高速鐵路用W1型彈條力學性能仿真測試

楊志超，朱萍玉，楊世峰，朱　金，朱茂棟

（1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣州南方測繪儀器有限公司，廣東 廣州 510665）

高速鐵路用W1型彈條力學性能仿真測試

楊志超1，朱萍玉1，楊世峰2，朱金2，朱茂棟2

（1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣州南方測繪儀器有限公司，廣東 廣州 510665）

針對高速鐵路用W1型彈條的力學性能，采用逆向工程及CAE技術，對W1型彈條處于靜載荷下的力學性能進行仿真。首先由三坐標測量機獲取W1型彈條三維數據，沿彈條路徑方向由3點構建與路徑方向垂直的截面圓，進而連接系列圓心獲得彈條中心線，完成彈條的幾何逆向建模；然后運用Ansys Workbench仿真測試多組螺栓預緊力工況下，W1型彈條的力學性能。得到如下結論：仿真測試得到最優螺栓預緊力為14kN，此時扣壓力10.2kN，符合技術規范。該預緊力產生的最大應力為1313MPa，小于彈條的屈服強度1600MPa，且盈余量充足，有利于彈條長期穩定服役。但彈條的尾肢中部內側為高應力集中區域，成為裂紋萌生擴展的敏感部位。

W1型彈條；逆向工程；力學性能；仿真測試

0　引　言

鋼軌由彈性扣件固定在軌枕上，而彈性扣件通過彈條的彎曲和扭曲變形施加給鋼軌扣壓力，長期保持著鋼軌與軌枕間的聯結。彈條的主要作用是保持軌距和減振。同時，由于列車通過時對彈條頻繁施加極高的瞬態沖擊載荷，可能導致彈條失效，因而對彈條性能要求非常嚴格［1］。目前，朱勝陽等［2］以我國部分鐵路采用的Vossloh扣件彈條為分析對象，使用有限元軟件，在非線性接觸理論與車輛-軌道耦合動力學理論的基礎上進行動態仿真，得到彈條在正常工作狀態下的螺栓預緊力和彈程數值，且通過比較鋼軌添加波磨與否的情況，得出在鋼軌波磨情況下，彈條加速度提高，促進彈條振動，增進彈條疲勞損傷速度的結論。余自若等［3］針對橋梁隧道用的X2型彈條，研究彈條在不同扣壓力作用下的靜力及疲勞性能，獲得了不同扣壓力的應力特征和疲勞破壞的危險點。Thompson等［4］通過對多種扣件系統進行了動力學試驗，測得頻率范圍位于100～1000Hz之間的縱向和橫向剛度，分析得出高頻振動狀態下扣件系統的響應規律，為扣件系統在高頻振動下的動力學性能研究提供參考。Mohammadzadeh等［5］以Vossloh SKL14彈條為分析對象，基于斷裂力學研究動載荷下彈條的應力特征及疲勞性能，得出在疲勞壽命內彈條的等效應力范圍基本符合正態分布；同時運用疲勞可靠性分析方法，考慮裂紋及動載荷情況下，得出該彈條疲勞壽命。國內外研究主要集中在彈條的疲勞性能方面，即在現有的彈條安裝狀態下，運用各種手段得到疲勞特性，但就如何確保彈條提供足夠的扣壓力，達到最長的服役壽命的研究較少。因此研究最優工作參數即預緊力和彈程組合可為彈條長期穩定服役提供保障。

在彈條形狀結構、材料、工況載荷等多重因素影響下，其在受力后的應力特征多樣。建立實體彈條的三維模型，是對彈條進行力學性能分析的前提，目前國內將大力鋪設的W1型彈條以中肢前端下顎觸碰到絕緣塊為安裝標準，現場安裝方便，但較為粗略，可能導致螺栓過擰，不利于彈條長期服役。

