高速鐵路彈條扣件失效研究進(jìn)展

張景坤++伍曾

摘要：隨著高速鐵路線(xiàn)路的彈條損壞問(wèn)題日益突出，對(duì)彈條扣件失效破壞原因的研究十分必要。本文將國(guó)內(nèi)眾多相關(guān)研究文獻(xiàn)按照彈條的設(shè)計(jì)工藝、安裝施工、靜力計(jì)算、動(dòng)力計(jì)算等進(jìn)行分類(lèi)，通過(guò)對(duì)不同材質(zhì)和型號(hào)的彈條進(jìn)行宏觀(guān)、微觀(guān)、靜態(tài)行為、動(dòng)態(tài)行為分析，對(duì)比不同工況下其應(yīng)力分布及動(dòng)力響應(yīng)，并闡述了彈條失效原因。最后，總結(jié)了當(dāng)前彈條安裝施工技術(shù)存在的問(wèn)題和失效研究工作的不足，為日后彈條扣件的安裝維護(hù)和設(shè)計(jì)研究提供參考。

Abstract： With the increasingly prominent of damage of spring bar fastener in high-speed rail lines， the study of the reasons for the failure is very necessary. In this paper， many domestic related research literature is classified according to the design process of spring bars， installation and construction， static calculation， dynamic calculation and others， and through analysis of macro， micro， static behavior， dynamic behavior of spring bars with the different materials and models， compares the stress distribution and dynamic response under different conditions， and expounds the causes of failure. Finally， it summarized problems existing in spring bar installation construction technology and failure research work deficiency， so as to provide reference for the design study and maintenance and installation of the spring bar fastener.

關(guān)鍵詞：高速鐵路；彈條扣件；扣壓力；失效

Key words： high-speed railway；spring bar fastener；buckle pressure；failure

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）23-0242-02

0 引言

高速鐵路扣件系統(tǒng)是軌道上用來(lái)聯(lián)結(jié)鋼軌和軌枕或者其他類(lèi)型軌下基礎(chǔ)的部件。其主要作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距，阻止鋼軌相對(duì)于軌枕的縱向以及橫向位移，并且還為軌道整體結(jié)構(gòu)提供了一定的絕緣性能。彈條是高速鐵路扣件系統(tǒng)重要的組成部分之一，為扣件系統(tǒng)提供彈性與扣壓力，因此彈條失效的分析對(duì)扣件系統(tǒng)的正常使用以及列車(chē)行車(chē)安全十分重要。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于彈條失效原因的分析主要集中在以下幾個(gè)方面：

1 設(shè)計(jì)加工階段的內(nèi)部因素

1.1 彈條加工工藝流程不合標(biāo)準(zhǔn)

彈條常用的加工工藝為原材料驗(yàn)證→剪切→加熱→成型→余熱淬火→回火→檢驗(yàn)→包裝。目前可以通過(guò)對(duì)失效彈條斷口的宏觀(guān)和微觀(guān)分析，金相檢測(cè)，硬度檢測(cè)，SEM和EDS檢測(cè)等方法，得到彈條斷裂失效的材質(zhì)方面的原因。王文秀等[1]在彈條斷口用電子顯微鏡觀(guān)察發(fā)現(xiàn)其中部分區(qū)域存在銹蝕現(xiàn)象，表面缺陷區(qū)存在比較嚴(yán)重的二次裂紋等疲勞破壞特征。裂紋首尾端及中間有黑色氧化物，存在材料缺陷，而表面脫碳層的存在導(dǎo)致組織材料差異，降低了彈條的疲勞性能。郭和平等[2]通過(guò)對(duì)60Si2MnA彈條斷口附近金相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)彈條的表面不平整，存在許多溝槽，而且溝槽內(nèi)有氧化物。這些存在缺陷的局部地區(qū)會(huì)降低材料的強(qiáng)度，往往成為裂紋的起源區(qū)域。劉惠敏等[3]通過(guò)對(duì)不同編號(hào)的60Si2CrA彈條進(jìn)行SEM分析，探究其失效原因。掃描電鏡的觀(guān)察結(jié)果顯示：失效彈條斷口是典型的疲勞破壞。對(duì)斷口的銹蝕區(qū)和非銹蝕區(qū)分別進(jìn)行EDS分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)銹蝕區(qū)氧化物含有雜質(zhì)元素N，Ca以及腐蝕元素Cl，S，而在溫度，濕度等環(huán)境因素的作用下，腐蝕元素與彈條內(nèi)部較大尺寸的非金屬雜質(zhì)在危險(xiǎn)區(qū)域富集，逐漸從彈條表面脫落，形成麻點(diǎn)和麻面。這些表面不平整的區(qū)域在荷載的反復(fù)作用下，出現(xiàn)應(yīng)力集中，繼而變成裂紋的污染源，裂紋不斷發(fā)展擴(kuò)大，最終導(dǎo)致彈條斷裂。

2 使用階段的外部因素

2.1 彈條扣件在安裝過(guò)程中操作不當(dāng)

