［摘 要］高鐵扣件是鋼軌與道床連接的紐帶，通常需要彈條進(jìn)行扣壓，能夠有效保證高鐵軌道的幾何形位，避免發(fā)生偏移。高鐵在行駛過(guò)程中，會(huì)對(duì)鋼軌施加動(dòng)態(tài)力，導(dǎo)致鋼軌出現(xiàn)變形、振動(dòng)，引起扣件系統(tǒng)振動(dòng)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，扣件彈條需要滿足列車施加在鋼軌上的沖擊力變化強(qiáng)度，一般為50～300 kN。高鐵扣件彈條在長(zhǎng)期荷載作用下的斷裂情況，會(huì)導(dǎo)致高鐵軌道壽命縮短，從而影響行車安全，文章以WJ–8 型彈條為研究對(duì)象，對(duì)其疲勞斷裂原因進(jìn)行分析，明確其結(jié)構(gòu)參數(shù)與相應(yīng)特性之間的關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化與改進(jìn)。

［關(guān)鍵詞］高鐵扣件；彈條；疲勞斷裂

［中圖分類號(hào)］U213.53 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）03–0039–03

1 現(xiàn)有扣件彈條疲勞斷裂問(wèn)題

在構(gòu)造上，高鐵扣件彈條通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度彈簧進(jìn)行熱壓彎曲，形狀為對(duì)稱幾何，具有兩個(gè)對(duì)稱拱形彈簧臂，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，整個(gè)扣件系統(tǒng)通過(guò)螺栓安裝固定。圖1 為常見(jiàn)的WJ–8型扣件。

WJ–8 型扣件在應(yīng)用中，可動(dòng)態(tài)調(diào)整扣壓力、安全更換便捷，失效彈條斷裂點(diǎn)通常為彈跟處，因存在彈條斷裂失效問(wèn)題，導(dǎo)致維護(hù)、更換頻繁，整體運(yùn)營(yíng)成本增加。

2 問(wèn)題彈條動(dòng)態(tài)特性分析與試驗(yàn)研究

2.1 高鐵線路實(shí)際測(cè)試

針對(duì)高鐵扣件彈條實(shí)際工作中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行明確，選取合適的高鐵線路，開展錘擊法模態(tài)試驗(yàn)，振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)需要選擇在軌枕處與相鄰軌枕中間的位置，在激勵(lì)錘頭上安裝傳感器進(jìn)行測(cè)量，以加速度計(jì)對(duì)彈臂振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜處理，得到相關(guān)振動(dòng)特性。

鋼軌波磨觀測(cè)上，通過(guò)波磨測(cè)量小車，對(duì)高鐵扣件彈條斷裂區(qū)域進(jìn)行鋼軌波磨測(cè)量，開展濾波處理，明確每米最大谷深值與波長(zhǎng)情況。如圖2 所示，對(duì)10 mm 以下的波場(chǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，區(qū)域內(nèi)波磨主要波長(zhǎng)集中于50～60 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

在高鐵線路實(shí)際測(cè)試后，需要在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)問(wèn)題彈條開展試驗(yàn)分析。對(duì)未斷彈條與已經(jīng)斷裂的彈條進(jìn)行斷裂位置、裂紋、硬度檢查。將彈條實(shí)際安裝情況進(jìn)行模擬，安裝在鋼軌之上，并布置測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)錘激勵(lì)，此時(shí)的彈條振動(dòng)響應(yīng)需要在彈條上布置麥克風(fēng)，取代實(shí)際測(cè)試中的加速度計(jì)，消除加速度所造成的額外質(zhì)量。

