王安斌，高曉剛，肖俊恒，閆子權(quán)

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

軌道扣件彈條的作用是將鋼軌固定在道床或軌枕上，它是保證列車安全運(yùn)行的主要零部件之一，現(xiàn)有的軌道系統(tǒng)都離不開(kāi)扣件系統(tǒng)，無(wú)論是重載或輕軌、高鐵或普通旅客列車、地鐵或城際客車。

當(dāng)列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，車輪在鋼軌軌頭上施加動(dòng)態(tài)力，使鋼軌產(chǎn)生變形和振動(dòng)，進(jìn)而引起扣件系統(tǒng)和其他部件的振動(dòng)。取決于不同的列車軸載和運(yùn)行速度，車輪施加在鋼軌上的沖擊力幅值的變化范圍通常為50～300 kN[1]。為保證列車運(yùn)行時(shí)的安全性，扣件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求彈條具有合適的扣壓力及強(qiáng)度，同時(shí)保證在車輪沖擊力的作用下能夠保證鋼軌的動(dòng)態(tài)位移在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。扣件彈條所承受激勵(lì)是周期性的動(dòng)態(tài)力，有可能引起彈條的疲勞損壞，而任何形式的彈條失效損壞都可能導(dǎo)致不可挽回的后果?？奂棗l的材料基本上都是高強(qiáng)彈簧鋼，加工成各種形狀，其中最常見(jiàn)一種是所謂的“蝶形”彈條。這種彈條因強(qiáng)度高、扣壓力可調(diào)且安裝方便廣泛應(yīng)用于各種軌道交通系統(tǒng)，但是使用過(guò)程中彈條疲勞斷裂的情況時(shí)有發(fā)生。

近年來(lái)，隨著扣件加工工藝及高鐵運(yùn)維技術(shù)的提高，以及高速鐵路車輪多邊形磨耗及鋼軌波磨的研究不斷深入，已在鐵路扣件動(dòng)力學(xué)分析、彈條疲勞特性分析及材料加工工藝等方面有不少研究成果。軌道動(dòng)力學(xué)分析方面，Ling等[2]認(rèn)為，導(dǎo)致彈條的疲勞失效除了彈條的靜態(tài)預(yù)荷載外，還受到輪軌耦合下車輪的循環(huán)動(dòng)態(tài)激勵(lì)荷載的共同作用。在扣壓力、循環(huán)輪軌力及非正常輪軌激勵(lì)荷載作用下，將大大增加彈條彈趾位移，加速了彈條疲勞失效。Hasap等[3]通過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)及有限元分析了e型彈條，認(rèn)為在正常列車激勵(lì)荷載下，彈條的壽命超過(guò)5×106次，而在持續(xù)的輪軌非正常沖擊荷載貢獻(xiàn)下，彈條的壽命銳減到16 839次，同時(shí)得到彈條的斷裂位置正好為彈條應(yīng)力集中位置。肖宏等[4]系統(tǒng)調(diào)研了e型彈條失效斷裂的機(jī)理，認(rèn)為彈條應(yīng)力集中、第二階模態(tài)頻率、安裝非正常深度及鋼軌波磨是e型彈條失效的主要原因。朱勝陽(yáng)等[5]發(fā)現(xiàn)在鋼軌波磨下彈條的振動(dòng)能量為無(wú)波磨下10倍多，一定程度上將加速了彈條的失效傷損。肖俊恒等[6]認(rèn)為高速鐵路在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中會(huì)出現(xiàn)鋼軌波浪形周期性磨耗和動(dòng)車組車輪多邊形周期性磨耗，將輪軌間動(dòng)力作用增大。揭示了輪軌高頻激勵(lì)與扣件彈條固有頻率接近時(shí)導(dǎo)致彈條產(chǎn)生共振，從而造成彈條傷損的重要機(jī)理；彈條疲勞及壽命分析方面，余自若等[7]通過(guò)考慮彈條與扣件系統(tǒng)其他部分之間的接觸作用，計(jì)算分析了水平力作用下的疲勞壽命，并對(duì)荷載頻率下X2型彈條性能的影響進(jìn)行了討論。向俊等[8]為研究高速鐵路無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)中的彈條部件斷裂原因，以WJ-7型扣件為研究對(duì)象，分析扣件安裝、車輪多邊形磨耗及曲線線型等3種條件下的扣件彈條力學(xué)特征。認(rèn)為彈條預(yù)緊力到24 kN時(shí)扣件安裝到位；車輪多邊形磨耗階數(shù)的提高會(huì)增大彈條應(yīng)力值，3階磨耗時(shí)應(yīng)力增量36 MPa，較無(wú)磨耗增大5倍，線路曲線半徑4 000 m時(shí)彈條壽命2萬(wàn)次，較線路半徑8 000 m減少98%以上。文獻(xiàn)[9-10]認(rèn)為鋼軌波浪磨耗以及與之相伴的車輪多邊形是非連續(xù)支撐類型軌道系統(tǒng)的特有現(xiàn)象，是軌道系統(tǒng)運(yùn)行后在輪軌踏面出現(xiàn)波浪形狀的表面磨耗。郭和平等[11]進(jìn)行了60Si2MnA材料彈條斷口宏觀微觀觀察、金相組織檢測(cè)、硬度檢測(cè)及材料成分檢測(cè)，對(duì)彈條疲勞原因進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彈條表層脫碳形成的網(wǎng)狀鐵素體成為疲勞裂紋源。王文秀等[12]對(duì)高鐵線路發(fā)現(xiàn)的3個(gè)損傷彈條裂口斷面做了金相檢驗(yàn)和化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)裂紋存在明顯穿晶現(xiàn)象，裂紋起源于彈跟內(nèi)弧表面，彈條在彎曲和扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力下產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞斷裂。

