陳培哲(廣州地鐵集團(tuán)有限公司,510030,廣州∥助理工程師)

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60Si2Mn材質(zhì)彈條疲勞斷裂原因分析

陳培哲
(廣州地鐵集團(tuán)有限公司,510030,廣州∥助理工程師)

摘 要通過對城市軌道交通鋼軌扣件中60Si2Mn彈條在現(xiàn)場實際使用過程中發(fā)生斷裂現(xiàn)象的理論定性和有限元定量分析研究,確定了影響彈條斷裂的原因。通過研究60Si2Mn彈條在鋼軌扣件中的受力情況可知,其最大等效應(yīng)力集中點與彈條現(xiàn)場使用實際破壞點相吻合,這是彈條斷裂的主要原因之一,而彈條長期處于強(qiáng)度極限條件下工作,最終發(fā)生疲勞破壞,為彈條斷裂的根本原因。經(jīng)過現(xiàn)場對比試驗,提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施和60Si2Mn彈條在設(shè)計和維修養(yǎng)護(hù)過程中應(yīng)把控的關(guān)鍵點。

關(guān)鍵詞鋼軌扣件;60Si2Mn彈條;疲勞斷裂;有限元模型分析

Author’s address Guangzhou Metro Group Ltd.,510030, Guangzhou,China

60Si2Mn材質(zhì)彈條是目前國內(nèi)城市軌道交通線路鋼軌扣件中常用的彈條類型之一。其主要彈條型號有PR型、Ⅰ型和Ⅲ型彈條等。在軌道上彈條的作用是將鋼軌固定在軌枕或承軌臺上,以保持軌距和阻止鋼軌相對于軌枕的縱橫向移動。鋼軌扣件中的彈條在列車通過時受力狀態(tài)比較復(fù)雜,在實際工況下容易發(fā)生疲勞斷裂而影響軌道部件在正常運行條件下的安全性。所以,有必要對影響60Si2Mn材質(zhì)彈條斷裂的原因進(jìn)行分析,這對彈條的設(shè)計、選用和安裝具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義和參考價值。本文是基于某市城市軌道交通線路中的彈條斷裂問題,分析其發(fā)生的原因。

1　彈條斷裂定性分析

為全面掌握彈條斷裂的情況和分布規(guī)律,筆者對某城軌道交通線出現(xiàn)彈條斷裂現(xiàn)象建立了相關(guān)技術(shù)臺賬,并以Ⅲ型彈條為例,從發(fā)生彈條斷裂的區(qū)域、行別、位置、扣件類型、線路類型、行車速度、波磨情況等進(jìn)行了近兩年的詳細(xì)統(tǒng)計。通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的整理,以及對彈條斷裂后斷口處的分析,對彈條斷裂的原因,大致可以從以下幾方面進(jìn)行定性分析。

1.1彈條外觀尺寸

彈條的外觀尺寸驗收是根據(jù)GB/T 2829—2002《周期檢查計數(shù)抽樣程序及表》。每批次允許存在一定數(shù)量的不滿足尺寸要求產(chǎn)品。對發(fā)生斷裂彈條斷口、彈條整體尺寸檢查發(fā)現(xiàn),部分?jǐn)嗔褟棗l在外觀尺寸上不符合產(chǎn)品規(guī)格要求。但這不應(yīng)該是彈條斷裂的主要原因,此類彈條發(fā)生斷裂為個別現(xiàn)象。

1.2軌道平面形位

根據(jù)兩年的詳細(xì)統(tǒng)計數(shù)據(jù),在線路上斷裂彈條的位置大多集中在小半徑曲線的緩和曲線地段,或者是S型曲線的緩和曲線地段。在該區(qū)段彈條斷裂數(shù)量占總數(shù)的比例為64.3%。緩和曲線地段,鋼軌外軌超高由0變化到圓曲線超高值,車輛通過時振動較大,輪軌作用下容易對鋼軌產(chǎn)生高頻振動,造成彈條彈程增大,超過正常工作彈程范圍,導(dǎo)致彈條出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象而發(fā)生斷裂。但緩和曲線地段鋼軌外軌超高的變化為彈條斷裂的誘因,并非主要原因。

