臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置下鋼軌接頭疲勞裂紋萌生壽命分析

張文豐 李 劍 陳 輝 陳 濱

(中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司,北京 100027)

引言

有砟軌道因其良好的減振抗噪性能、便于維修等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于中低速鐵路。 鋼軌是決定列車(chē)運(yùn)行安全的重要組成部分,鋼軌接頭作為軌道的三大薄弱環(huán)節(jié)之一,其重要性不容忽視。 施工期間,現(xiàn)場(chǎng)存在大量的鋼軌接頭,為避免鉆孔對(duì)鋼軌造成二次損傷,一般采用臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置實(shí)現(xiàn)鋼軌的無(wú)損連接,以減弱車(chē)輛在鋼軌接頭的沖擊作用,減緩施工期間鋼軌接頭損傷的產(chǎn)生及發(fā)展。 而臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置長(zhǎng)度一般較接頭夾板短,結(jié)構(gòu)形式差異較大。 因此,有必要對(duì)臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置作用下鋼軌接頭疲勞裂紋萌生壽命進(jìn)行研究。

疲勞裂紋是常見(jiàn)的鋼軌損傷形式[1]。 鋼軌疲勞裂紋一旦發(fā)展至踏面剝離或鋼軌斷裂,會(huì)嚴(yán)重惡化輪軌關(guān)系,威脅列車(chē)的運(yùn)行安全。 為此,部分學(xué)者在分析不同因素對(duì)輪軌接觸狀態(tài)影響的基礎(chǔ)上,對(duì)鋼軌疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)展開(kāi)了研究。 劉云濤等通過(guò)有限元法分析不同軌底坡下輪軌接觸狀態(tài)及鋼軌疲勞裂紋萌生壽命[2];肖乾等研究不同摩擦系數(shù)下輪軌接觸特性,并基于安定圖和損傷函數(shù)分析摩擦系數(shù)對(duì)車(chē)輪接觸疲勞的影響[3];梁喜仁等建立基于安定圖和損傷函數(shù)的鋼軌接觸疲勞預(yù)測(cè)模型[4];周宇等將ARCHARD磨耗理論同臨界平面法相結(jié)合,提出一種考慮磨耗的鋼軌疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)模型[5];李俊琛等利用有限元法模擬不同軸重CRH5 型動(dòng)車(chē)組的輪軌滾動(dòng)接觸應(yīng)力狀態(tài)[6]。

相關(guān)資料顯示[7],接頭區(qū)域沖擊力最高可達(dá)到正常值的4~5 倍,嚴(yán)重影響鋼軌的服役功能及壽命。MANDAL 等研究膠接接頭作用下鋼軌軌頭的受力特性[8-9];蔡武等分析車(chē)輪到軌縫的距離變化條件下鋼軌的接觸應(yīng)力變化規(guī)律[10];劉光鵬等通過(guò)靜態(tài)測(cè)試和行車(chē)試驗(yàn),分析重載列車(chē)作用下膠結(jié)接頭損壞前后對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響[11];溫澤峰等基于有限元法研究在不同軸重車(chē)輪沖擊作用下鋼軌軌頭的應(yīng)力分布規(guī)律[12];YANG 等建立車(chē)輪-絕緣鋼軌接頭(IRJ)有限元模型,分析車(chē)輪滾動(dòng)沖擊下的輪軌接觸特性[13];徐曉迪等基于接頭區(qū)域車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)研究鋼軌接頭損傷特性[14]。 目前,對(duì)鋼軌接頭的研究多集中在常規(guī)接頭夾板作用下輪軌接觸特性,對(duì)鋼軌疲勞特性的研究多集中在無(wú)縫線(xiàn)路,而對(duì)臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置下鋼軌疲勞力學(xué)特性及疲勞裂紋萌生壽命的研究尚不充分。