本文采用逆向工程技術，對W1型彈條進行逆向建模，結合CAE技術，對彈條力學性能進行仿真測試，以尋求最優的彈條預緊力和彈程組合。

1　W1型彈條逆向工程建模

1.1結構分析

W1型彈條由等截面的圓柱體彎曲而成，且為對稱結構，如圖1（a）所示。建模步驟：1）獲取彈條中心曲線的點云；2）通過測得點云擬合系列圓截面，并依次連接截面圓的圓心即能獲得中心線；3）運用SOLIDWORKS軟件，用一截面圓沿著上述中心線掃描，完成W1型彈條建模。

圖1　彈條與三坐標測量機

1.2彈條數據采集

針對W1型彈條的幾何結構特點，選擇操作簡便的便攜式三坐標測量機，如圖1（b）所示，其筆尖探頭既便于測量彈條轉角處的點數據，又能滿足彈條具有復雜空間中心曲線和整體尺寸較小的特殊要求。

測量前先在彈條上有規則地標點，圓弧過度處密集，平順處則稀疏，如圖2（a）所示，保證測點數據的數量及準確度［6］，再借助三坐標測量機配套軟件系統導出包含點云的IGES文件，點云如圖2（b）所示。

圖2　導出點云

圖3　W1彈條模型

1.3W1型彈條建模

借助SOLIDWORKS軟件對所測點云進行畫圓預處理，采用三點畫圓或三點圓弧法，分別將點云中同一截面內的3點擬合為系列圓并確定其圓心，如圖3（a）所示。添加所有圓的半徑相同的約束，逐次連接所有圓心，即得到彈條的中心曲線。再通過SOLIDWORKS軟件掃描及鏡像處理，實現W1型彈條幾何建模，如圖3（b）所示。

2　W1型彈條力學性能仿真測試

2.1建立有限元模型

使用逆向工程建立的彈條模型，仿真測試彈條在工況下的力學行為。如圖4所示，藍色區域A扣壓在絕緣塊上，簡化為與絕緣塊綁定約束；紫色區域C與軌距擋板接觸，簡化為位移約束，紅色區域B屬于螺紋道釘給墊片的施力面積，此處施加安裝預緊力［6］。

圖4　彈條邊界條件

2.2材料參數

材料參數見表1［7］，彈條應力-應變關系采用理想彈塑性模型。

表1　材料參數

2.3多組預緊力下的扣壓力分析

分別進行了預緊力在10～20 kN的6組靜力計算，扣壓力、最大應力與中肢前端位移的關系如表2所示。

表2　彈條力學行為與預緊力的關系

WJ-8型扣件彈條為典型的ω彈條，其標準安裝要求扣壓力＞9kN。在現場安裝時，以中肢前端下顎觸碰到絕緣塊15 mm時作為緊固彈條的安裝標準。由表看出，14.7 mm的彈程對應15.2 kN的扣壓力，遠大于9kN扣壓力的要求，但此時的最大應力為1876MPa，超過了彈條允許的屈服強度。還可以發現，實際上預緊力從16kN往后，彈條的最大應力都接近或超過了屈服強度，可以判定為螺栓的過擰現象，不利于彈條的長期穩定服役。通過仿真測試，當彈程達到10 mm時，扣壓力已達到10.2 kN，滿足扣壓力＞9kN的要求，此時相應的預緊力為14kN，可作為緊固彈條標準的參考值。

圖5　應力云圖

圖5為預緊力達到14kN時的應力云圖，彈條中肢在受到螺栓預緊力后，產生對輪軌的扣壓力。由于彈條自身的結構特點，在受到預緊力后易在尾肢中部出現局部應力集中現象。因此，尾肢中部的高應力集中區域為裂紋萌生的敏感部位，并可能引發彈條斷裂［8］，如圖6所示為斷裂彈條。

圖6　斷裂彈條

圖7　尾肢中部截面應力分布規律

圖7為尾肢中部截面內查看到的應力，大體由內至外沿半徑方向逐步遞增，可見高應力集中在內側表面，由此，進一步證明內側是裂紋萌生擴展的敏感部位［9］。尾肢裂紋如圖8所示。

