李　中,郭瑞琴,武　帥

(同濟(jì)大學(xué)機械與能源工程學(xué)院,上海　201804)

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彈條偏轉(zhuǎn)和扣件松動對彈條扣壓力的影響

李中,郭瑞琴,武帥

(同濟(jì)大學(xué)機械與能源工程學(xué)院,上海201804)

摘要：為了研究螺栓松動、彈條偏轉(zhuǎn)對彈條扣壓力的影響,以應(yīng)用于高速鐵路的Vossloh300-1型扣件系統(tǒng)為研究對象,建立扣件系統(tǒng)完整有限元模型,通過扣壓力與彈條彈程曲線的實驗值和仿真值,驗證扣件系統(tǒng)有限元模型的有效性；在此基礎(chǔ)上建立不同損傷工況的螺栓松動、彈條偏轉(zhuǎn)的模型,重點研究彈條安裝過程中螺栓松動、彈條偏轉(zhuǎn)兩種工況對彈條扣壓力的影響。結(jié)果表明:螺栓松動、彈條偏轉(zhuǎn)會造成彈條扣壓力不足,同時加劇螺栓應(yīng)力波動。安裝過程中若出現(xiàn)這些失效工況,將嚴(yán)重影響扣件系統(tǒng)正常工作,研究結(jié)果為300-1型扣件系統(tǒng)彈條安裝及后續(xù)研究提供思路和參考。

關(guān)鍵詞：扣件系統(tǒng)；螺栓松動；彈條偏角；扣壓力

鐵路無砟軌道的彈性幾乎完全由鋼軌扣件系統(tǒng)提供，軌道的安裝軌距和高度同樣靠扣件系統(tǒng)來維持和調(diào)整，鋼軌扣件在軌道結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著極其重要的作用，是關(guān)系到軌道運營安全的一項重要部件[1]。然而，隨著列車的高速重載化，軌道結(jié)構(gòu)的軌下基礎(chǔ)將受到很大的沖擊和振動，容易導(dǎo)致扣件系統(tǒng)松脫或失效，影響行車安全。

我國現(xiàn)階段對鋼軌扣件缺陷的檢測[2-4]主要依賴視覺自動化檢測技術(shù)及人工巡檢相結(jié)合的方法，該方法僅能對扣件系統(tǒng)缺失和彈條斷裂等明顯缺損進(jìn)行識別，對僅有扣件松動、彈條移位等微弱失效將無法識別，更無法確定其扣件系統(tǒng)的失效帶來的安全隱患，彈條異常示意見圖1。

圖1　彈條異常

杜茂金[5]從曲線段軌道振動、彈條設(shè)計及安裝、軌道不平順等方面尋找彈條折斷的原因，認(rèn)為扣件彈條折斷的主要原因為小半徑曲線地段鋼軌波磨、扣件質(zhì)量不合格與扣件安裝流程不合理。余自若，袁媛等[6，7]對X2型彈條在不同扣壓力作用下的靜力和疲勞性能進(jìn)行了研究，為X2型彈條扣壓力的優(yōu)化設(shè)計提供參考，并重點研究了疲勞荷載作用下彈條的疲勞壽命及疲勞破壞危險點的位置。王文秀等[8]利用實際使用過程中開裂的SKL 15型彈條，對裂紋及斷口進(jìn)行宏、微觀觀察，硬度測試，金相檢驗，化學(xué)成分分析，認(rèn)為彈條開裂的主要原因是在交變應(yīng)力下產(chǎn)生局部應(yīng)力集中和表面狀態(tài)不良。朱勝陽，姜子清等[9，10]通過現(xiàn)場測試及動力學(xué)仿真的手段，研究了高速鐵路鋼軌波磨時彈條在安裝過程中的受力及列車動荷載作用下的振動特性，并給出高速鐵路鋼軌波磨整治的深度限值。田春香[11]等從鋼軌動彎應(yīng)力、軌道剛度、鋼軌位移及軌道動力學(xué)等方面探討了高速鐵路扣件間距的合理取值并給出取值建議。齊少軒[12]等利用有限元法，分析彈性模量對扣壓力的影響以及列車橫向力、列車荷載作用下的垂向振動、壓緊位移對彈條內(nèi)部應(yīng)力分布的影響。