建立帶有臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置的輪軌接觸有限元模型,聯(lián)合多體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果,分析不同列車(chē)速度、軌縫值以及道床剛度條件下的輪軌接觸應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律;在此基礎(chǔ)上分析以上參數(shù)對(duì)輪軌接觸疲勞特性的影響。 研究結(jié)果將對(duì)減少施工過(guò)程中鋼軌接頭損傷具有指導(dǎo)意義。

1 鋼軌接頭輪軌接觸有限元模型

平車(chē)是施工階段常見(jiàn)的物資運(yùn)輸車(chē)輛,選取施工期平車(chē)運(yùn)輸條件下的鋼軌接頭區(qū)域,建立三維輪軌接觸有限元模型。 由于軌道結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性,故取單側(cè)。此模型采用115RE 鋼軌,一側(cè)鋼軌長(zhǎng)度為400 mm,軌底坡為1/40,軌距為1 435 mm,軌縫寬度為8 mm,平車(chē)采用LM 型輪緣踏面,車(chē)輪名義滾動(dòng)半徑取430 mm,軸重取21 t,軌枕間距取600 mm。

臨時(shí)聯(lián)接裝置由一體全包式夾板及2 對(duì)螺栓組成,裝置長(zhǎng)280 mm,其幾何參數(shù)與115RE 鋼軌匹配,由底部螺栓施加夾緊力,經(jīng)試驗(yàn)可滿(mǎn)足施工期鋼軌臨時(shí)連接需求。

鋼軌接頭輪軌接觸有限元模型見(jiàn)圖1。 車(chē)輪、鋼軌采用實(shí)體單元模擬,采用線(xiàn)性各向同性隨動(dòng)硬化模型描述車(chē)輪和鋼軌的塑性流動(dòng)特性,材料彈性模量E=210 GPa,強(qiáng)化模量Etan=21 GPa,屈服強(qiáng)度σr=481 MPa,極限抗拉強(qiáng)度σb=1 179 MPa,泊松比v=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。 臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置采用實(shí)體單元模擬,其彈性模量E=210 GPa,泊松比v=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。 軌枕采用實(shí)體單元模擬,其彈性模量E=34.5 GPa,泊松比v=0.2,密度ρ=2.5×103kg/m3。 扣件、道床和螺栓均采用連接器單元模擬,扣件剛度取150 kN/mm,道床剛度取95 kN/mm。為平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率,有限元網(wǎng)格的劃分采用非均勻網(wǎng)格,將輪軌接觸區(qū)域細(xì)化至1 mm。 采用面-面接觸的方式定義輪軌接觸,輪軌接觸面法向采用“硬”接觸傳遞接觸壓力,切向采用罰函數(shù)描述輪軌間的摩擦作用,在干燥條件下的輪軌摩擦系數(shù)μ=0.35。

圖1 輪軌接觸有限元模型

將車(chē)輪中心點(diǎn)與車(chē)輪內(nèi)表面耦合,將多體動(dòng)力學(xué)仿真提取的輪軌力施加在耦合點(diǎn)上,其中橫向力取垂向力的10%,將縱向力轉(zhuǎn)化為牽引轉(zhuǎn)矩,以牽引系數(shù)衡量縱向力大小,牽引系數(shù)為0 時(shí),不考慮縱向力,可視為車(chē)輛惰行;牽引系數(shù)為0.1 時(shí),則縱向力取垂向力的10%,根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果,牽引系數(shù)取0.1。 約束耦合點(diǎn)及鋼軌外端面的縱向位移,道床底部為完全約束。

2 鋼軌接頭疲勞力學(xué)特性分析

臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置連接方式與一般接頭夾板差別較大,為研究臨時(shí)連接裝置作用下鋼軌接頭疲勞力學(xué)特性,利用輪軌接觸有限元模型,以Mises 等效應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變?yōu)橹饕笜?biāo),分析不同列車(chē)速度、軌縫值、道床剛度條件下的鋼軌應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。

