尖軌斷裂監(jiān)測仿真與試驗分析

陳 強，王大志，張?zhí)熨x，陳玉亮，馬 韜

（大連理工大學遼寧省微納米技術與系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

尖軌是引導列車進入預定開行方向的關鍵，僅受到滑床板承托、根端固定和有限的牽引鎖閉約束，加之道岔區(qū)固有不平順、豎向和橫向剛度變化大等特點，當列車通過時會承受較大的沖擊，往往成為軌道的薄弱環(huán)節(jié)[1-2]。尖軌在疲勞載荷下可能誘發(fā)原始傷損、核傷或接觸疲勞裂紋擴展甚至斷軌，如未被及時發(fā)現(xiàn)，將嚴重危及列車安全。鐵路方面現(xiàn)行的軌道傷損檢測設備主要是大型軌檢車和便攜式軌檢車，其采用超聲技術對鋼軌進行裂紋等缺陷的探測。由于特殊結構限制，現(xiàn)有的超聲檢測設備存在軌底盲區(qū)，且尖軌的漸變截面特點與基本軌不同，使得儀器設備偏離探傷區(qū)域容易產(chǎn)生傷損漏檢。根據(jù)規(guī)定，尖軌定期探傷使用儀器探測與手工探測相結合的方式，只有軌頂寬度大于50 mm 的部分要求使用儀器[3]。目前針對尖軌通常采用手工方式進行檢測，即周期性的人工“看敲照”巡查[4]并配合便攜檢測設備，存在經(jīng)驗主導、時效性差和可靠性低等問題，因此，研究實時的尖軌斷裂監(jiān)測技術對保障道岔區(qū)安全意義重大。

本文為探究便捷可靠的尖軌斷裂監(jiān)測方法，仿真分析了尖軌在輪載和轉換動作下的力學特征，研究與尖軌斷裂密切相關的縱向應力和變形規(guī)律，并對比了尖軌各部位有無裂紋時的差異，提出了使用長尺寸裂紋擴展計進行尖軌隨機位置斷裂的監(jiān)測方案，最后通過仿真和試驗驗證了該方案的可行性。

1 尖軌的有限元仿真

1.1 尖軌輪載

使用Abaqus 軟件建立圖1所示的由車輪、6跨長度AT直尖軌和滑床板組成的輪載模型，均定義為線彈性材料，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3。設置一端固定模擬尖軌根端約束，設置非工作邊零位移模擬尖軌貼靠，在豎向建立滑床板與地的彈簧約束，剛度取100 kN/mm。模型整體設置為減縮積分單元（C3D8R），并在接觸區(qū)域細化網(wǎng)格，輪軌間設置有摩擦的硬接觸，參考軸重設定靜輪載大小為85 kN，以耦合方式通過車輪作用于尖軌，考察不同輪載位置下尖軌各部位縱向應力和變形，仿真結果如圖2和圖3所示。

圖1 尖軌輪載模型

圖2 滑床板上輪載的尖軌仿真

圖3 滑床板間輪載的尖軌仿真

尖軌輪載仿真結果表明：輪載位置差異的影響較小，在輪載作用點前后各一跨內(nèi)尖軌呈上壓下拉的應力狀態(tài)，且在輪載作用點附近應力峰更明顯，對應的軌頭和軌底縱向變形達到極值，但在數(shù)值最大的軌頭處僅約90 μm。輪載作用點前后各一跨之外的尖軌逐漸過渡為上拉下壓應力狀態(tài)，累積的縱向變形逐漸減小，而軌腰在全長范圍內(nèi)縱向應力和變形均趨于零值，因此，斷裂分析的重點應放在載荷作用點附近。

1.2 預制裂紋尖軌輪載

常見的尖軌斷裂起源有軌頭橫裂紋、軌頭核傷裂紋、軌腰橫裂紋、軌底角裂紋、軌底核傷裂紋，為此在Abaqus中向輪載模型中裝配基于擴展有限元的各類型裂紋，設置基于最大主應力的破壞準則和基于位移的損傷演化，以尖軌材料抗拉強度880 MPa 作為最大主應力賦予斷裂參數(shù)，提交并完成分析。

