型，揭示了彈條扣壓力隨扣件松動、彈條偏轉的變化規律，為300-1型扣件系統彈條安裝及后續研究提供了參考。論文主要結論如下。

(1)建立了扣件系統完整的有限元模型，通過對比SKL15彈條彈程與扣壓力關系曲線的實驗值和仿真值，驗證了該模型的有效性。

(2)彈條偏轉和螺栓松動均會減少彈條扣壓力，進而造成扣件系統彈條未處于壓緊狀態，不利于扣件系統的長期服役。

(3)彈條扣壓力不足容易造成螺栓受力不均勻而局部應力變大，同時伴隨劇烈波動。

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Effects of Elastic Strip Deflection and Fastening Looseness on Toe Load of Elastic StripLI Zhong, GUO Rui-qin, WU Shuai

(College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：To research the effects of elastic strip deflection and fastening looseness on toe load of elastic strip, the finite element model of fastening system is established based on Vossloh300-1 fastening system to verify the effectiveness of the model with the experimented and simulated toe load. Besides, models for different failure degree are established in terms of bolt looseness and elastic deflection and their effects on the toe load during installation are addressed. The research results show that elastic strip deflection and fastening looseness reduce the toe load of fastening and increase the fluctuation of bolt stress. The occurrence of such failures would seriously affect the normal operating condition of the fastening system. The research results may provide some advices and references for the installation of Vossloh300-1 fastening system and follow-up researches.

Key words：Fastening system; Bolt looseness; Elastic strip deflection; Toe load of fastening

中圖分類號：U213.5+3

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.010

文章編號：1004-2954(2016)02-0047-06

作者簡介：李中(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：3025zhongli@tongji.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(51178464)

收稿日期：2015-06-24； 修回日期：2015-07-13