高速铁路扣件系统弹条不同扣压力下的疲劳性能分析

郎福权

晋亿实业股份有限公司 浙江 嘉兴 314100

高速铁路扣件系统作为铁路轨道不可或缺的关键组成，轨道扣件系统通过运用弹条弹性变形过程中所储存的能量，可以较好地对机械冲击力及振动有所缓解。但是在弹跳服役过程中又要承受较多的周期性弯曲与扭转交变压力等作用，所以有必要对长期荷载作用力时的弹条性能加大关注度。随着近年来对高速铁路扣件系统弹条疲劳性能研究的逐渐延展，有研究者展开对扣件系统的动力实验，研究处于设定的差异化高频振动条件下，所产生的扣件系统特性变化规律。也有研究者展开对扣件系统的疲劳实验，提出对疲劳过程识别时的关键阶段参数模型。总体来讲现有研究对于高速铁路扣件系统的性能研究方向，集中于整体轨下垫板刚度所对扣件系统疲劳产生的影响，本文将以高速铁路扣件系统弹条作为研究对象，展开设定不同扣压力参数实验条件下，弹条疲劳性能的具体变化研究。

1、建立模型

本次研究选取某一扣件W1弹条作为实验对象，建立包含螺栓、绝缘块、铁垫板等组件在内的高速铁路扣件系统模型图（见图1）。

图1 高速铁路扣件系统模型示意图

在约束铁垫板及绝缘块分别在x、y、z三个方向均位移，约束螺栓在x、y两方向发生的水平位移，为了有效避免发生弹条互动所致最终的计算结果不收敛，以及为了确保尽可能的保证接近实际情况，约束弹条中前端下颚呈x方向位移。在工作状态下的弹条与螺栓、铁垫板、绝缘块、前端下颚及绝缘块各部分之间均存在接触行为，在计算分析过程中均应当确保位置呈面对面接触。本次实验采用弹条的应力-应变关系运用理想弹塑性模型，施以螺栓表面模拟扣压力，16KN扣压力时为标准安装，为此本次实验设计了20KN、30KN不同扣压力对比研究弹条的疲劳性能。

2、弹条处于不同扣压力下应力特点

为了能够确定弹条疲劳的主要危险点位置，在实验中设定16KN、20KN、30KN差异化扣压力作用条件，结合弹条具体作用力的主要分布情况，计算所得处于不同扣压力作用试验条件下的弹条静力。（见图2）标注作为弹条的各处应力达最大时的危险点所在位置。结果表明处于16KN扣压力正常安装状态下，在Part1、2、3均出现极大应力，其中以3所在位置作为最大应力达1558MPa。在过拧施以20KN扣压力作用时，应力分布情况接近于16KN扣压力，分别在Part1、2、3处产生极大应力，以3处所在位置同样作为最大应力高达1625MPa。持续增加扣压力应力至30KN情况下，弹条明显增加了高应力区域，此时分别在Part1、2、3、4、5这五处产生应力均较大，但是同样与前两次扣压力实验结果等同，仍然以3处所在位置同样作为最大应力高达1655MPa。

图2 弹条疲劳危险点所在位置

3、弹条的疲劳性能

弹条的不同部位危险点的具体疲劳寿命，随着扣压力的不同随之改变，发现在设定的16KN至30KN扣压力作用实验中，结果表明：上图所示的1处位置疲劳寿命超过890万次，明显超出500万次疲劳寿命这一标准需求，每一个疲劳危险点的疲劳寿命，和设定的不同扣压力作用二者均呈负相关；上图所示的2处随着逐渐增加的扣压力作用，能够直观看出呈逐渐降低的弹条疲劳性能变化趋势。其中还存在十分明显的部分危险点疲劳寿命迅速降低，所以弹条与铁垫板之间的接触部位，便作为疲劳危险位置点，会随着施加不停的扣压力作用，形成差异化集中应力。并且通过计算静力值和疲劳应力值，结果证实这些危险接触点达到较大的静力值及疲劳应力值，因此疲劳寿命较低；上图所示的3处整体达到较高的疲劳寿命，尽管计算所得的静力值较大，但是疲劳应力值较小，因此并非疲劳破坏主要危险部位；上图所示的4处每一个疲劳点寿命均会随着扣压力的逐渐改变随之变动，二者呈负相关；上图所示的5处危险点的疲劳寿命变化情况相似于2处，同样存在部分危险点的疲劳寿命较低，但是这些危险点均处于螺栓接触弹条部位，所以集中应力所致寿命偏低。

处于不同扣压力作用下汇总弹条的不同部位疲劳寿命（见图3），该结果表明最低疲劳寿命以5处（弹条接触螺栓）这一部位作为疲劳易发区域，在2处（弹条接触铁垫板）的疲劳寿命次之。在5处的集中应力区域，所受20KN扣压力所致弹条寿命低于500万次这一标准，就是说弹条极有可能并未达到疲劳寿命标准便遭受极大破坏，所以安装弹条需要尽可能避免发生过拧情况。

图3 不同扣压力作用下不利位置疲劳寿命（模拟1）

4、横向力作用影响弹条疲劳性

在文献中对处于60kg/m条件下，无缝线路钢轨产生的横向变形进行模拟计算，可得包括横向作用力所在位置、偏心以及垂向力、扣压力大小、轨下垫层的刚度与轨枕之间间距多因素作用，产生的钢轨平移值。参照文献研究结果结合本文选用的W1弹条特点，选择钢轨最大平移位移能够发现，所受各大参数影响作用下，达到0.9～1.1mm的钢轨横移值、0.946mm的平均值，因此取值1.0mm。经模拟实现扣件系统绝缘块以y向移动-1.0mm，得（见图4）荷载工况。同样计算弹条静力值和载荷应力值[7],结果表明，钢轨横移后弹条在不同的扣压力情况下，达到的最大应力位置等同于上一模拟工况，并且同样以图2中的2处和5处这两个位置达到集中应力。钢轨在横移后，随着弹条的最大应力值与扣压力之间呈正相关，横移略微增加了弹条的最大应力。

图4 不同扣压力作用下不利位置疲劳寿命（模拟2）

根据上图能够直观看出，相较模拟1中的5个危险点位置，所处不同扣压力作用下，模拟2中分别在1、3、4以上三个危险点，随着扣压力的逐渐增加弹条的疲劳寿命呈递减趋势；在2处同样存在较低的疲劳寿命特殊危险点，几乎等同模拟1情况，均为弹条接触铁垫板位置点，存在集中应力；但是模拟2和模拟1之间的差距，在于模拟2中设定的三种不同扣压力，5处均无法达到500万次疲劳寿命这一标准，因此无法满足弹条疲劳寿命使用所需。所以5处作为弹条疲劳性能破坏的关键危险位置，需要对这一点特别考虑。

结语

综上，经本次模拟实验选取某一扣件W1弹条作为具体研究对象，结果表明弹条接触螺栓部位，疲劳寿命最低，也作为疲劳破坏易发部位，设定20KN扣压力时的疲劳寿命低于500万次，其余疲劳寿命与扣压力呈负相关。扣压力会明显影响弹条的疲劳寿命，所以需要尽可能的避免过拧。