本文以現(xiàn)行高鐵中廣泛使用的福斯羅300-1型扣件系統(tǒng)為研究對象，對扣件系統(tǒng)的安裝過程進(jìn)行深入研究，考慮到安裝過程中可能出現(xiàn)螺栓松動和彈條偏轉(zhuǎn)工況，并對這些失效工況建立其不同損傷程度的扣件系統(tǒng)荷載分析模型，依據(jù)有限元分析和實驗值驗證模型的準(zhǔn)確性，揭示了在螺栓松動、彈條偏轉(zhuǎn)兩種工況下，彈條扣壓力、彈條應(yīng)力和螺栓應(yīng)力在彈條安裝過程中的演化規(guī)律，為300-1型扣件系統(tǒng)彈條安裝及后續(xù)研究提供參考。

1扣件系統(tǒng)工作機理

鋼軌扣件是聯(lián)結(jié)鋼軌與軌枕的中間構(gòu)件，軌道在列車運行過程會出現(xiàn)軌距、方向、高低等幾何形位的改變，這些問題一般只能通過扣件系統(tǒng)來調(diào)整。

Vossloh300-1型扣件系統(tǒng)由Ss36軌枕螺栓、SKL15型彈條、IS15絕緣墊片、Wfp軌距擋板、Zw軌下墊板、Grp鐵墊板、Zwp彈性墊板、Sdu絕緣套管等組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。當(dāng)安裝300-1型扣件時，使用配套的套筒扳手(管鉗)扭緊軌枕螺栓，當(dāng)扭緊力矩達(dá)到250 N·m左右時到達(dá)安裝位置[13]，通過壓緊彈條使其發(fā)生形變，從而彈條施加給鋼軌一個初始的扣壓力，這個扣壓力可以保證鋼軌在列車荷載作用下穩(wěn)定工作，并防止鋼軌相對于軌下墊層縱向爬行，彈條和軌下墊層還具有緩沖輪載沖擊力以及抵抗鋼軌橫向及縱向變形的能力，對保證軌道穩(wěn)定性、可靠性起著重要作用?？奂到y(tǒng)組成見圖2。

圖2　扣件系統(tǒng)組成

2建立扣件系統(tǒng)分析模型

2.1　建立扣件系統(tǒng)模型

為了得到扣件系統(tǒng)中螺栓、彈條、墊板等工作時的內(nèi)力及變形信息，利用三維建模軟件Pro/E和有限元軟件ANSYS workbench建立了包含螺栓、彈條、絕緣墊片、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、彈性墊板、絕緣套管在內(nèi)的完整的扣件系統(tǒng)模型。在該分析模型中，為了減小模型計算量，對模型適當(dāng)簡化。

(1)鑒于系統(tǒng)的對稱性，取系統(tǒng)的一半進(jìn)行研究，中間平面加symmetry對稱約束。

(2)為了避免出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，去除扣件系統(tǒng)各元件的圓角及倒角特征。

(3)對螺栓、軌距擋塊及絕緣墊片進(jìn)行簡化，去除對其力學(xué)性能影響較小的局部特征。

扣件系統(tǒng)的計算模型如圖3所示。

圖3　Vossloh300-1型扣件系統(tǒng)計算模型

2.2　材料屬性設(shè)置

扣件各部分所用材料根據(jù)其實際情況進(jìn)行設(shè)置，具體參數(shù)如表1所示。

表1　扣件系統(tǒng)各元件材料屬性

2.3　接觸設(shè)置

目前，在解決接觸問題時主要會遇到的難題有兩個，一是模型中各元件接觸的真實位置難以確定，二是需要考慮相互之間摩擦的影響[14]。300-1型扣件系統(tǒng)實際工況復(fù)雜，各元件之間的接觸類型包括點接觸、線接觸和面接觸3類，其中彈條的接觸工況最為復(fù)雜，彈條同時與軌枕螺栓、絕緣墊片和鐵墊板均有接觸作用。在實際工作中，隨著扣壓力和輪軌力的變化，彈條與軌枕螺栓、絕緣墊片、鐵墊板之間的接觸類型從點接觸轉(zhuǎn)化為線接觸，并伴隨劇烈的內(nèi)力作用。

為了保證有足夠的接觸面，將彈條與其相接觸元件間均采用摩擦接觸；其他接觸元件僅存在靜摩擦力且無間隙，同時為了節(jié)約計算資源、提高模型收斂性，其接觸形式均采用一次迭代不允許切向位移的綁定接觸類型。各部分接觸參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　系統(tǒng)接觸對設(shè)置表