本文蝶形彈條為研究對(duì)象，并對(duì)其疲勞斷裂機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論分析，建立彈條結(jié)構(gòu)參數(shù)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性關(guān)系，從而通過(guò)參數(shù)優(yōu)化提出避免損傷發(fā)生的改進(jìn)措施。研究發(fā)現(xiàn)引起彈條斷裂的輪軌激勵(lì)力的原因是鋼軌或車輪表面的波浪磨耗；由于現(xiàn)有彈條在安裝條件下的固有頻率與波浪磨耗引入的動(dòng)態(tài)激勵(lì)頻率范圍相重，使彈條與輪軌動(dòng)態(tài)激勵(lì)力發(fā)生共振，在彈條彈跟的內(nèi)弧面產(chǎn)生高交變應(yīng)力集中而最終導(dǎo)致高頻疲勞斷裂。在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出對(duì)現(xiàn)有扣件彈條結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)方案，并對(duì)解決方案進(jìn)行理論模擬分析，以確保改進(jìn)后彈條的固有頻率在激勵(lì)力頻率范圍以外。本文通過(guò)理論分析確認(rèn)改進(jìn)后的彈條固有頻率增加了40%，高于激振頻率范圍的上限，同時(shí)疲勞斷裂點(diǎn)的應(yīng)力降低了80%，大大提高了彈條疲勞壽命。

1 現(xiàn)有扣件彈條的疲勞斷裂問(wèn)題

本文研究對(duì)象是一種所謂的“蝶形”軌道扣件彈條，由直徑15 mm的高強(qiáng)度彈簧鋼通過(guò)熱壓彎曲成型，為對(duì)稱幾何形狀。這種彈條的特點(diǎn)是有兩個(gè)相對(duì)稱的拱形彈臂，拱的一端為彈趾，安裝時(shí)扣壓在鋼軌軌腳表面上，另一端則與半圓形彈條彈跟連接，彈跟的另一端通過(guò)直線段與中心半圓環(huán)連接。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，彈條和其他零件組成扣件系統(tǒng)用螺栓安裝在軌枕或道床上。通過(guò)安裝螺栓在彈條中環(huán)處施加預(yù)設(shè)扭矩使彈臂向下產(chǎn)生彈性變形并在彈趾端向鋼軌軌腳施加所需的扣壓力，從而達(dá)到固定鋼軌的作用。常見(jiàn)的蝶形扣件系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 蝶形高彈扣件彈條系統(tǒng)示意

這種扣件彈條在鐵路線路上廣泛應(yīng)用有許多優(yōu)點(diǎn)，如扣壓力可調(diào)、方便安裝和更換等。近年來(lái)，大量的這種彈條安裝在多種線路上，包括重載和輕軌、高鐵和普通旅客列車、地鐵和城際客車等，車速范圍從地鐵線路45～100 km/h到高速鐵路線路250～350 km/h。在多條線路日常巡檢維護(hù)都有發(fā)現(xiàn)斷裂失效的彈條，為了保證線路安全運(yùn)行降低安全風(fēng)險(xiǎn)，鐵路部門就需要增加維護(hù)保養(yǎng)頻次及時(shí)更換損壞彈條，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本的增加。