2.1 列車(chē)速度對(duì)鋼軌疲勞力學(xué)特性的影響

列車(chē)通過(guò)鋼軌接頭時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊作用易導(dǎo)致鋼軌損傷、夾板斷裂等問(wèn)題,隨著列車(chē)速度增大,沖擊作用也隨之增大,考慮列車(chē)過(guò)鋼軌接頭形成臺(tái)階,其Mises 等效應(yīng)力、鋼軌等效塑性應(yīng)變均有所提升,加速了鋼軌接頭的破壞。 為研究列車(chē)速度對(duì)鋼軌疲勞力學(xué)特性的影響,根據(jù)單一變量原則,以20 km/h 為增量,列車(chē)速度從25 km/h 增大至85 km/h 時(shí),鋼軌最大Mises 等效應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變見(jiàn)圖2。

圖2 列車(chē)速度工況鋼軌接觸特性

由圖2 可知,隨著列車(chē)速度提升,鋼軌Mises 等效應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變均呈增大趨勢(shì),鋼軌應(yīng)力超過(guò)鋼軌屈服強(qiáng)度,但未達(dá)到鋼軌極限抗拉強(qiáng)度。 列車(chē)速度為85 km/h 時(shí),鋼軌Mises 等效應(yīng)力較列車(chē)速度為25 km/h 時(shí)增大3%,鋼軌等效塑性應(yīng)變?cè)龃?.4%。由此可見(jiàn),隨著速度增大引發(fā)的輪軌沖擊力增大,鋼軌接頭區(qū)域更容易發(fā)生坍塌變形。

2.2 軌縫值對(duì)鋼軌疲勞力學(xué)特性的影響

鋼軌接頭軌縫值過(guò)大導(dǎo)致輪軌相互作用增強(qiáng),直接影響列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性及安全性。 通過(guò)改變軌縫值對(duì)鋼軌接頭疲勞力學(xué)特性進(jìn)行分析。 鋼軌最大Mises等效應(yīng)力和最大等效塑性應(yīng)變見(jiàn)圖3。

由圖3 可知,隨著軌縫值增加3~10 mm,鋼軌接頭位置的輪軌接觸面積減小,列車(chē)沖擊力增大,鋼軌的Mises 等效應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變均呈增大趨勢(shì),有限元模型結(jié)果符合這一規(guī)律。 當(dāng)軌縫值為10 mm 時(shí),鋼軌最大等效應(yīng)力為968.2 MPa,接近鋼軌抗拉極限,鋼軌等效塑性應(yīng)變最大達(dá)到2.417%,較軌縫值為5 mm 時(shí)增大25%。 考慮列車(chē)牽引系數(shù)時(shí)鋼軌Mises 等效應(yīng)力變化在2.1% ~ 2.8%,鋼軌等效塑性應(yīng)變變化在4.7%~9.8%,軌縫值對(duì)輪軌接觸狀態(tài)影響顯著,縮小軌縫值可減小輪軌沖擊作用,進(jìn)而延緩鋼軌病害的產(chǎn)生與發(fā)展。

2.3 道床剛度對(duì)鋼軌疲勞力學(xué)特性的影響

道床是整個(gè)軌道的基礎(chǔ),道床剛度的大小直接影響道床的減振和緩沖能力,過(guò)小的道床剛度易導(dǎo)致軌道變形,道床剛度過(guò)大則會(huì)引起道床應(yīng)力增大,進(jìn)而造成鋼軌傷損。 荷載僅考慮輪軌垂向力,以25 kN/mm為增量,道床剛度自45 kN/mm 增大至120 kN/mm,鋼軌最大Mises 等效應(yīng)力、最大等效塑性應(yīng)變和鋼軌垂向位移見(jiàn)圖4。

