郎福權(quán)

晉億實(shí)業(yè)股份有限公司 浙江 嘉興 314100

高速鐵路扣件系統(tǒng)作為鐵路軌道不可或缺的關(guān)鍵組成，軌道扣件系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用彈條彈性變形過(guò)程中所儲(chǔ)存的能量，可以較好地對(duì)機(jī)械沖擊力及振動(dòng)有所緩解。但是在彈跳服役過(guò)程中又要承受較多的周期性彎曲與扭轉(zhuǎn)交變壓力等作用，所以有必要對(duì)長(zhǎng)期荷載作用力時(shí)的彈條性能加大關(guān)注度。隨著近年來(lái)對(duì)高速鐵路扣件系統(tǒng)彈條疲勞性能研究的逐漸延展，有研究者展開(kāi)對(duì)扣件系統(tǒng)的動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，研究處于設(shè)定的差異化高頻振動(dòng)條件下，所產(chǎn)生的扣件系統(tǒng)特性變化規(guī)律。也有研究者展開(kāi)對(duì)扣件系統(tǒng)的疲勞實(shí)驗(yàn)，提出對(duì)疲勞過(guò)程識(shí)別時(shí)的關(guān)鍵階段參數(shù)模型。總體來(lái)講現(xiàn)有研究對(duì)于高速鐵路扣件系統(tǒng)的性能研究方向，集中于整體軌下墊板剛度所對(duì)扣件系統(tǒng)疲勞產(chǎn)生的影響，本文將以高速鐵路扣件系統(tǒng)彈條作為研究對(duì)象，展開(kāi)設(shè)定不同扣壓力參數(shù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)象，建立包含螺栓、絕緣塊、鐵墊板等組件在內(nèi)的高速鐵路扣件系統(tǒng)模型圖（見(jiàn)圖1）。

圖1 高速鐵路扣件系統(tǒng)模型示意圖

在約束鐵墊板及絕緣塊分別在x、y、z三個(gè)方向均位移，約束螺栓在x、y兩方向發(fā)生的水平位移，為了有效避免發(fā)生彈條互動(dòng)所致最終的計(jì)算結(jié)果不收斂，以及為了確保盡可能的保證接近實(shí)際情況，約束彈條中前端下顎呈x方向位移。在工作狀態(tài)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(jì)算分析過(guò)程中均應(yīng)當(dāng)確保位置呈面對(duì)面接觸。本次實(shí)驗(yàn)采用彈條的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系運(yùn)用理想彈塑性模型，施以螺栓表面模擬扣壓力，16KN扣壓力時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)安裝，為此本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了20KN、30KN不同扣壓力對(duì)比研究彈條的疲勞性能。

2、彈條處于不同扣壓力下應(yīng)力特點(diǎn)

為了能夠確定彈條疲勞的主要危險(xiǎn)點(diǎn)位置，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定16KN、20KN、30KN差異化扣壓力作用條件，結(jié)合彈條具體作用力的主要分布情況，計(jì)算所得處于不同扣壓力作用試驗(yàn)條件下的彈條靜力。（見(jiàn)圖2）標(biāo)注作為彈條的各處應(yīng)力達(dá)最大時(shí)的危險(xiǎn)點(diǎn)所在位置。結(jié)果表明處于16KN扣壓力正常安裝狀態(tài)下，在Part1、2、3均出現(xiàn)極大應(yīng)力，其中以3所在位置作為最大應(yīng)力達(dá)1558MPa。在過(guò)擰施以20KN扣壓力作用時(shí)，應(yīng)力分布情況接近于16KN扣壓力，分別在Part1、2、3處產(chǎn)生極大應(yīng)力，以3處所在位置同樣作為最大應(yīng)力高達(dá)1625MPa。持續(xù)增加扣壓力應(yīng)力至30KN情況下，彈條明顯增加了高應(yīng)力區(qū)域，此時(shí)分別在Part1、2、3、4、5這五處產(chǎn)生應(yīng)力均較大，但是同樣與前兩次扣壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果等同，仍然以3處所在位置同樣作為最大應(yīng)力高達(dá)1655MPa。

