高铁扣件弹条疲劳断裂原因分析

［摘 要］高铁扣件是钢轨与道床连接的纽带，通常需要弹条进行扣压，能够有效保证高铁轨道的几何形位，避免发生偏移。高铁在行驶过程中，会对钢轨施加动态力，导致钢轨出现变形、振动，引起扣件系统振动，根据相关设计要求，扣件弹条需要满足列车施加在钢轨上的冲击力变化强度，一般为50～300 kN。高铁扣件弹条在长期荷载作用下的断裂情况，会导致高铁轨道寿命缩短，从而影响行车安全，文章以WJ–8 型弹条为研究对象，对其疲劳断裂原因进行分析，明确其结构参数与相应特性之间的关联，从而实现参数优化与改进。

［关键词］高铁扣件；弹条；疲劳断裂

［中图分类号］U213.53 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）03–0039–03

1 现有扣件弹条疲劳断裂问题

在构造上，高铁扣件弹条通过对高强度弹簧进行热压弯曲，形状为对称几何，具有两个对称拱形弹簧臂，在实际应用过程中，整个扣件系统通过螺栓安装固定。图1 为常见的WJ–8型扣件。

WJ–8 型扣件在应用中，可动态调整扣压力、安全更换便捷，失效弹条断裂点通常为弹跟处，因存在弹条断裂失效问题，导致维护、更换频繁，整体运营成本增加。

2 问题弹条动态特性分析与试验研究

2.1 高铁线路实际测试

针对高铁扣件弹条实际工作中的动态响应特性进行明确，选取合适的高铁线路，开展锤击法模态试验，振动响应测量点需要选择在轨枕处与相邻轨枕中间的位置，在激励锤头上安装传感器进行测量，以加速度计对弹臂振动响应进行测量，对所测得的数据进行频谱处理，得到相关振动特性。

钢轨波磨观测上，通过波磨测量小车，对高铁扣件弹条断裂区域进行钢轨波磨测量，开展滤波处理，明确每米最大谷深值与波长情况。如图2 所示，对10 mm 以下的波场进行统计，区域内波磨主要波长集中于50～60 mm。

2.2 实验室试验

在高铁线路实际测试后，需要在实验室中对问题弹条开展试验分析。对未断弹条与已经断裂的弹条进行断裂位置、裂纹、硬度检查。将弹条实际安装情况进行模拟，安装在钢轨之上，并布置测试点进行激励锤激励，此时的弹条振动响应需要在弹条上布置麦克风，取代实际测试中的加速度计，消除加速度所造成的额外质量。

在断裂位置上与裂纹试验中，发现已断裂的弹条位置通常为弹条尾部与端支撑位置间，相较于一般弹条测试中的典型断裂位置存在一定差异。将断口区域划分为裂纹区、疲劳区域断裂区，裂纹区位于弹条弧形内侧，并向弹条内进行放射性扩散，逐渐形成扇形区域。对疲劳区域断裂区已断裂与未断裂弹条表面进行检查，通过溶液对断裂表面进行处理，防止表面出现锈蚀的情况。检查发现，已断与未断弹条表面检查结果差异较小。在内部性能上，进行弹条终端取样，进行硬度等指标检测，硬度、脱碳层与金相组织检测结果皆在标准范围内。

通过线路实际检测与实验室试验发现，弹条动态特征相同，说明弹臂运动在弹跟之处存在交变应力的引入，弹臂模态频率多数在500～600 Hz，高铁若在此频率范围内运行，将会形成共振，从而发生高频高动态应力，导致扣件弹条疲劳断裂。

3 运行线路波浪磨损与P-P激励

高铁在行驶过程中，会产生冲击激励，通过钢轨振动传导，对轨道扣件系统产生影响。通过轨道日常保养，能够明显发现多数弹条断裂区域存在明显的波浪磨耗痕迹，说明轨道异常波磨导致的动态激励是造成弹条断裂的主要原因。钢轨波磨波长通常为20～200 mm，车辆行驶速度与轨道系统（P–P）振动频率fp–p 存在一定关联。在轨道系统中，P–P 振动频率fp–p 计算公式如下：

钢轨波磨波长为L。P-P 频率fp–p 与高铁运行速度U 之间的关系为：

钢轨波磨出现与轨道横向同扭转P–P 频率相关，根据支撑间距的不同，横向P–P 频率fp–p 通常在400～650 Hz。高速功率线路中，轨道横向与扭转fp–p范围一般为500～650 Hz，运行速度为250～360 km/h，波磨波长为100～180 mm，高铁车速为300km/h 的情况下，其波磨波长位于120～150 mm。