在斷裂位置上與裂紋試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)已斷裂的彈條位置通常為彈條尾部與端支撐位置間，相較于一般彈條測(cè)試中的典型斷裂位置存在一定差異。將斷口區(qū)域劃分為裂紋區(qū)、疲勞區(qū)域斷裂區(qū)，裂紋區(qū)位于彈條弧形內(nèi)側(cè)，并向彈條內(nèi)進(jìn)行放射性擴(kuò)散，逐漸形成扇形區(qū)域。對(duì)疲勞區(qū)域斷裂區(qū)已斷裂與未斷裂彈條表面進(jìn)行檢查，通過(guò)溶液對(duì)斷裂表面進(jìn)行處理，防止表面出現(xiàn)銹蝕的情況。檢查發(fā)現(xiàn)，已斷與未斷彈條表面檢查結(jié)果差異較小。在內(nèi)部性能上，進(jìn)行彈條終端取樣，進(jìn)行硬度等指標(biāo)檢測(cè)，硬度、脫碳層與金相組織檢測(cè)結(jié)果皆在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

通過(guò)線路實(shí)際檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，彈條動(dòng)態(tài)特征相同，說(shuō)明彈臂運(yùn)動(dòng)在彈跟之處存在交變應(yīng)力的引入，彈臂模態(tài)頻率多數(shù)在500～600 Hz，高鐵若在此頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，將會(huì)形成共振，從而發(fā)生高頻高動(dòng)態(tài)應(yīng)力，導(dǎo)致扣件彈條疲勞斷裂。

3 運(yùn)行線路波浪磨損與P-P激勵(lì)

高鐵在行駛過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生沖擊激勵(lì)，通過(guò)鋼軌振動(dòng)傳導(dǎo)，對(duì)軌道扣件系統(tǒng)產(chǎn)生影響。通過(guò)軌道日常保養(yǎng)，能夠明顯發(fā)現(xiàn)多數(shù)彈條斷裂區(qū)域存在明顯的波浪磨耗痕跡，說(shuō)明軌道異常波磨導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)激勵(lì)是造成彈條斷裂的主要原因。鋼軌波磨波長(zhǎng)通常為20～200 mm，車輛行駛速度與軌道系統(tǒng)（P–P）振動(dòng)頻率fp–p 存在一定關(guān)聯(lián)。在軌道系統(tǒng)中，P–P 振動(dòng)頻率fp–p 計(jì)算公式如下：

鋼軌波磨波長(zhǎng)為L(zhǎng)。P-P 頻率fp–p 與高鐵運(yùn)行速度U 之間的關(guān)系為：

鋼軌波磨出現(xiàn)與軌道橫向同扭轉(zhuǎn)P–P 頻率相關(guān)，根據(jù)支撐間距的不同，橫向P–P 頻率fp–p 通常在400～650 Hz。高速功率線路中，軌道橫向與扭轉(zhuǎn)fp–p范圍一般為500～650 Hz，運(yùn)行速度為250～360 km/h，波磨波長(zhǎng)為100～180 mm，高鐵車速為300km/h 的情況下，其波磨波長(zhǎng)位于120～150 mm。

4 扣件彈條仿真分析

4.1 三維模型構(gòu)建

在仿真分析中，以WJ–8 型扣件為研究對(duì)象進(jìn)行分析，其系統(tǒng)內(nèi)包括螺旋道釘、平墊圈、彈條（分為W1 型與X2 型）、絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板等，根據(jù)扣件系統(tǒng)部件圖紙與尺寸進(jìn)行三維模型構(gòu)建與裝配，之后根據(jù)有限元軟件ANSYS 開展網(wǎng)格劃分。

為了不影響力學(xué)，降低計(jì)算難度，研究所搭建的有限元模型對(duì)墊片、螺栓等部件形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)達(dá)到22 萬(wàn)個(gè)以上，單元12 萬(wàn)個(gè)以上。WJ–8 型扣件彈條主要材料為60Si2Mn 彈簧鋼，需要對(duì)材料彈性、塑性進(jìn)行考量，通過(guò)理想線性進(jìn)行材料應(yīng)力與管理構(gòu)建，屈服強(qiáng)度數(shù)值為1 320 MPa。