有螺栓式扣件在安裝時(shí)通過(guò)對(duì)錨固螺栓不斷施加預(yù)緊力壓緊彈條使其發(fā)生形變，從而彈條對(duì)鋼軌施加扣壓力。但在安裝施工中由于存在螺栓過(guò)擰或者未擰緊的情況，導(dǎo)致預(yù)緊力過(guò)大或者不足，從而對(duì)彈條的正常使用造成不利影響。余自若等[4]建立了包含彈條，錨固螺栓，鐵墊板，軌距擋板在內(nèi)的整體計(jì)算模型，分析了在不同扣壓力作用下X2型彈條的疲勞壽命及破壞位置。模型計(jì)算結(jié)果表明，彈條在正常安裝狀態(tài)下，其后端圓弧區(qū)域及起彎點(diǎn)附近區(qū)域應(yīng)力較大，在扣壓力稍大的過(guò)擰安裝狀態(tài)下，其應(yīng)力分布情況與正常安裝時(shí)差別不大，而在扣壓力增大接近一倍的過(guò)擰安裝狀態(tài)下，彈條的高應(yīng)力分布區(qū)域增多，除在后端圓弧區(qū)域外，彈條的中前端下顎及與錨固螺栓接觸的區(qū)域也發(fā)生了較大應(yīng)力，但最大應(yīng)力的位置沒(méi)有改變。在不同大小扣壓力作用下，彈條的疲勞性能也有差別。彈條高應(yīng)力區(qū)域即危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞壽命大致隨著扣壓力的增加而降低，而彈條內(nèi)肢靠近鐵墊板彎折處的局部區(qū)域疲勞壽命有明顯的降低，原因是這個(gè)區(qū)域是彈條與鐵墊板的接觸位置，由于錨固螺栓過(guò)擰，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。李中等[5]考慮到Vossloh300-1型扣件系統(tǒng)安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的螺栓松動(dòng)和彈條偏轉(zhuǎn)兩種工況，分析總結(jié)了其對(duì)SKL15型彈條扣壓力的影響。在未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)安裝位置時(shí)，扣壓力，彈條彈程與螺栓頂部應(yīng)力趨近于線(xiàn)性關(guān)系，螺栓的松動(dòng)導(dǎo)致了扣壓力不足。彈條偏轉(zhuǎn)除了會(huì)導(dǎo)致扣壓力不足以外，還會(huì)增加錨固螺栓的應(yīng)力，同時(shí)造成劇烈的波動(dòng)，造成彈條與螺栓接觸不穩(wěn)定。在彈條與螺栓接觸面上的局部應(yīng)力過(guò)大和波動(dòng)最終降低了彈條的疲勞性能。

2.2 鋼軌波磨

鋼軌波磨是指鋼軌頂面出現(xiàn)的不均勻，波浪狀的磨耗，其實(shí)質(zhì)為波浪形壓潰，是常見(jiàn)的鋼軌病害。鋼軌出現(xiàn)波磨后，鋼軌表面的不平順造成列車(chē)輪對(duì)垂向振動(dòng)荷載加大，從而導(dǎo)致扣件系統(tǒng)受到的作用力增大，加劇了彈條的失效破壞。朱勝陽(yáng)等[6]采用車(chē)輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論對(duì)Vossloh型扣件彈條振動(dòng)特性進(jìn)行分析，對(duì)比了考慮鋼軌波磨和不考慮鋼軌波磨的兩種動(dòng)力激勵(lì)方式，計(jì)算結(jié)果表明：考慮鋼軌波磨時(shí)，彈條的振動(dòng)加速度與不考慮鋼軌波磨相比增大接近10倍，但是彈條振動(dòng)的位移幅值變化較小，揭示了當(dāng)高速列車(chē)在出現(xiàn)波磨病害的鋼軌上運(yùn)行時(shí)，彈條的振動(dòng)會(huì)加劇，最終導(dǎo)致彈條較快地失效破壞。尚紅霞等[7]應(yīng)用非線(xiàn)性接觸理論，探究了鋼軌波磨對(duì)彈條最大等效應(yīng)力的影響。通過(guò)將實(shí)測(cè)的波磨進(jìn)行不同倍數(shù)的放大，計(jì)算得到不同波磨工況下彈條危險(xiǎn)區(qū)域處最大等效應(yīng)力的數(shù)值，對(duì)比結(jié)果得知彈條危險(xiǎn)區(qū)域的最大等效應(yīng)力及應(yīng)變隨著實(shí)測(cè)波磨的放大而成比例的增加，證明鋼軌的波磨對(duì)彈條的疲勞性能有不利影響。姜子清等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法對(duì)高速鐵路波磨對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，測(cè)量結(jié)果顯示：鋼軌波磨區(qū)域和無(wú)波磨區(qū)域的輪軌水平力大致相同，另外隨著列車(chē)的運(yùn)行速度的提高，軌道波磨區(qū)域的最大輪軌垂直力的數(shù)值也隨之增大。由于鋼軌波磨區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度與輪軌垂直力特定頻率振動(dòng)分量有相同的頻率成分，導(dǎo)致該區(qū)段鋼軌，軌道板以及其他聯(lián)結(jié)部件的振動(dòng)加劇，縮短彈條的使用壽命。