圖4 輪載下預制裂紋尖軌軌底角的力學特征

圖5 輪載下預制裂紋尖軌軌底中心的力學特征

由于區(qū)域壓應力或低應力的影響，軌頭或軌腰處預制裂紋的尖軌與健康尖軌在各考察部位力學特征基本一致（故未重復列出），而根據(jù)圖4 和圖5 所示的仿真結果，在輪載下預制了軌底角裂紋或軌底核傷裂紋的尖軌軌底會出現(xiàn)局部的應力釋放和縱向變形不連續(xù)，但整體應力水平和縱向變形與健康尖軌基本一致，其他位置預制裂紋不影響尖軌軌底整體應力和變形。

1.3 尖軌轉換

使用Abaqus軟件建立18號直尖軌模型，斷裂參數(shù)與預制裂紋尖軌輪載仿真相同，在尖軌根端施加固定約束，在3個牽引點位置作用斥離轉換位移，重點考察軌底角有無預制裂紋時尖軌全長的縱向應力和變形，結果如圖6所示。

圖6 尖軌轉換動作仿真

仿真結果表明，尖軌斥離動作下非工作邊受拉應力而工作邊受壓應力，但尖軌全長范圍內(nèi)引起的兩側軌底角縱向應力水平較低，最大值僅約20 MPa，全長范圍的尖軌軌底角縱向變形量十分微小，僅約1.5 mm。當在尖軌第3 牽引點附近非工作邊軌底角預制一定深度的橫向裂紋時，僅在拉應力側裂紋處出現(xiàn)局部應力釋放，而整體縱向應力和變形與健康尖軌轉換動作下仿真結果一致。

綜合輪載和轉換分析，與尖軌斷裂密切相關的橫向裂紋并不影響尖軌整體應力和變形，僅當裂紋處于拉應力時才出現(xiàn)局部的應力釋放和縱向變形不連續(xù)?？紤]到斷裂位置的隨機性，尖軌整體縱向應力與變形不能作為斷裂監(jiān)測指標，但裂紋擴展演化可以作為斷裂傷損的重要識別特征。

2 裂紋擴展監(jiān)測仿真與試驗

裂紋擴展計是斷裂力學中常用于檢測裂紋擴展的傳感器，使用COMSOL 軟件建立裂紋擴展計模型模擬金屬柵斷裂過程得到圖7 所示的傳感信號，可清晰反映結構裂紋擴展過程。然而常規(guī)裂紋擴展計尺寸較小，主要用于已知裂紋位置或局部區(qū)域的裂紋擴展與斷裂試驗，考慮到尖軌斷裂位置在較大范圍內(nèi)的隨機性，本文提出使用長尺寸裂紋擴展計進行尖軌裂紋擴展監(jiān)測。為了討論該方案的可行性，對此進行建模仿真和試驗分析。

圖7 裂紋擴展計的傳感信號

2.1 模型建立

使用Abaqus 軟件建立圖8 所示的由待測結構、瞬干膠黏劑和裂紋擴展計的主要部分（即有機絕緣層、熱固膠粘層和敏感金屬層）組成的裂紋擴展監(jiān)測模型。在待測結構中部側邊預制裂紋，按照表1 為模型各層結構賦予材料屬性，將膠粘層設置為cohesive 單元并定義基于最大正應力的破壞準則，將其他層設置為3D應力單元并定義基于最大主應力的破壞準則，各層均定義基于位移的損傷演化規(guī)律，各層間施加綁定約束。

圖8 結構裂紋擴展監(jiān)測模型

表1 結構裂紋擴展監(jiān)測模型材料參數(shù)

2.2 應變傳遞

固定待測結構一端，另一端施加面載荷，仿真得到預制裂紋側各層應變?nèi)鐖D9 所示。結構裂紋監(jiān)測的應變傳遞仿真結果表明：靠近裂紋擴展計邊緣存在不足2 mm 應變過渡區(qū)，而其他區(qū)域各層應變一致。當待測結構出現(xiàn)裂紋傷損時，由于非邊緣區(qū)域應變的完全匹配，拉應力條件下裂縫的張開會導致裂紋擴展計各層在裂紋傷損位置形成明顯的應變峰，且越靠近待測結構層，應變峰值越高。