圖4 道床剛度工況鋼軌接觸特性

由圖4 可知,隨著道床剛度增加,鋼軌的Mises 等效應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變?cè)诘来矂偠?5 kN/mm 以?xún)?nèi)波動(dòng)較小,當(dāng)?shù)来矂偠冗_(dá)到120 kN/mm 時(shí)兩指標(biāo)突然增大,但并未超過(guò)鋼軌抗拉極限。 鋼軌垂向位移見(jiàn)圖4(c)。 鋼軌位移呈非線(xiàn)性減小趨勢(shì),道床剛度為45 kN/mm 時(shí),鋼軌垂向位移達(dá)到2.6 mm,根據(jù)TB10461—2019《客貨共線(xiàn)鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》,此時(shí)鋼軌垂向位移不應(yīng)超過(guò)2.5 mm,長(zhǎng)期輪軌相互作用易在鋼軌接頭區(qū)域形成鋼軌低接頭。 隨道床剛度的增大,軌道彈性主要由扣件及墊層提供,導(dǎo)致輪軌接觸應(yīng)力增大,道床剛度過(guò)小則承載力下降,鋼軌垂向位移增大。 合理的道床剛度有助于平衡輪軌接觸狀態(tài)。

3 鋼軌接頭接觸疲勞損傷分析

以有限元仿真結(jié)果為基礎(chǔ),分析在不同列車(chē)速度、軌縫值、道床剛度條件下的鋼軌接觸疲勞損傷。 基于安定理論計(jì)算輪軌接觸區(qū)域疲勞指數(shù),可預(yù)測(cè)鋼軌疲勞類(lèi)型[15]。 將疲勞參數(shù)FPmax 代入剪切型鋼軌疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測(cè)公式[16-17],可預(yù)測(cè)鋼軌接頭疲勞裂紋萌生壽命,基于Miner 理論計(jì)算鋼軌單次疲勞損傷增量。

3.1 列車(chē)速度對(duì)接觸疲勞特性的影響

鋼軌接頭區(qū)域最大疲勞指數(shù),鋼軌最小疲勞裂紋萌生壽命及其單次疲勞損傷增量見(jiàn)圖5(a)、圖5(b)。

圖5 列車(chē)速度工況鋼軌疲勞特性

由圖5(a)可知,隨著列車(chē)速度增加25~85 km/h,鋼軌疲勞指數(shù)呈增大趨勢(shì),相對(duì)提升幅度為19%,疲勞指數(shù)均位于安定圖的棘輪效應(yīng)區(qū)域,即在列車(chē)荷載循環(huán)作用下鋼軌易發(fā)生疲勞破壞。 由圖5(b)可知,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命隨列車(chē)速度的增大呈非線(xiàn)性下降趨勢(shì)。 鋼軌疲勞線(xiàn)性累計(jì)損傷增量隨列車(chē)速度的增大呈上升趨勢(shì)。 當(dāng)列車(chē)速度超過(guò)45 km/h,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命差距較小。 合理控制車(chē)速有助于延長(zhǎng)鋼軌接頭的服役壽命,考慮到每次運(yùn)行的列車(chē)實(shí)際軸重及牽引系數(shù)會(huì)有所改變,建議將列車(chē)速度控制在65 km/h 以?xún)?nèi)。

3.2 軌縫值對(duì)接觸疲勞特性的影響

鋼軌接頭區(qū)域最大疲勞指數(shù),鋼軌最小疲勞裂紋萌生壽命及其單次疲勞損傷增量見(jiàn)圖6(a)、圖6(b)。

圖6 軌縫值工況鋼軌疲勞特性

由圖6(a)可知,隨著軌縫值增加3~10 mm,鋼軌疲勞指數(shù)呈增大趨勢(shì),當(dāng)軌縫值小于5 mm 時(shí),疲勞指數(shù)最大點(diǎn)位于彈性安定區(qū);當(dāng)軌縫值超過(guò)5 mm 時(shí),疲勞指數(shù)位于棘輪效應(yīng)區(qū),鋼軌易發(fā)生疲勞破壞。 由圖6(b)可知,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命隨軌縫值的增大呈非線(xiàn)性下降趨勢(shì)。 鋼軌疲勞線(xiàn)性累計(jì)損傷增量呈上升趨勢(shì)。 軌縫值為3 mm 時(shí),鋼軌最小疲勞裂紋萌生壽命是軌縫值為10 mm 時(shí)的3.55 倍。 隨著軌縫值增大,軌縫處車(chē)輪與軌頭邊緣沖擊作用增大,接觸面積減小,造成鋼軌疲勞壽命減小。 由此可見(jiàn),軌縫值對(duì)鋼軌疲勞裂紋萌生壽命影響顯著,減小軌縫值有助于延長(zhǎng)鋼軌服役壽命。 建議將軌縫值控制在8 mm 以?xún)?nèi)。