現(xiàn)場(chǎng)拍攝的斷裂彈條見(jiàn)圖2，由圖2可知，兩彈臂中的一個(gè)在彈跟處完全斷開(kāi)，造成彈條失效和扣壓力喪失?？蹓毫p失的后果是軌道的穩(wěn)定性的降低，增加了列車脫軌的可能性。近年來(lái)在運(yùn)行軌道線路扣件發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題彈條的斷裂點(diǎn)都和圖2所示相近。

圖2 高速鐵路線路發(fā)現(xiàn)的失效彈條

2 問(wèn)題彈條的動(dòng)態(tài)特性分析及實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)問(wèn)題彈條的實(shí)驗(yàn)研究分兩部分，即在實(shí)際運(yùn)行線路上(在線測(cè)試)進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究，目的是找出彈條的動(dòng)態(tài)特征值包括在正常安裝狀態(tài)下的固有頻率和模態(tài)振型，并找出引起彈跟內(nèi)弧表面應(yīng)力集中點(diǎn)的模態(tài)變形特征。

2.1 高速鐵路線路在線測(cè)試

測(cè)試的目的是了解扣件彈條在實(shí)際工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。測(cè)試地點(diǎn)在某高速鐵路線路上，該線路上安裝的彈條與問(wèn)題彈條相同。測(cè)試采用錘擊激勵(lì)法，選擇兩個(gè)鋼軌截面位置，即軌枕處和兩個(gè)相鄰軌枕的中間位置，彈臂振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)在彈臂的垂向最高點(diǎn)處。激勵(lì)錘在鋼軌軌頭分別施加垂向和橫向力，激勵(lì)力有裝在激勵(lì)錘頭上的力傳感器測(cè)量，同時(shí)用加速度計(jì)測(cè)量彈臂的振動(dòng)響應(yīng)。測(cè)量的彈臂垂向和橫向的傳遞函數(shù)見(jiàn)圖3(縱坐標(biāo)參考值為1 m/N)，其中的兩個(gè)在500 Hz(垂向、橫向分別為509、500 Hz)和600 Hz(垂向、橫向分別為500、609 Hz)處的峰值頻率為通過(guò)以下的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)確認(rèn)為彈臂的兩個(gè)模態(tài)頻率。

圖3 彈臂響應(yīng)傳遞函數(shù)

在線測(cè)試除了上述的錘擊實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行了彈條的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，在彈條上布置了29個(gè)測(cè)點(diǎn)。使用激勵(lì)錘在29個(gè)激勵(lì)點(diǎn)依次施加激勵(lì)力，同時(shí)用固定在一個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度計(jì)測(cè)量彈條垂向響應(yīng)。所有測(cè)量點(diǎn)的傳遞函數(shù)匯總見(jiàn)圖4。由圖4可知，兩個(gè)主要響應(yīng)峰值點(diǎn)，頻率分別為488、593 Hz，這兩個(gè)峰值頻率和圖3所示的兩個(gè)峰值是相匹配的。與峰值頻率相對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型見(jiàn)圖4，兩個(gè)模態(tài)的特點(diǎn)主要是彈臂的變形，其中的488 Hz模態(tài)顯示兩個(gè)彈臂反相位振動(dòng)，而593 Hz模態(tài)兩個(gè)彈臂同相位振動(dòng)。

圖4 彈條實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

2.2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究

在高鐵線路測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)問(wèn)題彈條在實(shí)驗(yàn)室做了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。為了模擬彈條的實(shí)際安裝情況，將使用最廣泛的問(wèn)題彈條組件安裝在了一段60 kg/m鋼軌上，同樣在彈條布置了29個(gè)測(cè)點(diǎn)用激勵(lì)錘依次激勵(lì)，與在線測(cè)試不同的是彈條振動(dòng)響應(yīng)用固定在彈條上方的麥克風(fēng)來(lái)取代加速度計(jì)，以消除加速度在彈條上所引入的附加質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1 000 Hz以下的彈條有5個(gè)主要模態(tài)頻率，其中的模態(tài)頻率分別為539、600 Hz的模態(tài)3、4所展示的模態(tài)振型與在線測(cè)試結(jié)果所展示的連個(gè)主要振型一致。