1.3彈條安裝位置

彈條在安裝狀態(tài)下,隨著彈條中肢插入鐵墊板插孔長度的增加,同一彈程下的扣壓力變化較微小,但是彈條本身受力的大小和薄弱位置均在發(fā)生變化。彈條中肢插入鐵墊板孔的長度正常為69～74 mm,當(dāng)插入長度大于74 mm時,彈條中肢根部受到的最大等效應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力和接觸壓力均大幅增加。同時,彈條后端圓弧處的最大等效應(yīng)力由外側(cè)圓角轉(zhuǎn)移到內(nèi)側(cè)圓角處,彈條中肢與鐵墊板間的接觸分布由線接觸轉(zhuǎn)為點接觸,由于擠壓和扭轉(zhuǎn)剪力的作用,在彈條后端圓弧表層處發(fā)生局部應(yīng)力集中,并且達(dá)到材料的破壞極限,使得彈條后端表層裂紋萌生。此為彈條發(fā)生斷裂的主要原因。

1.4彈條彈程

Ⅲ型彈條安裝彈程為11 mm,在列車荷載下,彈條動程產(chǎn)生變化,會對彈條最大等效應(yīng)力產(chǎn)生一定影響。當(dāng)最大等效應(yīng)力接近或大于60Si2Mn材質(zhì)的屈服極限1 200 MPa和強(qiáng)度極限1 300 MPa時,彈條本身的疲勞使用壽命將大幅度減少,再加上地鐵行車間距短、頻率高等特點,明顯加劇了彈條的振動次數(shù),其點接觸導(dǎo)致的接觸應(yīng)力頻次增加即會加速彈條的疲勞損傷。此為彈條發(fā)生斷裂的根本原因。

1.5其他因素

本統(tǒng)計研究線路為普通長軌枕埋入式整體道床,行車最高速度為90 km/h,發(fā)生Ⅲ型彈條斷裂地段的行車速度為10～90 km/h;鋼軌波磨的波深幅值為0.01～0.08 mm,均無超限,且無明顯規(guī)律。因此,基本排除其他因素對彈條斷裂的影響。

2　彈條斷裂建模計算

通過對彈條斷裂原因的定性分析,確定影響彈條發(fā)生斷裂的主要原因為彈條安裝位置,而根本原因則是彈條彈程超限。為了進(jìn)一步更真實地驗證這一分析結(jié)果,建立鋼軌扣件的有限元模型,對Ⅲ型彈條的受力進(jìn)行定量分析。

2.1Ⅲ型彈條扣件有限元模型

鋼軌扣件的組成包括彈條、鐵墊板和軌距擋塊等。簡化后扣件的所有部件使用實體單元模擬,模型中共劃分了75 659個實體單元和78 106個節(jié)點。

在彈條與鐵墊板和軌距擋板之間建立接觸對,如圖1所示。在此不考慮軌枕對扣件靜態(tài)的影響,故將鐵墊板的底部進(jìn)行全約束;在軌距擋塊的底部施加垂向的位移荷載。接觸對間的摩擦系數(shù)均為0.3。

2.2最大等效應(yīng)力位置

Ⅲ型彈條安裝后,靜態(tài)情況下彈條彈程h達(dá)到11 mm,且彈條中肢插入鐵墊板孔為正常長度(69～74 mm)。在彈條中肢與鐵墊板間的接觸未出現(xiàn)點接觸情況下,彈條建模后等效應(yīng)力如圖2、圖3所示。

圖1　彈條與鐵墊板和軌距擋塊之間的接觸對

圖2　最大剪切應(yīng)力云圖(h=11 mm)

圖3　第一主應(yīng)力云圖(h=11 mm)

2.3彈條安裝位置超限

Ⅲ型彈條安裝時中肢插入鐵墊板孔的長度會發(fā)生變化,當(dāng)插入長度L大于74 mm時,彈條中肢根部受到的最大等效應(yīng)力、最大拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力和接觸壓力均大幅增加,彈條建模后,應(yīng)力變化如圖4所示。

