高速鐵路扣件系統彈條不同扣壓力下的疲勞性能分析

郎福權

晉億實業股份有限公司 浙江 嘉興 314100

高速鐵路扣件系統作為鐵路軌道不可或缺的關鍵組成，軌道扣件系統通過運用彈條彈性變形過程中所儲存的能量，可以較好地對機械沖擊力及振動有所緩解。但是在彈跳服役過程中又要承受較多的周期性彎曲與扭轉交變壓力等作用，所以有必要對長期荷載作用力時的彈條性能加大關注度。隨著近年來對高速鐵路扣件系統彈條疲勞性能研究的逐漸延展，有研究者展開對扣件系統的動力實驗，研究處于設定的差異化高頻振動條件下，所產生的扣件系統特性變化規律。也有研究者展開對扣件系統的疲勞實驗，提出對疲勞過程識別時的關鍵階段參數模型。總體來講現有研究對于高速鐵路扣件系統的性能研究方向，集中于整體軌下墊板剛度所對扣件系統疲勞產生的影響，本文將以高速鐵路扣件系統彈條作為研究對象，展開設定不同扣壓力參數實驗條件下，彈條疲勞性能的具體變化研究。

1、建立模型

本次研究選取某一扣件W1彈條作為實驗對象，建立包含螺栓、絕緣塊、鐵墊板等組件在內的高速鐵路扣件系統模型圖（見圖1）。

圖1 高速鐵路扣件系統模型示意圖

在約束鐵墊板及絕緣塊分別在x、y、z三個方向均位移，約束螺栓在x、y兩方向發生的水平位移，為了有效避免發生彈條互動所致最終的計算結果不收斂，以及為了確保盡可能的保證接近實際情況，約束彈條中前端下顎呈x方向位移。在工作狀態下的彈條與螺栓、鐵墊板、絕緣塊、前端下顎及絕緣塊各部分之間均存在接觸行為，在計算分析過程中均應當確保位置呈面對面接觸。本次實驗采用彈條的應力-應變關系運用理想彈塑性模型，施以螺栓表面模擬扣壓力，16KN扣壓力時為標準安裝，為此本次實驗設計了20KN、30KN不同扣壓力對比研究彈條的疲勞性能。

2、彈條處于不同扣壓力下應力特點

為了能夠確定彈條疲勞的主要危險點位置，在實驗中設定16KN、20KN、30KN差異化扣壓力作用條件，結合彈條具體作用力的主要分布情況，計算所得處于不同扣壓力作用試驗條件下的彈條靜力。（見圖2）標注作為彈條的各處應力達最大時的危險點所在位置。結果表明處于16KN扣壓力正常安裝狀態下，在Part1、2、3均出現極大應力，其中以3所在位置作為最大應力達1558MPa。在過擰施以20KN扣壓力作用時，應力分布情況接近于16KN扣壓力，分別在Part1、2、3處產生極大應力，以3處所在位置同樣作為最大應力高達1625MPa。持續增加扣壓力應力至30KN情況下，彈條明顯增加了高應力區域，此時分別在Part1、2、3、4、5這五處產生應力均較大，但是同樣與前兩次扣壓力實驗結果等同，仍然以3處所在位置同樣作為最大應力高達1655MPa。

圖2 彈條疲勞危險點所在位置

3、彈條的疲勞性能

彈條的不同部位危險點的具體疲勞壽命，隨著扣壓力的不同隨之改變，發現在設定的16KN至30KN扣壓力作用實驗中，結果表明：上圖所示的1處位置疲勞壽命超過890萬次，明顯超出500萬次疲勞壽命這一標準需求，每一個疲勞危險點的疲勞壽命，和設定的不同扣壓力作用二者均呈負相關；上圖所示的2處隨著逐漸增加的扣壓力作用，能夠直觀看出呈逐漸降低的彈條疲勞性能變化趨勢。其中還存在十分明顯的部分危險點疲勞壽命迅速降低，所以彈條與鐵墊板之間的接觸部位，便作為疲勞危險位置點，會隨著施加不停的扣壓力作用，形成差異化集中應力。并且通過計算靜力值和疲勞應力值，結果證實這些危險接觸點達到較大的靜力值及疲勞應力值，因此疲勞壽命較低；上圖所示的3處整體達到較高的疲勞壽命，盡管計算所得的靜力值較大，但是疲勞應力值較小，因此并非疲勞破壞主要危險部位；上圖所示的4處每一個疲勞點壽命均會隨著扣壓力的逐漸改變隨之變動，二者呈負相關；上圖所示的5處危險點的疲勞壽命變化情況相似于2處，同樣存在部分危險點的疲勞壽命較低，但是這些危險點均處于螺栓接觸彈條部位，所以集中應力所致壽命偏低。

處于不同扣壓力作用下匯總彈條的不同部位疲勞壽命（見圖3），該結果表明最低疲勞壽命以5處（彈條接觸螺栓）這一部位作為疲勞易發區域，在2處（彈條接觸鐵墊板）的疲勞壽命次之。在5處的集中應力區域，所受20KN扣壓力所致彈條壽命低于500萬次這一標準，就是說彈條極有可能并未達到疲勞壽命標準便遭受極大破壞，所以安裝彈條需要盡可能避免發生過擰情況。

圖3 不同扣壓力作用下不利位置疲勞壽命（模擬1）

4、橫向力作用影響彈條疲勞性

在文獻中對處于60kg/m條件下，無縫線路鋼軌產生的橫向變形進行模擬計算，可得包括橫向作用力所在位置、偏心以及垂向力、扣壓力大小、軌下墊層的剛度與軌枕之間間距多因素作用，產生的鋼軌平移值。參照文獻研究結果結合本文選用的W1彈條特點，選擇鋼軌最大平移位移能夠發現，所受各大參數影響作用下，達到0.9～1.1mm的鋼軌橫移值、0.946mm的平均值，因此取值1.0mm。經模擬實現扣件系統絕緣塊以y向移動-1.0mm，得（見圖4）荷載工況。同樣計算彈條靜力值和載荷應力值[7],結果表明，鋼軌橫移后彈條在不同的扣壓力情況下，達到的最大應力位置等同于上一模擬工況，并且同樣以圖2中的2處和5處這兩個位置達到集中應力。鋼軌在橫移后，隨著彈條的最大應力值與扣壓力之間呈正相關，橫移略微增加了彈條的最大應力。

圖4 不同扣壓力作用下不利位置疲勞壽命（模擬2）

根據上圖能夠直觀看出，相較模擬1中的5個危險點位置，所處不同扣壓力作用下，模擬2中分別在1、3、4以上三個危險點，隨著扣壓力的逐漸增加彈條的疲勞壽命呈遞減趨勢；在2處同樣存在較低的疲勞壽命特殊危險點，幾乎等同模擬1情況，均為彈條接觸鐵墊板位置點，存在集中應力；但是模擬2和模擬1之間的差距，在于模擬2中設定的三種不同扣壓力，5處均無法達到500萬次疲勞壽命這一標準，因此無法滿足彈條疲勞壽命使用所需。所以5處作為彈條疲勞性能破壞的關鍵危險位置，需要對這一點特別考慮。

結語

綜上，經本次模擬實驗選取某一扣件W1彈條作為具體研究對象，結果表明彈條接觸螺栓部位，疲勞壽命最低，也作為疲勞破壞易發部位，設定20KN扣壓力時的疲勞壽命低于500萬次，其余疲勞壽命與扣壓力呈負相關。扣壓力會明顯影響彈條的疲勞壽命，所以需要盡可能的避免過擰。