為了更加真實地模擬彈條的接觸狀態(tài)，共定義了3個摩擦接觸對，如圖4所示。

圖4　接觸對設(shè)置

2.4　其他約束條件設(shè)置

約束軌枕底面的3個方向(x，y，z)的全部位移；約束螺栓2個水平方向(x，y)的位移；為了避免由于彈條滑動而引起的計算結(jié)果不收斂，同時盡量與實際情況相接近，約束彈條前端中圈y軸方向位移[6]，如圖5所示。

圖5　彈條與螺栓約束設(shè)置

3驗證扣件系統(tǒng)模型的有效性

為了得到正確的結(jié)論，在進(jìn)行結(jié)果分析及預(yù)測時，必須保證仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映實際扣件系統(tǒng)特性，因而模型的有效性分析對于扣件系統(tǒng)響應(yīng)分析具有重大的實際意義。

3.1　驗證模型的有效性

在扣件系統(tǒng)荷載分析模型的基礎(chǔ)上，施加一定螺栓預(yù)緊力，以模擬螺栓預(yù)緊過程。采用在螺栓頭部施加均布荷載以替代螺栓預(yù)緊力，如圖6所示。

圖6　螺栓預(yù)緊力施加方式

由于螺栓頭部直徑d=50 mm，假設(shè)螺栓預(yù)緊力為F，螺栓預(yù)緊力與螺栓上表面均布載荷的對應(yīng)關(guān)系可通過公式P=4F/πd2計算得到。螺栓頂面壓力換算如表3所示。

表3　螺栓預(yù)緊力與螺栓上表面壓強關(guān)系

設(shè)置螺栓頭部載荷從0增至12 MPa，用以模擬預(yù)緊螺栓的過程，螺栓荷載施加情況如圖7所示；同時對扣件系統(tǒng)接觸部分網(wǎng)格局部細(xì)化，共劃分143 199個單元，257 016個節(jié)點進(jìn)行計算。

圖7　螺栓荷載施加

螺栓壓緊彈條過程中，取SKL彈條扣壓力與彈程變形曲線的仿真值和實驗值進(jìn)行對比，考慮到彈條彈程數(shù)值上等于螺栓豎直方向的壓縮量，故彈條彈程取螺栓豎直方向的位移，扣壓力取鋼軌對彈條豎直方向上的支反力。其中圖8(a)為SKL彈條扣壓力與彈程變形實驗曲線[3]，圖8(b)為相應(yīng)仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的對比。

圖8　SKLl5彈條扣壓力與彈條變形曲線

由圖8(a)可知，彈條變形曲線可分為兩個階段，第一階段扣壓力在0～10 kN，當(dāng)扣壓力大于10 kN時曲線出現(xiàn)拐點，彈條變形進(jìn)入第二階段。

圖8(b)對彈條變形進(jìn)行了仿真，螺栓擰緊位移與扣壓力近似成正比，與實驗曲線相符?？紤]到設(shè)計[3]要求扣壓力≥9 kN，彈程≥15 mm，取滿足要求的一組設(shè)計參數(shù)扣壓力9 kN，彈程15 mm，仿真數(shù)據(jù)的扣壓力9 kN，彈程15.71 mm，相對誤差為4.73%，表明該扣件系統(tǒng)模型在一定誤差范圍內(nèi)能夠真實地反映模型的變形及內(nèi)力情況，該模型可以認(rèn)為是有效的。

3.2　彈條標(biāo)準(zhǔn)安裝時的扣件系統(tǒng)受力情況

彈條標(biāo)準(zhǔn)安裝時，扣件系統(tǒng)、螺栓和彈條在螺栓預(yù)緊過程中的受力情況如圖9所示，圖9(a)為扣件系統(tǒng)的von-Mises應(yīng)力云圖，圖9(b)為扣件系統(tǒng)位移云圖。

圖9　扣件系統(tǒng)應(yīng)力及變形

圖10　彈條在螺栓預(yù)緊過程中的應(yīng)力情況

圖11　螺栓在螺栓預(yù)緊過程中的應(yīng)力情況

圖10和圖11為彈條和螺栓在螺栓預(yù)緊過程中的應(yīng)力情況。其中彈條應(yīng)力變化隨螺栓擰緊壓力正相關(guān)，當(dāng)螺栓頭部壓強達(dá)到9.36 MPa后彈條壓緊，應(yīng)力變化曲線趨于平緩，彈條應(yīng)力最大處為危險區(qū)域，也是裂紋最初萌生的地方，與實際情況相符合。