2.4彈條彈程超限

Ⅲ型彈條安裝后,當(dāng)彈條h在11～16 mm、彈條中肢插入鐵墊板孔長度在69～75 mm時,彈條材質(zhì)達(dá)到材料的屈服極限;但是當(dāng)h超過16 mm或彈條中肢插入鐵墊板孔深度大于75 mm時,彈條的最大等效應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限,在列車運行的頻繁荷載下,容易引起彈條提前達(dá)到疲勞極限,從而發(fā)生疲勞破壞,如圖5、圖6所示。實際彈條破壞實景如圖7所示。說明模擬分析結(jié)果與現(xiàn)場實際破壞結(jié)果相吻合。

圖4　插入長度對彈條最大等效應(yīng)力的影響云圖(h=11 mm)

圖5　彈條彈程對等效應(yīng)力的影響

圖6　彈程超限數(shù)值計算危險區(qū)域

圖7　現(xiàn)場彈條破壞實景圖

3　結(jié)語

針對60Si2Mn材質(zhì)彈條在實際使用過程中發(fā)生的斷裂現(xiàn)象,通過對彈條斷裂的定性分析和扣件有限元建模定量分析,研究60Si2Mn材質(zhì)彈條在整個鋼軌扣件中的受力情況。結(jié)果表明,其最大等效應(yīng)力集中點與彈條現(xiàn)場使用實際破壞點吻合,為彈條斷裂的主要原因。而通過模擬彈條在正常使用條件下,彈條彈肢的彈程變化,從而計算出等效應(yīng)力,再對比60Si2Mn材質(zhì)彈條的應(yīng)力參數(shù),可確定彈條長期處于強(qiáng)度極限條件下工作,而最終導(dǎo)至疲勞破壞,為彈條斷裂的根本原因?，F(xiàn)從行車安全和軌道聯(lián)接零件使用壽命角度考慮,提出以下相關(guān)緩解措施。

(1)在保證鋼軌扣件功能的正常使用前提下,可以通過設(shè)計降低60Si2Mn材質(zhì)彈條的安裝彈程,使彈條最大等效應(yīng)力不超出強(qiáng)度極限范圍,使彈條使用處于有利的工作狀態(tài)。

(2)通過現(xiàn)場試驗和數(shù)據(jù)驗算,在滿足彈條正常使用扣壓力的前提下,研究降低軌下膠墊厚度或降低軌距塊扣壓點厚度等方法,以有效調(diào)整彈條彈程范圍,緩解彈條動態(tài)受力情況。

(3)在日常養(yǎng)護(hù)維修過程中,嚴(yán)格把控彈條現(xiàn)場安裝質(zhì)量,確保彈條中肢插入鐵墊板插孔長度,避免彈條中肢與鐵墊板間的接觸出現(xiàn)點接觸現(xiàn)象。

(4)建立長期的數(shù)據(jù)跟蹤制度,摸索60Si2Mn材質(zhì)彈條在不同軌道平面形位的振動變化特性,用于指導(dǎo)新線線路聯(lián)接零件設(shè)備選型,避免出現(xiàn)類似彈條斷裂現(xiàn)象。

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Analysis of the Fatigue Fracture of 60Si2Mn Spring Strip

Chen Peizhe

AbstractThrough studying the theoretical quality and a finite element quantitative analysis of the fractures in the practical application process of 60Si2Mn material elastic strip,the reasons affecting the elastic strip fracturing are detected.By studying the load condition of 60Si2Mn elastic strip used in rail clips,the maximum equivalent stress concentration point is coincident with the actual fracturing point.After the field contrast test,the corresponding optimization measures,the controlling key points of 60Si2Mn material elastic strip in the process of design and maintenance and repair are put forward.

Key wordsrail clip;60Si2Mn spring strip;fatigue fracture;finite element model analysis

(收稿日期:2014-03-25)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.025

中圖分類號U213.5+3