李永娟，王賀鄭，苗同臣

(鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450001)

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道張拉鎖件疲勞性能研究

李永娟，王賀鄭，苗同臣

(鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450001)

利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)無(wú)砟軌道相鄰軌道板間的縱向連接件——張拉鎖件進(jìn)行虛擬疲勞仿真分析，在較短的時(shí)間內(nèi)獲得了該零件的預(yù)測(cè)疲勞壽命。同時(shí)通過(guò)大量疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)張拉鎖試件疲勞合格率不高，近半數(shù)達(dá)不到200萬(wàn)次疲勞循環(huán)次數(shù)的要求，應(yīng)引起重視。

張拉鎖件 數(shù)值計(jì)算 疲勞分析 疲勞試驗(yàn)

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道相鄰軌道板間的縱向連接件，有張拉鎖、螺母、鋼墊圈及絕緣墊片，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它不僅能方便地調(diào)節(jié)軌道板間的張拉力，而且具有良好的連接絕緣性能，廣泛應(yīng)用于高速鐵路無(wú)砟軌道的鋪設(shè)中。因此，張拉鎖件力學(xué)性能的好壞、質(zhì)量是否過(guò)關(guān)，對(duì)無(wú)砟軌道質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。

圖1 張拉鎖件結(jié)構(gòu)示意

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，近幾年關(guān)于各種無(wú)砟軌道技術(shù)和施工等方面的研究也在國(guó)內(nèi)外特別是我國(guó)普遍展開(kāi)，主要集中在各種無(wú)砟軌道的技術(shù)改進(jìn)和設(shè)計(jì)要求［1-2］及軌道板力學(xué)性能方面［3-5］，而專門(mén)針對(duì)張拉鎖件力學(xué)性能方面的研究目前還很少。就目前查閱的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)無(wú)砟軌道張拉鎖件的研究只有文獻(xiàn)［6］，該文獻(xiàn)用試驗(yàn)的方法測(cè)試張拉鎖件的疲勞性能和絕緣性能。試驗(yàn)結(jié)果得出張拉鎖件的疲勞性能通過(guò)率并不高，這個(gè)用在高速鐵路上的重要部件存在極大的安全隱患，是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)此，本文借助ANSYS有限元軟件對(duì)張拉鎖進(jìn)行疲勞仿真分析，并通過(guò)大量試驗(yàn)檢測(cè)了張拉鎖件的疲勞性能，得出了一些有理論研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)論。

圖2 張拉鎖結(jié)構(gòu)尺寸示意(單位:mm)

1 基于ANSYS的張拉鎖疲勞分析

1.1 張拉鎖結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2為張拉鎖的結(jié)構(gòu)尺寸示意。材料采用QT500-7球墨鑄鐵，材料參數(shù):抗拉強(qiáng)度500 MPa，彈性模量162 GPa，密度7 000 kg/m3，泊松比0.293。其它性能指標(biāo)遵循標(biāo)準(zhǔn)［7］的規(guī)定。

1.2 有限元數(shù)值模型

由于張拉鎖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀不規(guī)則，在ANSYS建模過(guò)程中不可避免地需要進(jìn)行一些近似處理。選用Solid45單元對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，最終有限元模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為27 880個(gè)，單元數(shù)為129 246個(gè)。材料屬性選用各項(xiàng)同性的線彈性材料。圖3為張拉鎖的ANSYS計(jì)算模型。

圖3 張拉鎖的ANSYS計(jì)算模型

1.3 靜力分析

根據(jù)張拉鎖件工作的實(shí)際情況，通過(guò)簡(jiǎn)化，對(duì)張拉鎖放置絕緣墊片處一端施加位移約束，另一端施加拉力。對(duì)張拉鎖施加68 kN的拉力，在數(shù)值分析時(shí)，拉力換算成張拉鎖兩端的面荷載為31.55 MPa，得到張拉鎖的等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 等效應(yīng)力云圖(單位:MPa)

從圖4所示的應(yīng)力結(jié)果可以看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在張拉槽中間部位(10 575節(jié)點(diǎn))，該位置與試驗(yàn)中容易發(fā)生破壞的位置相符［8］。

1.4 疲勞分析

根據(jù)圖4所示的應(yīng)力分析結(jié)果，選取10 575節(jié)點(diǎn)作為疲勞分析對(duì)象，在34～68 kN(面荷載15.77～31.55 MPa)之間進(jìn)行疲勞循環(huán)200萬(wàn)次。在ANSYS軟件中，輸入材料的S－N特性曲線數(shù)據(jù)如表1所列，存儲(chǔ)一個(gè)事件的兩個(gè)載荷，進(jìn)行疲勞分析計(jì)算。

表1 疲勞曲線參數(shù)

計(jì)算結(jié)果表明，許用循環(huán)次數(shù)僅為46 460次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足200萬(wàn)次的使用要求。這與試驗(yàn)結(jié)果張拉鎖的疲勞通過(guò)率不高相一致。由于數(shù)值計(jì)算不能準(zhǔn)確地模擬張拉鎖實(shí)際工況下的受力，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差很大。

