郎福权
晋亿实业股份有限公司 浙江省 嘉兴市 314100
摘要：扣件作为钢轨与轨下结构连接的纽带，其作用十分重要。高速铁路无砟轨道扣件多依靠弹条将钢轨扣压于轨道板或道床板。线路运营过程中，列车通过会对扣件弹条造成疲劳损伤，损伤积累到一定程度则会引起扣件弹条折断。弹条疲劳损伤的大小受列车轴重、行车速度、轨道不平顺、扣件预压力和弹条材料强度等因素影响[1]，而且这些影响因素都具有较强的随机性，这使得扣件弹条的疲劳损伤也具有较强的随机性。对弹条疲劳损伤的随机性展开研究有助于工务部门制定扣件系统养护维修计划，其意义十分重大。鉴于此，本文对高速铁路无砟轨道扣件弹条断裂原因进行分析，以供参考。
关键词：高速铁路；无砟轨道；扣件弹条；疲劳损伤；概率分布
引言
1)达到24kN预应力应力时，紧固件就位，即使没有施加其他载荷，弹簧内部已经存在相当大的应力值，超过材料的屈服强度1600MPa，最大应力显示在弹簧背面。2)曲线段会因曲线轨迹的横向应力而在相反方向发生变化。减小半径和增加速度都会增加弹簧的内部应力值，最大应力在末端为1634MPa，而减小冲击面可能导致裂纹。
1扣件弹条疲劳损伤计算方法
为了对高速铁路无砟轨道扣件弹条疲劳损伤进行计算和统计分析，采用如图1所示的分析方法。首先，建立车辆-轨道耦合系统动力学模型，用于计算轨道高低随机不平顺机理下钢轨与道床板间的相对位移；其次，结合扣件弹条危险区域应力大小与上述相对位移之间的关系：162.8MPa/mm，求出扣件弹条的应力变化时程曲线；最后，采用雨流计数法，得出弹条应力循环幅值与均值，并进行疲劳损伤计算与统计分析。
由于扣件弹条是在螺栓预压力下工作的，其内部存在较大的初始应力。为了得到扣件弹条在螺栓预压力下的初始应力，建立WJ-8型扣件系统精细化模型，如图2所示。约束铁垫板支座与绝缘垫块底部节点自由度，并在螺栓垫片顶部节点施加垂直向下的压力以模拟扣件安装时螺栓预压力，得到螺栓预压力下扣件弹条的应力云图如图3所示，由图3可知，弹条中肢与弹条旁肢体圆弧连接处应力较大，该位置弹条处于弯矩、扭矩和剪力作用下的复杂受力状态，弹条断裂也多发生在此处，该位置为扣件弹条的危险区域，该处弹条最大Von-Mises应力为1580MPa。
2计算工况与疲劳计算方式
2.1计算工况与荷载拟定
当速度提高时，会出现车轮磨损问题，其中车轮磨损是高速列车运行中的典型断裂之一。车轮的多边形磨损会增加车轮之间的冲击载荷，增加车轮的振动，并增加弹簧的损伤风险。车轮的多边形磨损如图4所示，在第一阶段具有较高的压降。
本文将三种计算方案转化为如下因素:b .指定车轮的多边形闭合、曲线轮廓和速度。
1)例1:在不影响车轮(即正常状态下)的情况下，列车的垂直载荷是一个正弦函数，包含振幅值Pi和频率①，f(t)= P0+pishe①it模拟列车的振动特性，静态车轮P0设置为63kN，并考虑了速度变化的相应加载时间(在负载循环中)的历史曲线，如图5所示。
图4车轮多边形磨耗示意图
图5工况1加载时间历程
2)案例2:当列车通过弯曲轨道时，轨道将水平和垂直移动，轨道将横向移动，弹簧应力将变得更大。根据文本中的研究，计算得出的曲线半径r对应于横向力h的数据，如表1所示。对于特定载荷设置，在图5模式下，滑动条的垂直力将应用于轨道顶部。轨道的横向力以表1中的数据为基础，垂直于轨道应用于轨道的一侧。
表1:曲线轨迹的横向力数据
2.2疲劳寿命计算方式
操作过程中的紧固夹通常不会因较高的载荷而断裂，而是由于拉杆的长期和频繁载荷导致材料寿命的缩短。此外，要研究固定夹断裂的原因，必须分析拉伸应力下弹簧插头的疲劳强度。首先，必须确定材料的疲劳载荷值与疲劳强度之间的关系(即。S-N曲线)。60Si2Mn弹簧材料的S-N曲线按60Si2 Mn弹簧材料的特性和强度极限描述如下:
式中：N为疲劳寿命，次；σ?1为循环应力幅值，σ?1=(σmax?σmin)/2，其中，σmax和σmin分别为最大、最小应力值，MPa。
3某型扣件SKL15弹条仿真分析
3.1有限元模型约束设置
为了使仿真结果更加真实，模型采用非线性接触理论处理零件系统的边界条件。模型中的轨道被视为解析刚体，弹簧的其他接触区域根据实际几何尺寸定义彼此之间的适当接触关系。正常接触使用ABAQUS软件中的“硬”接触，即两个对象之间的正常接触不能穿透或穿透，接触区域的法向接触只能施加压力。切向接触使用Coons摩擦模型，并引入了一个静摩擦公式，该公式允许“弹性滑动”来处理连接和滑动两种状态之间的不连续性，从而可能导致收敛问题。
3.2自由状态模态分析
为了解决弹簧自由状态下的固有模式形状，模型中未设置弹簧接触或约束。弹簧固有频率[13]在2000Hz范围内，如图6(a)-图6(d)所示，显示了前4层模式形状。图表的连续部分代表原始状态，着色部分是可变的，并且在440Hz频率下，球侧面肢体处存在扭转形状，最大拉伸发生在球部分。这是弹簧在栏位中出现的位置。因此，光谱条在此频率下的长运动可能导致弹簧疲劳。具体模式形式见下文表2。
3.3不同扭矩下弹条性能参数分析
分析了不同装配力矩下装配球参数的性能。按照标准要求固定紧固系统，调整各种螺钉扭矩，以保持弹簧在正常状态下的平均环形位移、螺钉预紧力和固定夹压力，如表3和图7所示。根据交货条件，这些润滑剂的扭矩通常为250n-m，压力载荷为9kN时，升力为13.4mm。
图7扣压力结果图
表3组装状态下扣件性能参数表
4不同通过轴重下弹条折断概率分析
计算中列车轴重为17t，4车编组的通轴重为272t，假定前后经过的列车造成的扣件弹条损伤互不影响，根据中心极限定理，大量列车经过造成疲劳损伤的标准化变量近似服从标准正态分布。由此得到不同通过轴重下弹条的折断概率如图8所示。
图8不同通过轴重下扣件弹条折断概率
由图8可以看出，累计通过轴重1100Mt以下，扣件弹条折断概率很小，当累计通过轴重大于1106Mt时，随着通过轴重的增加，扣件弹条的折断概率大幅增加。因此，高速铁路WJ-8型扣件弹条在累计通过轴重1100Mt以下具有极高的可靠性，建议累计通过1100Mt前将扣件弹条全部更换。
结束语
高速铁路无碴轨道扣件系统是轨道结构的重要组成部分。作为扣件系统的重要组成部分，弹性带起到固定钢轨、保持轨距和吸收钢轨冲击的作用。扣件系统的稳定性直接影响高速列车运行的安全性和舒适性。一旦弹条失效，轮轨间的相互作用力将大大增强，缩短紧固件的使用寿命，甚至导致列车脱轨。因此，研究弹性带的性能参数和频率响应，分析动静态参数之间的相关性，对扣件系统的设计具有一定的理论指导意义。
参考文献
[1]向俊,袁铖,余翠英,林士财,杨海明.高速铁路无砟轨道扣件弹条断裂原因分析[J].铁道科学与工程学报,2019,16(07):1605-1613.
[2]施何瑛,王安斌,高晓刚.高速铁路扣件弹条性能分析及频响特性研究[J].噪声与振动控制,2019,39(01):156-159.
[3]高晓刚,王安斌,肖俊恒,闫子权,施何英.高速铁路扣件弹条伤损研究及结构优化分析[J].噪声与振动控制,2019,38(06):190-193.
[4]李学瑜.高速铁路扣件弹条裂缝检测算法研究[D].华中师范大学,2019.
[5]刘铁旭.高速铁路无砟轨道无挡肩扣件弹条疲劳与断裂研究[D].北京交通大学,2019.
[6]朱胜阳.高速铁路无砟轨道结构伤损行为及其对动态性能的影响[D].西南交通大学,2019.