圖2 彈條疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)所在位置

3、彈條的疲勞性能

彈條的不同部位危險(xiǎn)點(diǎn)的具體疲勞壽命，隨著扣壓力的不同隨之改變，發(fā)現(xiàn)在設(shè)定的16KN至30KN扣壓力作用實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果表明：上圖所示的1處位置疲勞壽命超過(guò)890萬(wàn)次，明顯超出500萬(wàn)次疲勞壽命這一標(biāo)準(zhǔn)需求，每一個(gè)疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞壽命，和設(shè)定的不同扣壓力作用二者均呈負(fù)相關(guān)；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(shì)。其中還存在十分明顯的部分危險(xiǎn)點(diǎn)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(xiǎn)位置點(diǎn)，會(huì)隨著施加不停的扣壓力作用，形成差異化集中應(yīng)力。并且通過(guò)計(jì)算靜力值和疲勞應(yīng)力值，結(jié)果證實(shí)這些危險(xiǎn)接觸點(diǎn)達(dá)到較大的靜力值及疲勞應(yīng)力值，因此疲勞壽命較低；上圖所示的3處整體達(dá)到較高的疲勞壽命，盡管計(jì)算所得的靜力值較大，但是疲勞應(yīng)力值較小，因此并非疲勞破壞主要危險(xiǎn)部位；上圖所示的4處每一個(gè)疲勞點(diǎn)壽命均會(huì)隨著扣壓力的逐漸改變隨之變動(dòng)，二者呈負(fù)相關(guān)；上圖所示的5處危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞壽命變化情況相似于2處，同樣存在部分危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞壽命較低，但是這些危險(xiǎn)點(diǎn)均處于螺栓接觸彈條部位，所以集中應(yīng)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(jiàn)圖3），該結(jié)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(fā)區(qū)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(yīng)力區(qū)域，所受20KN扣壓力所致彈條壽命低于500萬(wàn)次這一標(biāo)準(zhǔn)，就是說(shuō)彈條極有可能并未達(dá)到疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)便遭受極大破壞，所以安裝彈條需要盡可能避免發(fā)生過(guò)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(xiàn)中對(duì)處于60kg/m條件下，無(wú)縫線路鋼軌產(chǎn)生的橫向變形進(jìn)行模擬計(jì)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(chǎn)生的鋼軌平移值。參照文獻(xiàn)研究結(jié)果結(jié)合本文選用的W1彈條特點(diǎn)，選擇鋼軌最大平移位移能夠發(fā)現(xiàn)，所受各大參數(shù)影響作用下，達(dá)到0.9～1.1mm的鋼軌橫移值、0.946mm的平均值，因此取值1.0mm。經(jīng)模擬實(shí)現(xiàn)扣件系統(tǒng)絕緣塊以y向移動(dòng)-1.0mm，得（見(jiàn)圖4）荷載工況。同樣計(jì)算彈條靜力值和載荷應(yīng)力值[7],結(jié)果表明，鋼軌橫移后彈條在不同的扣壓力情況下，達(dá)到的最大應(yīng)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(gè)位置達(dá)到集中應(yīng)力。鋼軌在橫移后，隨著彈條的最大應(yīng)力值與扣壓力之間呈正相關(guān)，橫移略微增加了彈條的最大應(yīng)力。

圖4 不同扣壓力作用下不利位置疲勞壽命（模擬2）

根據(jù)上圖能夠直觀看出，相較模擬1中的5個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)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(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)，隨著扣壓力的逐漸增加彈條的疲勞壽命呈遞減趨勢(shì)；在2處同樣存在較低的疲勞壽命特殊危險(xiǎn)點(diǎn)，幾乎等同模擬1情況，均為彈條接觸鐵墊板位置點(diǎn)，存在集中應(yīng)力；但是模擬2和模擬1之間的差距，在于模擬2中設(shè)定的三種不同扣壓力，5處均無(wú)法達(dá)到500萬(wàn)次疲勞壽命這一標(biāo)準(zhǔn)，因此無(wú)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(guān)鍵危險(xiǎn)位置，需要對(duì)這一點(diǎn)特別考慮。

結(jié)語(yǔ)

綜上，經(jīng)本次模擬實(shí)驗(yàn)選取某一扣件W1彈條作為具體研究對(duì)象，結(jié)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(fā)部位，設(shè)定20KN扣壓力時(shí)的疲勞壽命低于500萬(wàn)次，其余疲勞壽命與扣壓力呈負(fù)相關(guān)?？蹓毫?huì)明顯影響彈條的疲勞壽命，所以需要盡可能的避免過(guò)擰。