在線測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果所示的彈條動(dòng)態(tài)特性具有相同性，都表明彈臂的模態(tài)振型為如同蝴蝶煽動(dòng)翅膀，而彈臂這種形式的交變運(yùn)動(dòng)會(huì)在彈跟處引入交變應(yīng)力。彈臂模態(tài)的頻率基本上是圍繞500、600 Hz，如果車輛運(yùn)行時(shí)的激勵(lì)頻率也在這個(gè)范圍，彈條就會(huì)發(fā)生共振產(chǎn)生高頻高動(dòng)態(tài)應(yīng)力，從而導(dǎo)致疲勞斷裂。

3 運(yùn)行線路周期性波浪磨耗及p-p激勵(lì)

當(dāng)列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，車輪會(huì)在鋼軌軌頭的踏面上施加沖擊激勵(lì)，導(dǎo)致鋼軌的變形和振動(dòng)并傳遞給軌道扣件系統(tǒng)和其他軌道系統(tǒng)部件。在對(duì)軌道系統(tǒng)的巡查和維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，在大部分出現(xiàn)彈條斷裂損壞的區(qū)間都伴有明顯的鋼軌波浪磨耗痕跡或車輪多邊形磨耗，這說(shuō)明軌道或車輪異常波磨引起的動(dòng)態(tài)激勵(lì)造成鋼軌振動(dòng)有可能是導(dǎo)致彈條疲勞斷裂的主要激勵(lì)源。在高鐵及地鐵等不同軌道系統(tǒng)出現(xiàn)的鋼軌和車輪接觸面的波磨見(jiàn)圖5。鋼軌波磨的波長(zhǎng)一般在20～200 mm之間，與車輛運(yùn)行速度和軌道系統(tǒng)的“pinned-pinned (p-p)” 振動(dòng)頻率fp-p有關(guān)。

圖5 鋼軌表面磨耗和多邊形車輪

對(duì)于非連續(xù)等距支撐的軌道系統(tǒng)，p-p振動(dòng)頻率fp-p為

(1)

式中：E為鋼軌材料楊氏模量；Ν為鋼軌材料泊松系數(shù)；I為鋼軌截面慣性矩；mr為鋼軌單位長(zhǎng)度有效質(zhì)量；l為鋼軌支撐間距；rg為鋼軌截面回轉(zhuǎn)半徑；k=0.34為鋼軌截面剪切常數(shù)；v為泊松比。

鋼軌波磨波長(zhǎng)L，p-p頻率fp-p以及列車運(yùn)行速度U之間的關(guān)系為

L=1 000U/(3.6fp-p)

(2)

鋼軌波磨的出現(xiàn)主要和軌道的橫向和扭轉(zhuǎn)p-p頻率有關(guān)，考慮最常用的60 kg/m軌，取決于支撐間距，其橫向p-p頻率fp-p在400～650 Hz之間。

對(duì)于高速鐵路線路，其橫向和扭轉(zhuǎn)fp-p通常是500～650 Hz，運(yùn)行速度為250～350 km/h，根據(jù)式(2)估算波磨波長(zhǎng)在100～180 mm，在車速300 km/h的高鐵線路實(shí)際測(cè)得的波磨波在為120～150 mm之間。

4 問(wèn)題彈條動(dòng)態(tài)特性的理論分析

上述試驗(yàn)研究結(jié)果和周期性波浪磨耗激勵(lì)特性的分析基本說(shuō)明了問(wèn)題彈條出現(xiàn)疲勞斷裂的因果關(guān)系，為了更精確的理解彈條的動(dòng)態(tài)特征并為彈條改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)問(wèn)題彈條進(jìn)行了仿真模擬分析，包括模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析。分析模型是基于3D掃描的實(shí)際彈條幾何形狀劃分網(wǎng)格，采用了實(shí)體單元，網(wǎng)格尺寸為2 mm，見(jiàn)圖6。模型約束模擬了彈條實(shí)際安裝條件下的狀況，并施加等同于彈趾10 kN的扣壓力。