4 扣件弹条仿真分析

4.1 三维模型构建

在仿真分析中，以WJ–8 型扣件为研究对象进行分析，其系统内包括螺旋道钉、平垫圈、弹条（分为W1 型与X2 型）、绝缘轨距块、轨距挡板、轨下垫板、铁垫板、铁垫板下弹性垫板等，根据扣件系统部件图纸与尺寸进行三维模型构建与装配，之后根据有限元软件ANSYS 开展网格划分。

为了不影响力学，降低计算难度，研究所搭建的有限元模型对垫片、螺栓等部件形状进行简化处理，整个模型节点达到22 万个以上，单元12 万个以上。WJ–8 型扣件弹条主要材料为60Si2Mn 弹簧钢，需要对材料弹性、塑性进行考量，通过理想线性进行材料应力与管理构建，屈服强度数值为1 320 MPa。

在有限元仿真模拟中，弹条与螺栓、轨距挡板、绝缘垫片间进行摩擦面的接触，为了更好地提升计算精确度，进行上述部件之间的绑定。

仿真模型构建中还需要对安装状态进行考虑，约束模型地面X 方向，通过钢轨两端截面的对称约束进行边界影响忽略。通过螺栓顶的上下位移，将弹条前端向下位移15 mm，如此达到安装状态。

4.2 静力特性分析

进行静力分析且正常安装时，弹条需要进行位移，总位移存在于弹条中弯前端，在跟端位移较小，通过弹条垂向最大位移14.9 mm，说明扣件系统可正常安装，安装过程中，弹条中弯垂向下运动，弹臂向上翘，运动方向相反。

静力特征分析中，弹条最大应力位于跟端后弯支点大圆弧的内侧表面，弹条断裂部位同样在此处，相较于弹条材料屈服强度1 320 MPa，其von–Mises 应力约为1 480 MPa，WJ–8 型扣件弹条此时受到弯曲与扭转作用，von-Mises 应力在后弯支点到前端支点过程中，逐渐减小，趾端等效应力最小。

4.3 模态分析

模态分析中，需要保证弹条不受到外力与各方接触，通过弹条模态的变化，确定弹条变形前后的空间位置。对模态振型与频率特性进行分析计算，0～1 000 Hz内，WJ–8型扣件弹条存在578.16 Hz与595.70 Hz两阶模态。

5 问题弹条抗疲劳改进方案

根据弹条试验与仿真分析等结果进行分析，能够明确，WJ–8 型扣件弹条疲劳频率在500～600 Hz，造成高铁扣件弹条断裂的模态频率在激励频率范围内，说明弹条断裂是因为固有频率同高铁轮轨相互作用发生共振，从而导致弹条疲劳，之后断裂。为避免共振断裂的情况发生，可提升WJ–8 型扣件弹条刚度，规避激励频率范围，根据实际情况，制订可行性方案。

对钢轨WJ–8 型扣件弹条弹臂高度进行降低，并进行动态特性检验，开展仿真分析，进行模态与频率分析，结果显示，经过改进后的弹条同模态设计相似，整体频率上移，应力相应得到有效降低，固有频率提升，避免了激励范围内共振频发的情况，使高铁WJ–8型扣件弹条寿命更长，减少了成本投入。

6 结束语

WJ–8 型扣件弹条强度较高，且具有安装方便、抗压力强的优势，但在实际使用过程中，还是存在疲劳断裂的情况。文章结合高铁实际线路检测、实验室试验、弹条动态特性研究、仿真分析等方法，对高铁扣件弹条疲劳断裂原因进行了分析。试验结果表明，引起高铁扣件系统振动的重要原因是钢轨波浪磨耗，频率范围集中在400～650 Hz，弹条固有频率550～650 Hz 与激励频率重合。可通过降低弹条弹臂高度、打磨钢轨等形式，调整弹条固有频率，避免高铁扣件弹条出现疲劳断裂。

参考文献

[1] 肖洪秀，伍曾，黄新杰. 高铁扣件弹条疲劳断裂原因分析[J]. 工业安全与环保，2021，47（2）：50-54.

[2] 卢俊. 高速铁路扣件弹条振动疲劳性能与优化、试验研究[D]. 成都：西南交通大学，2021.

[3] 单海东. 大坡度曲线地段无砟轨道扣件弹条疲劳性能研究[D]. 成都：西南交通大学，2022.