2 疲勞實(shí)驗(yàn)

參考標(biāo)準(zhǔn)［7］的軸向疲勞試驗(yàn)要求，在34～68 kN之間進(jìn)行疲勞循環(huán)200萬(wàn)次試驗(yàn)。

當(dāng)張拉鎖材料、試件組裝、加載方式等都無(wú)任何問(wèn)題時(shí)，大部分達(dá)不到疲勞循環(huán)次數(shù)的張拉鎖試件的斷裂位置發(fā)生在張拉槽中間部位，如圖5(a)。也有個(gè)別張拉鎖試件的斷裂發(fā)生在如圖5(b)所示的位置，這種情況一般是張拉鎖材料不合格、不均勻或組裝加載等問(wèn)題造成。

圖5 疲勞試驗(yàn)的破壞位置

表2統(tǒng)計(jì)出了10個(gè)不同廠家不同批次的94個(gè)張拉鎖試件的疲勞循環(huán)次數(shù)。結(jié)果表明:只有51.1%的張拉鎖滿足疲勞試驗(yàn)要求，其余試件的疲勞次數(shù)多在150萬(wàn)次左右，最少的為22萬(wàn)次，平均疲勞循環(huán)次數(shù)為148.7萬(wàn)次。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，不合格的張拉鎖試件多出現(xiàn)在相同的廠家，這與他們的生產(chǎn)技術(shù)、工藝、選材等有直接的關(guān)系。

另外，有約10%左右的不合格張拉鎖試件在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)鋼墊圈斷裂或變形的情況，這時(shí)需要更換合格的鋼墊圈重新試驗(yàn)。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工不但要選用合格的張拉鎖，還必須選用合格的鋼墊圈，因?yàn)殇搲|圈的好壞直接影響到張拉鎖的受力方式，進(jìn)而影響到張拉鎖的疲勞壽命。

表2 疲勞循環(huán)次數(shù)

3 結(jié)論

1)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)張拉鎖材料、組裝、加載載荷均無(wú)任何問(wèn)題時(shí)，疲勞斷裂多發(fā)生在張拉槽中間部位。當(dāng)張拉鎖材料、組裝尤其是加載載荷出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，張拉槽與張拉筋均可能發(fā)生斷裂。

2)目前所用張拉鎖的疲勞壽命有相當(dāng)一部分不能滿足規(guī)范要求，嚴(yán)重威脅高鐵的安全，值得注意。

3)現(xiàn)場(chǎng)施工不但要選用合格的張拉鎖，還必須選用合格的鋼墊圈，以保證張拉鎖組件整體的疲勞壽命。

［1］胡根友．CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道施工質(zhì)量通病和應(yīng)對(duì)措施探討［J］．鐵道建筑，2013(2):97-99．

［2］王可用．高速鐵路CRTSⅡ型板無(wú)砟軌道底座板施工質(zhì)量控制技術(shù)［J］．鐵道建筑，2013(4):128-130．

［3］朱海城．嚴(yán)寒地區(qū)客運(yùn)專線CRTSⅠ型軌道板預(yù)制質(zhì)量控制［J］．鐵道建筑，2012(5):153-157．

［4］徐興鑫．預(yù)應(yīng)力鋼棒失效對(duì)CRTSⅠ型單元軌道板受力性能的影響［D］．成都:西南交通大學(xué)，2014．

［5］馬尚．高速列車(chē)—軌道系統(tǒng)振動(dòng)及軌道板疲勞壽命研究［D］．北京:北京交通大學(xué)，2013．

［6］高怡斐，劉濤，張善業(yè)，等．客運(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道張拉鎖件疲勞和絕緣性能測(cè)試［J］．冶金分析，2010，30(增):1339-1341．

［7］中華人民共和國(guó)鐵道部．科技基［2009］135號(hào)客運(yùn)專線鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道張拉鎖件暫行技術(shù)條件［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2009．

［8］李永娟，王賀鄭，苗同臣．CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道張拉鎖件靜態(tài)力學(xué)性能研究［J］．鐵道建筑，2014(8):99-101．

Research on fatigue performance of tensile locker for CRTSⅡslab-type ballastless track

LI Yongjuan，WANG Hezheng，MIAO Tongchen
(School of Mechanics＆Engineering Science，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001，China)

In this paper，the virtual fatigue simulation analysis of slack adjuster that is the longitudinal connecting piece between adjacent ballastless track slabs is conducted by ANSYS finite element analysis software，which could predict the fatigue life of the piece in a relatively short period of time．T hrough a lot of fatigue test，it is showed that the fatigue qualified rate of slack adjuster pieces is not high and almost half of pieces can't meet fatigue cycle demand which is 2 million times，which should be paid more attention．

Slack adjuster;Numerical calculation;Fatigue analysis;Fatigue test

U213．2+42

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．30

1003-1995(2015)03-0107-03

(責(zé)任審編趙其文)

2014-04-01;

2014-12-12

河南省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(122102210100);河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目指導(dǎo)計(jì)劃資助項(xiàng)目(12B580003)

李永娟(1984—)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生。