圖6 問(wèn)題彈條仿真模型

模態(tài)分析在1 000 Hz以下頻率范圍找到了6個(gè)模態(tài)，其模態(tài)振型可以歸集為三種類型，即398、408 Hz，502、514 Hz,604、611 Hz，每個(gè)類型包括兩個(gè)彈臂的位移同相位和反相位，模型模態(tài)振型見(jiàn)圖7。模態(tài)1和模態(tài)2的頻率在400 Hz附近，彈臂的變形主要由連接中環(huán)的直線段帶動(dòng)，繞中心固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；模態(tài)3和模態(tài)4的頻率剛過(guò)500 Hz，模態(tài)變形是彈臂的繞彈跟擺動(dòng)加上直線段的水平彎曲；模態(tài)5和模態(tài)6的頻率剛過(guò)600 Hz，模態(tài)變形是彈趾水平滑動(dòng)和彈臂水平擺動(dòng)，在彈跟處產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。前述的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)鋼軌受到激勵(lì)時(shí)，彈條彈臂的響應(yīng)峰值在500 Hz和600 Hz附近，這個(gè)頻率和第二、三類彈條模態(tài)頻率(模態(tài)3—模態(tài)6)相吻合，而這兩類模態(tài)振型的彈臂運(yùn)動(dòng)方式，將在彈跟的內(nèi)弧面產(chǎn)生交變應(yīng)力。三種模態(tài)形式下(模態(tài)2、模態(tài)4和模態(tài)6)彈條模型的應(yīng)力分布見(jiàn)圖8，由圖8可知，高應(yīng)力點(diǎn)都在彈跟內(nèi)弧面上，特別是模態(tài)4和模態(tài)6的高應(yīng)力點(diǎn)正好在內(nèi)弧面中間部分，也就是彈條斷面位置。

圖7 模態(tài)振型

圖8 模態(tài)應(yīng)力分布

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了頻率響應(yīng)分析。為模擬鋼軌通過(guò)軌腳向彈條傳遞輪軌激勵(lì)力，垂向和橫向動(dòng)態(tài)力施加在彈趾處，激勵(lì)為寬頻域0～2 000 Hz的單位激勵(lì)力，彈條頻率響應(yīng)分析結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。彈臂的加速度響應(yīng)傳遞函數(shù)見(jiàn)圖9，與圖3所示的彈條在線測(cè)試響應(yīng)傳遞函數(shù)相比，兩者具有相似的特征，峰值響應(yīng)頻率都是在500、600 Hz附近。圖10為彈條在橫向和垂向激勵(lì)下的彈跟內(nèi)弧面的應(yīng)力響應(yīng)傳遞函數(shù)，主要兩個(gè)應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)于模態(tài)3和模態(tài)4及模態(tài)5和模態(tài)6。盡管加速度和應(yīng)力響應(yīng)都在400 Hz附近有和模態(tài)1和2模態(tài)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)峰值，但其峰值比其他兩個(gè)峰值低很多，對(duì)整個(gè)振動(dòng)能量的貢獻(xiàn)有限。

圖9 彈臂加速度響應(yīng)

圖10 橫向、垂向激勵(lì)下彈跟內(nèi)弧面應(yīng)力響應(yīng)

有限元仿真分析進(jìn)一步證實(shí)了彈跟內(nèi)弧面的應(yīng)力響應(yīng)主要的來(lái)自模態(tài)頻率在500、600 Hz的固有頻率，正好和鋼軌波磨引起的動(dòng)態(tài)激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，從而因共振導(dǎo)致了問(wèn)題彈條的疲勞斷裂。

文獻(xiàn)[1]中給出了另一種“蝶型”彈條，其固有頻率為680～780 Hz，安裝在行車速度為245 km/h的高鐵線路上，軌道上的波磨波長(zhǎng)為120～140 mm，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)彈條斷裂，這是因?yàn)閺棗l的固有頻率不在波磨激勵(lì)的范圍內(nèi)。這個(gè)例子從側(cè)面證明了本文的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)是有效的。