圖8　尾肢裂紋

3　結束語

基于逆向工程對W1型彈條快速建模和彈條力學性能仿真測試分析，并將結果與相關文獻對比分析，得到以下結論：

1）本文對具有復雜空間中心曲線的W1型彈條進行逆向建模，該方法適用于同類型具有統一截面圓的零件的逆向建模。

2）W1型彈條的現場安裝，以中肢前端下顎接觸絕緣塊15 mm時彈程為安裝標準，易發生螺栓過擰現象，不利于彈條長期穩定服役。而以彈程10 mm安裝時，彈條在預緊力為14kN時，扣壓力為10.2kN，已滿足彈條技術要求，且尾肢中部的最大應力為1313MPa，相比于60Si2MnA的屈服強度為1600MPa，盈余量充足，可提高彈條的使用壽命。

3）根據仿真測試及對比實物彈條的失效部位，認為W1型彈條在正常工況下，尾肢中部內側是高應力集中區域，為裂紋萌生擴展敏感區域。

［1］許玉德，曾學貴.高速鐵路軌道的安全管理［J］.中國安全科學學報，2003，13（1）：42-44.

［2］朱勝陽，蔡成標，尹鏹，等.高速鐵路扣件彈條動力學分析［J］.工程力學，2013（6）：254-258.

［3］余自若，袁媛，張遠慶，等.高速鐵路扣件系統彈條疲勞性能研究［J］.鐵道學報，2014（7）：90-95.

［4］RYUEA J，THOMPSON D J，WHITE P R，et al.Investigations of propagating wave types in railway tracks athigh frequencies［J］.Journal of Sound and Vibration，2008，315（1-2）：157-175.

［5］MOHAMMADZADEH S，AHADI S，KESHAVARZIAN H. Assessmentoffracturereliabilityanalysisofcrack growthinspringclip type vossloh SKL14［J］.Journal of Risk and Reliability October，2014，228（5）：460-468.

［6］李海，徐海衛.基于3D數模的三坐標測量機曲面檢測［J］.中國測試技術，2005（4）：24-26.

［7］王文秀，王振，趙磊，等.高速鐵路用SKl15型彈條失效分析［J］.金屬熱處理，2013（12）：108-112.

［8］郭和平，李彪，李玉生.60Si2MnA彈條斷裂分析［J］.失效分析與預防，2011（2）：90-93.

［9］SMUTNY J.Measurement and analysis of dynamic and acousticparametersofrailfastening［J］.NDT&E International，2004（37）：119-129.

（編輯：徐柳）

The mechanics performance simulation testing of W1 fastening clip in high speed railway

YANG Zhichao1，ZHU Pingyu1，YANG Shifeng2，ZHU Jin2，ZHU Maodong2
（1.School of Mechanical and Electric Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Guangzhou Sowth Surveying&Mapping Instrument Co.，Ltd.，Guangzhou 510665，China）

Engineering and CAE simulation technology were employed to test the mechanical properties of W1 fastening clips for rapid transit railway under static loads.First，the threedimensional data of W1 fastening clips were acquired with a three-coordinate measuring machine. That is，cross-section circles perpendicular to the path direction of the clip were created with three points along the path direction of the clip，and furthermore，the centers of these circles were connected to form center lines so as to finish the geometric reverse modeling of the clips. Second，the mechanical performance of W1 fastening clips under the working condition of multigroup bolt pretension were simulated and tested with Ansys Workbench.Conclusions are drawn below：According to simulation，the optimal bolt pretension is 14 kN while the fastening force is 10.2kN，matching the technical specification.The maximum stress produced by the bolt pretension is 1313MPa，smaller than the yield strength of the clip，which is 1 600 MPa，and there are lots of margins，good for long-term stable working services.But the internal side on the central part of the end of the clip is a high stress area，a sensitive part likely to grow and expand cracks.

W1 fastening clip；reverse engineering；mechanics performance；simulation testing

A

1674-5124（2016）05-0131-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.027

2015-09-24；

2015-10-22

廣東省應用型科技研發專項（2015B010129002）；廣州市重點實驗室項目（2060402）

楊志超（1991-），男，廣東廣州市人，碩士研究生，專業方向為機械工程。

朱萍玉（1971-），女，湖北鐘祥市人，教授，博士后，主要從事光纖傳感技術及應用、機電設備智能維護方面的教學和科研工作。