3.3 道床剛度對(duì)接觸疲勞特性的影響

鋼軌接頭區(qū)域的最大疲勞指數(shù),鋼軌最小疲勞裂紋萌生壽命及其單次疲勞損傷增量見(jiàn)圖7。

圖7 道床剛度工況鋼軌疲勞特性

由圖7 (a) 可知, 隨著道床剛度增加45 ~120 kN/mm,鋼軌疲勞指數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。道床剛度為95 kN/mm 時(shí),鋼軌疲勞指數(shù)達(dá)到最大值,相對(duì)于道床剛度為70 kN/mm 和120 kN/mm 時(shí)分別提升62.9%和33%,鋼軌疲勞指數(shù)均位于安定圖的棘輪效應(yīng)區(qū)域,鋼軌易發(fā)生疲勞破壞。 由圖7(b)可知,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命隨道床剛度的增大呈先下降后上升的趨勢(shì)。 鋼軌疲勞線(xiàn)性累計(jì)損傷增量呈先上升后下降的趨勢(shì)。 道床剛度為95 kN/mm 時(shí),鋼軌疲勞裂紋萌生壽命達(dá)到谷值。 可見(jiàn),合理匹配軌道結(jié)構(gòu)剛度有助于延長(zhǎng)鋼軌服役壽命。 結(jié)合鋼軌垂向位移等力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律,建議施工階段將道床剛度控制在70 ~120 kN/mm。

4 結(jié)論

針對(duì)施工階段鋼軌接頭損傷的產(chǎn)生和發(fā)展問(wèn)題,建立臨時(shí)聯(lián)結(jié)裝置作用下的輪軌接觸有限元模型,分析不同參數(shù)條件下的鋼軌疲勞受力特性及鋼軌疲勞裂紋萌生壽命,得到如下結(jié)論。

(1)列車(chē)速度由25 km/h 增大至85 km/h 時(shí),輪軌間接觸區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變?cè)龃?鋼軌疲勞裂紋萌生壽命降低。 因此,降低列車(chē)速度有助于延緩鋼軌接頭沖擊損傷,建議將列車(chē)速度限制在65 km/h 以?xún)?nèi)。

(2)軌縫值對(duì)鋼軌接頭疲勞力學(xué)特性及疲勞裂紋萌生壽命影響顯著。 綜合考慮,軌縫值應(yīng)控制在8 mm以?xún)?nèi),宜在軌縫中安裝厚度比軌縫值小2 mm 的絕緣塑料板,并使絕緣塑料板與鋼軌端部頂面平齊。

(3)道床剛度由45 kN/mm 增大至120 kN/mm時(shí),鋼軌垂向位移呈非線(xiàn)性下降,鋼軌接觸區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變呈上升趨勢(shì),疲勞裂紋萌生壽命在道床剛度為95 kN/mm 時(shí)達(dá)到谷值,合理地匹配軌道結(jié)構(gòu)剛度有利于延長(zhǎng)鋼軌服役壽命。

(4)在施工過(guò)程中,應(yīng)對(duì)鋼軌接頭位置進(jìn)行定期檢查和測(cè)量,及時(shí)處理軌縫值擴(kuò)大、軌端磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。 同時(shí),應(yīng)盡量避免在軌縫處啟動(dòng)或停車(chē),避免急劇牽引力加重鋼軌接頭損傷。