5 問(wèn)題彈條的抗疲勞改進(jìn)方案

5.1 問(wèn)題彈條疲勞斷裂機(jī)理

通過(guò)問(wèn)題彈條的實(shí)驗(yàn)研究和有限元仿真模擬理論分析得到，問(wèn)題彈條組裝下的動(dòng)態(tài)特征實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)彈條的主要疲勞固有頻率在500～600 Hz。同時(shí)有限元仿真分析分析得到問(wèn)題彈條彈跟內(nèi)弧面的應(yīng)力集中主要頻率500、600 Hz的兩模態(tài)振型引起，而高速鐵路鋼軌周期性波浪磨耗或車輪多邊形磨耗引起軌道和扣件系統(tǒng)振動(dòng)的激勵(lì)源主要頻率范圍在400～650 Hz，引起彈條疲勞斷裂的固有模態(tài)頻率及應(yīng)力集中頻率都落在激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，進(jìn)一步證實(shí)了彈條斷裂時(shí)由于固有頻率與輪軌作用激勵(lì)力產(chǎn)生了共振，導(dǎo)致彈條發(fā)生疲勞斷裂的機(jī)理。

5.2 問(wèn)題彈條結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果

為避免共振的發(fā)生，最直接的方法是提高彈條的剛度，使其固有頻率避開(kāi)激勵(lì)頻率范圍。在考慮了多種可能的解決方案后，提出了一種簡(jiǎn)單但是非常有效其易于實(shí)施的彈條改進(jìn)方案。這個(gè)方案不需要對(duì)現(xiàn)有的安裝工藝和安裝工具做出改動(dòng)，不需要設(shè)計(jì)新的扣件系統(tǒng)組合配件，所以既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)。

改進(jìn)后的彈條和問(wèn)題彈條的幾何形狀比較見(jiàn)圖11，主要變化是降低了彈臂的高度。為檢驗(yàn)改進(jìn)后的彈條的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)其進(jìn)行的有限元仿真分析，包括模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析。結(jié)果表明，盡管改進(jìn)后的彈條所表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)特征如模態(tài)振型和原設(shè)計(jì)相似，但模態(tài)頻率上移，三類模態(tài)頻率提高到了509、531 Hz，698、735 Hz ，782、785 Hz。改進(jìn)彈條彈跟內(nèi)弧面的最大應(yīng)力響應(yīng)和改進(jìn)前的比較見(jiàn)圖12。由圖12可知，在波磨激勵(lì)頻率范圍400～650 Hz范圍內(nèi)，改進(jìn)彈條的應(yīng)力響應(yīng)降低了80%，應(yīng)力響應(yīng)峰值頻率高于730 Hz，增加了40%。動(dòng)態(tài)應(yīng)力響應(yīng)幅值的大幅度下降，和固有頻率的大幅提高，保證了在激勵(lì)范圍內(nèi)彈條不會(huì)出現(xiàn)共振，從而避免疲勞斷裂。

圖11 改進(jìn)后的彈條和問(wèn)題彈條幾何形狀比較

圖12 彈條實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

6 結(jié)論

“蝶形”彈條因強(qiáng)度高、扣壓力可調(diào)且安裝方便廣泛應(yīng)用于各種軌道交通系統(tǒng)，但是使用過(guò)程中彈條疲勞斷裂的情況時(shí)有發(fā)生。對(duì)彈條動(dòng)態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)研究和有限元仿真分析，揭示了發(fā)生扣件彈條疲勞斷裂的機(jī)理是波浪磨耗產(chǎn)生的高頻激勵(lì)與扣件彈條固有頻率相接近。提出了一種對(duì)彈條結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)，并得出如下結(jié)論：

(1)鋼軌周期性波浪磨耗或車輪多邊形磨耗是引起軌道和扣件系統(tǒng)振動(dòng)的激勵(lì)源，其特點(diǎn)是高頻率高幅值，主要頻率范圍為400～650 Hz。

(2)對(duì)問(wèn)題扣件彈條動(dòng)態(tài)特征的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)彈條的主要固有頻率在500～600 Hz，落在激勵(lì)頻率范圍內(nèi)。

(3)有限元仿真分析表明，彈條彈跟內(nèi)弧面的應(yīng)力熱點(diǎn)主要由頻率500～600 Hz的兩模態(tài)振型引起。

(4)彈條斷裂時(shí)由于彈條在波磨引起的激勵(lì)力作用下產(chǎn)生共振。

(5)改進(jìn)后的彈條應(yīng)力響應(yīng)降低了80%，主要模態(tài)頻率高于730 Hz，增加了40%，達(dá)到了避免疲勞損壞的目標(biāo)。