2.3 軌道線(xiàn)路不平順

軌道不平順是指軌道幾何形狀、尺寸和空間位置的偏差。按照列車(chē)車(chē)輛激擾作用的方向可分為垂向不平順，水平不平順和復(fù)合不平順；按不平順的波長(zhǎng)可以分為短波、中波、長(zhǎng)波等。宋榮榮等[9]研究了軌道不平順與列車(chē)輪對(duì)縱向振動(dòng)的關(guān)系。通過(guò)仿真分析得出結(jié)論：只存在單一的軌道水平不平順或者垂向不平順是無(wú)法引起輪對(duì)縱向振動(dòng)的，輪對(duì)的縱向共振是軌道水平不平順和垂向不平順共同作用引起的，長(zhǎng)期處于這種狀態(tài)下，鋼軌的磨耗會(huì)增加，彈條的彈性會(huì)降低。付青云等[10]研究分析了在鋼軌焊接區(qū)域不平順的激擾作用下，輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。輸入實(shí)測(cè)的焊接區(qū)域不平順激擾，對(duì)比計(jì)算在焊接接頭打磨前后，列車(chē)車(chē)輛不同運(yùn)行速度下輪軌垂向力的大小。根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)列車(chē)的輪軌垂向力的大小隨著列車(chē)運(yùn)行速度的增加而增大，在對(duì)焊接接頭區(qū)域進(jìn)行打磨之后，輪軌垂向力響應(yīng)比未打磨之前有明顯的減小，進(jìn)一步證明了軌道線(xiàn)路不平順對(duì)鋼軌的使用壽命和彈條疲勞性能具有不利的影響。

2.4 微動(dòng)磨損

微動(dòng)是發(fā)生在兩個(gè)接觸表面之間幅值極小的反復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通常為微米級(jí)。微動(dòng)磨損雖然相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅度極小，但是也會(huì)造成接觸表面的磨損和材料的損傷。微動(dòng)磨損廣泛的存在于現(xiàn)代工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，例如螺紋連接件間、鉚連接件間，各種過(guò)盈配合，軌道結(jié)構(gòu)緊固系統(tǒng)等。伍曾等[11]通過(guò)對(duì)II型彈條扣件斷裂原因分析發(fā)現(xiàn)，微動(dòng)磨損對(duì)彈條的彈性降低、裂紋生成、擴(kuò)展以及彈條的斷裂均有影響。在彈條受力時(shí)，尾部與軌距擋板表面之間的微動(dòng)會(huì)引發(fā)裂紋，這些裂紋成為污染源，交變應(yīng)力作用下，最終導(dǎo)致彈條斷裂。另外，彈條自身受到的荷載越小，微動(dòng)磨損對(duì)彈條疲勞壽命的影響越大。

此外，伍曾等[12]在WJ-7型彈條的室溫蠕變?cè)囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，在不受列車(chē)荷載和溫度作用時(shí)，彈條的蠕變現(xiàn)象會(huì)造成自身扣壓力減小10%以上，因此在工程中不應(yīng)忽視蠕變對(duì)扣件扣壓力的損失。張志遠(yuǎn)等[13]討論了WJ-7B型扣件錨固螺栓松動(dòng)原因，并提出了在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)方面防止錨固螺栓松動(dòng)對(duì)策，保證扣件彈條的正常工作。

3 結(jié)語(yǔ)

①通過(guò)對(duì)多種型號(hào)失效彈條進(jìn)行斷口宏觀(guān)微觀(guān)分析與化學(xué)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)使用的彈條扣件或多或少地存在設(shè)計(jì)思想落后、表面質(zhì)量差、材質(zhì)潔凈度不高等問(wèn)題，需要對(duì)彈條的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)。

②有螺栓彈條扣件在施工安裝過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)擰或者預(yù)緊力不足的問(wèn)題會(huì)對(duì)彈條正常使用產(chǎn)生不利影響，但是目前廣泛使用傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗(yàn)的擰緊方法，造成的擰緊偏差較大，因此要盡早開(kāi)發(fā)并普及精度較高的擰緊方法。

③彈條扣件的仿真模擬計(jì)算大多集中于靜力方面，對(duì)彈條動(dòng)態(tài)響應(yīng)的較少，且大都將彈條獨(dú)立出來(lái)研究應(yīng)力分布和疲勞破壞，而由于彈條在系統(tǒng)內(nèi)的接觸較多，受力比較復(fù)雜，因此會(huì)造成模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度出現(xiàn)偏差。今后應(yīng)當(dāng)建立包含鋼軌、鐵墊板，軌下膠墊等在內(nèi)整體扣件系統(tǒng)有限元模型。

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