圖11中螺栓應(yīng)力隨螺栓擰緊力增大而伴隨劇烈震蕩，主要原因是螺栓與彈條接觸不穩(wěn)定造成，在彈條達(dá)到安裝位置后，應(yīng)力變化值減少并趨于穩(wěn)定，該過程經(jīng)歷了不穩(wěn)定接觸到穩(wěn)定接觸的變化。

4扣件系統(tǒng)失效工況下的扣壓力研究

在扣件系統(tǒng)失效機理研究中，對扣件系統(tǒng)缺失、彈條斷裂等明顯缺損研究較多，而扣件松動、彈條偏轉(zhuǎn)等微弱失效工況研究甚少?？奂到y(tǒng)安裝時，由于人為或安裝工具操作不當(dāng)?shù)纫蛩?，可能會?dǎo)致扣件系統(tǒng)安裝時出現(xiàn)螺栓未達(dá)到安裝位置、彈條轉(zhuǎn)角等問題，進(jìn)而產(chǎn)生一定的安全隱患。而彈條扣壓力是保證軌道位置和姿態(tài)的關(guān)鍵因素，通過分析相應(yīng)的微弱失效模型，可研究得到不同失效程度的微弱失效工況對彈條扣壓力的影響。

4.1　建立扣件系統(tǒng)微弱失效工況模型4.1.1　建立扣件松動模型

扣件松動的直接原因是彈條松動、扣壓力不足，出現(xiàn)該情況一方面是由于螺栓在初始安裝或列車運行過程中螺栓預(yù)緊力不足，導(dǎo)致彈條和螺栓松動，使得扣壓力減小；另一方面由于螺栓和軌枕上的絕緣套管安裝時軸線未共線導(dǎo)致兩者軸線在一定程度的偏移或偏角，即使螺栓按照要求擰緊，仍然不能到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)安裝位置，此時扣壓力也可能不足。歸根結(jié)底扣件松動是螺栓由于預(yù)緊力不足或安裝位移未達(dá)到要求引起，本文扣壓力不足通過螺栓預(yù)緊力不足表示，表現(xiàn)為螺栓擰緊位移不能在規(guī)定的時間內(nèi)到達(dá)預(yù)定安裝位置，扣件松動模型與標(biāo)準(zhǔn)安裝模型一致，通過減少螺栓頭部壓強值得到扣件松動模型。

4.1.2建立彈條偏轉(zhuǎn)模型

假設(shè)螺栓與安裝于軌枕上的絕緣套管同心，故在彈條偏移的過程中，在螺栓未被剪斷的前提下，螺栓不會發(fā)生偏移且相對軌枕的位置固定。

在實際工況中彈條偏轉(zhuǎn)主要表現(xiàn)為彈條相對于螺栓軸心發(fā)生一定的轉(zhuǎn)角，偏轉(zhuǎn)形式如圖12所示。建立彈條偏轉(zhuǎn)模型時，彈條和絕緣墊片的接觸關(guān)系保持不變，彈條相對于螺栓桿軸心O順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)一定的角度，考慮到模型具有對稱性，順時針和逆時針的均可，這里取順時針方向，圖12中直線mn與x軸的所夾銳角為彈條偏角。

圖12　彈條偏角模型

為了探究不同彈條偏角對扣件系統(tǒng)彈條應(yīng)力、螺栓應(yīng)力及扣壓力的影響，建立彈條偏角為0°、3°、6°、9°、12°的扣件系統(tǒng)傷損模型。

4.2　扣件系統(tǒng)失效工況對彈條扣壓力的影響

4.2.1扣件松動對彈條扣壓力的影響

圖13　彈條位移、扣壓力和螺栓頭部壓強關(guān)系曲線

扣壓力不足可以通過改變螺栓頭部壓強的方式等效替代，由于扣壓力、彈條彈程均為螺栓預(yù)緊力作用的結(jié)果，為了簡明表達(dá)出螺栓預(yù)緊力、扣壓力及彈條彈程三者之間的關(guān)系，建立螺栓預(yù)緊力、扣壓力和彈條變形的曲線，如圖13所示。其中當(dāng)扣壓力為9 kN，彈程為15.71 mm，螺栓頭部壓強為9.36 MPa時，彈條達(dá)到預(yù)定安裝位置，扣件系統(tǒng)完成安裝；在彈條未達(dá)到預(yù)定安裝位置時，彈條彈程、扣壓力與螺栓頭部壓強近似呈線性關(guān)系；在彈條達(dá)到預(yù)定安裝位置后，彈條彈程、扣壓力增大趨勢明顯減少，彈條變形進(jìn)入第二階段[3]。