圖9 裂紋擴展監(jiān)測模型的應變傳遞

2.3 監(jiān)測仿真

為進一步探索結構裂紋擴展監(jiān)測的細節(jié)，對監(jiān)測仿真模型進行裂紋擴展分析，具體操作模擬3 點彎曲裂紋擴展，即定義待測結構兩端位移約束但保留轉動自由度，在預制裂紋的對側施加位移載荷直至裂紋擴展計金屬層出現(xiàn)一段的開裂。

圖10 裂紋擴展監(jiān)測仿真模型各層應力和傷損

裂紋擴展監(jiān)測仿真模型各層結果如圖10所示，位移載荷下待測結構預制裂紋的裂縫區(qū)域局部應力釋放而裂尖呈應力集中狀態(tài)，且裂紋隨位移載荷的增加持續(xù)擴展。結合裂紋擴展監(jiān)測仿真的應變傳遞特點，位移載荷下裂紋擴展計各層在待測結構裂紋處將產(chǎn)生明顯的應變峰，但由于彈性模量差異，膠粘層和絕緣層的應力水平較低，而敏感金屬層應力水平較高，當應力達到斷裂傷損閾值時敏感金屬層即出現(xiàn)裂紋，并隨待測結構裂紋的擴展而擴展。參考仿真結果和仿真模型網(wǎng)格密度可知，敏感金屬層比待測結構斷裂超前0.25～0.75 mm，與某型商業(yè)裂紋擴展計斷裂滯后（超前）小于或等于0.5 mm的指標基本相當；此外，根據(jù)圖中瞬干膠粘層剛度退化區(qū)域可知，裂紋擴展引起附近的瞬干膠層失效寬度僅2～3 mm，表明粘貼了裂紋擴展計的待測結構區(qū)域任意位置出現(xiàn)的裂紋均可反映到敏感金屬層，初步論證使用長尺寸裂紋擴展計進行長尖軌斷裂監(jiān)測的有效性。

2.4 監(jiān)測試驗

鑒于尖軌斷裂常源于疲勞載荷下的裂紋擴展，參考GB/T 6398-2017 從尖軌取得SEN B3 試件用于疲勞裂紋擴展試驗并監(jiān)測其演化過程。試件材料為U71Mn，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，裂紋擴展門檻值為2.2 MPa·m1/2，斷裂韌度為47 MPa·m1/2，以線切割方式沿試件橫向加工直通型缺口作為預制裂紋起點。設計制作長尺寸裂紋擴展計樣品，保持敏感柵垂直于裂紋線粘貼于標準試件預制裂紋起點附近。疲勞裂紋擴展試驗在圖11（a）所示的MTS Landmark 370.25 kN 液壓伺服疲勞測試系統(tǒng)上進行，軸向施加最大載荷為50 kN，載荷比R=0.1，試驗頻率f=10 Hz。裂紋擴展傳感信號通過Avago（Agilent）34401A六位半精密數(shù)字萬用表搭配測試軟件進行實時記錄，測試結果如圖11（b）所示。

圖11 疲勞裂紋擴展監(jiān)測試驗

疲勞裂紋擴展監(jiān)測試驗結果顯示：裂紋擴展計輸出的傳感信號隨疲勞載荷頻次增加呈階躍變化，該結果與COMSOL軟件仿真裂紋擴展計工作的傳感信號一致，表明設計制作的裂紋擴展計的金屬柵能夠隨試件疲勞裂紋擴展而逐根斷裂。此外，試件裂紋位置瞬干膠層破壞區(qū)域寬度約3 mm，其他區(qū)域仍粘貼可靠，與仿真結果一致。

3 結束語

本文針對當前尖軌斷裂傷損檢測手段的不足，運用有限元方法進行預制裂紋尖軌的輪載和轉換仿真，鑒于尖軌預制裂紋不影響整體應力和變形但存在裂縫應力釋放和裂尖應力集中的典型特征，提出使用長尺寸裂紋擴展計進行尖軌隨機位置斷裂監(jiān)測的方案，通過有限元仿真和試驗發(fā)現(xiàn)裂紋擴展計裂紋與結構裂紋同步性較好，裂紋區(qū)膠層失效區(qū)域較小，滿足尖軌斷裂監(jiān)測需要，驗證了所提方案的可行性。