圖14螺栓及彈條應(yīng)力與扣壓力的關(guān)系反映出不同扣壓力下的螺栓應(yīng)力、彈條應(yīng)力的演變規(guī)律。預(yù)緊過程中，扣壓力與彈條應(yīng)力近似成正比，而螺栓在預(yù)緊過程應(yīng)力先增加后減少，且螺栓應(yīng)力值波動較大，接觸很不穩(wěn)定。

圖14　螺栓應(yīng)力、彈條應(yīng)力與扣壓力關(guān)系曲線

4.2.2彈條偏轉(zhuǎn)對彈條扣壓力的影響

不同彈條偏轉(zhuǎn)角度對扣壓力的影響如圖15所示，彈條偏角會影響彈條扣壓力的大小，降低扣壓力的值，導(dǎo)致彈條在一定程度上有所放松，影響扣件系統(tǒng)的正常使用。

圖15　彈條偏轉(zhuǎn)對扣壓力的影響

同時彈條偏轉(zhuǎn)會增大螺栓的應(yīng)力，且應(yīng)力伴隨劇烈波動，這是因為彈條偏轉(zhuǎn)后扣點兩側(cè)不在同一水平線上，存在一高一低，使彈條扣壓力減小，而扣壓力的減小導(dǎo)致螺栓未達(dá)到完全接觸狀態(tài)，造成接觸的不穩(wěn)定，螺栓受力不均勻。彈條偏轉(zhuǎn)對螺栓應(yīng)力的影響見圖16。

圖16　彈條偏轉(zhuǎn)對螺栓應(yīng)力的影響

5結(jié)論

以現(xiàn)行高鐵中廣泛使用的Vossloh300-1型扣件系統(tǒng)為研究對象，對扣件系統(tǒng)的安裝過程中可能出現(xiàn)彈條扣壓力不足、彈條偏轉(zhuǎn)兩種工況進(jìn)行深入研究，建立不同損傷工況的扣件系統(tǒng)荷載分析模型，揭示了彈條扣壓力隨扣件松動、彈條偏轉(zhuǎn)的變化規(guī)律，為300-1型扣件系統(tǒng)彈條安裝及后續(xù)研究提供了參考。論文主要結(jié)論如下。

(1)建立了扣件系統(tǒng)完整的有限元模型，通過對比SKL15彈條彈程與扣壓力關(guān)系曲線的實驗值和仿真值，驗證了該模型的有效性。

(2)彈條偏轉(zhuǎn)和螺栓松動均會減少彈條扣壓力，進(jìn)而造成扣件系統(tǒng)彈條未處于壓緊狀態(tài)，不利于扣件系統(tǒng)的長期服役。

(3)彈條扣壓力不足容易造成螺栓受力不均勻而局部應(yīng)力變大，同時伴隨劇烈波動。

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Effects of Elastic Strip Deflection and Fastening Looseness on Toe Load of Elastic StripLI Zhong, GUO Rui-qin, WU Shuai

(College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：To research the effects of elastic strip deflection and fastening looseness on toe load of elastic strip, the finite element model of fastening system is established based on Vossloh300-1 fastening system to verify the effectiveness of the model with the experimented and simulated toe load. Besides, models for different failure degree are established in terms of bolt looseness and elastic deflection and their effects on the toe load during installation are addressed. The research results show that elastic strip deflection and fastening looseness reduce the toe load of fastening and increase the fluctuation of bolt stress. The occurrence of such failures would seriously affect the normal operating condition of the fastening system. The research results may provide some advices and references for the installation of Vossloh300-1 fastening system and follow-up researches.

Key words：Fastening system; Bolt looseness; Elastic strip deflection; Toe load of fastening

中圖分類號：U213.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.010

文章編號：1004-2954(2016)02-0047-06

作者簡介：李中(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：3025zhongli@#edu.cn。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51178464)

收稿日期：2015-06-24； 修回日期：2015-07-13