在有限元仿真模擬中，彈條與螺栓、軌距擋板、絕緣墊片間進(jìn)行摩擦面的接觸，為了更好地提升計(jì)算精確度，進(jìn)行上述部件之間的綁定。

仿真模型構(gòu)建中還需要對(duì)安裝狀態(tài)進(jìn)行考慮，約束模型地面X 方向，通過(guò)鋼軌兩端截面的對(duì)稱約束進(jìn)行邊界影響忽略。通過(guò)螺栓頂?shù)纳舷挛灰?，將彈條前端向下位移15 mm，如此達(dá)到安裝狀態(tài)。

4.2 靜力特性分析

進(jìn)行靜力分析且正常安裝時(shí)，彈條需要進(jìn)行位移，總位移存在于彈條中彎前端，在跟端位移較小，通過(guò)彈條垂向最大位移14.9 mm，說(shuō)明扣件系統(tǒng)可正常安裝，安裝過(guò)程中，彈條中彎垂向下運(yùn)動(dòng)，彈臂向上翹，運(yùn)動(dòng)方向相反。

靜力特征分析中，彈條最大應(yīng)力位于跟端后彎支點(diǎn)大圓弧的內(nèi)側(cè)表面，彈條斷裂部位同樣在此處，相較于彈條材料屈服強(qiáng)度1 320 MPa，其von–Mises 應(yīng)力約為1 480 MPa，WJ–8 型扣件彈條此時(shí)受到彎曲與扭轉(zhuǎn)作用，von-Mises 應(yīng)力在后彎支點(diǎn)到前端支點(diǎn)過(guò)程中，逐漸減小，趾端等效應(yīng)力最小。

4.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析中，需要保證彈條不受到外力與各方接觸，通過(guò)彈條模態(tài)的變化，確定彈條變形前后的空間位置。對(duì)模態(tài)振型與頻率特性進(jìn)行分析計(jì)算，0～1 000 Hz內(nèi)，WJ–8型扣件彈條存在578.16 Hz與595.70 Hz兩階模態(tài)。

5 問(wèn)題彈條抗疲勞改進(jìn)方案

根據(jù)彈條試驗(yàn)與仿真分析等結(jié)果進(jìn)行分析，能夠明確，WJ–8 型扣件彈條疲勞頻率在500～600 Hz，造成高鐵扣件彈條斷裂的模態(tài)頻率在激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，說(shuō)明彈條斷裂是因?yàn)楣逃蓄l率同高鐵輪軌相互作用發(fā)生共振，從而導(dǎo)致彈條疲勞，之后斷裂。為避免共振斷裂的情況發(fā)生，可提升WJ–8 型扣件彈條剛度，規(guī)避激勵(lì)頻率范圍，根據(jù)實(shí)際情況，制訂可行性方案。

對(duì)鋼軌WJ–8 型扣件彈條彈臂高度進(jìn)行降低，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性檢驗(yàn)，開展仿真分析，進(jìn)行模態(tài)與頻率分析，結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的彈條同模態(tài)設(shè)計(jì)相似，整體頻率上移，應(yīng)力相應(yīng)得到有效降低，固有頻率提升，避免了激勵(lì)范圍內(nèi)共振頻發(fā)的情況，使高鐵WJ–8型扣件彈條壽命更長(zhǎng)，減少了成本投入。

6 結(jié)束語(yǔ)

WJ–8 型扣件彈條強(qiáng)度較高，且具有安裝方便、抗壓力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際使用過(guò)程中，還是存在疲勞斷裂的情況。文章結(jié)合高鐵實(shí)際線路檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、彈條動(dòng)態(tài)特性研究、仿真分析等方法，對(duì)高鐵扣件彈條疲勞斷裂原因進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，引起高鐵扣件系統(tǒng)振動(dòng)的重要原因是鋼軌波浪磨耗，頻率范圍集中在400～650 Hz，彈條固有頻率550～650 Hz 與激勵(lì)頻率重合?？赏ㄟ^(guò)降低彈條彈臂高度、打磨鋼軌等形式，調(diào)整彈條固有頻率，避免高鐵扣件彈條出現(xiàn)疲勞斷裂。

參考文獻(xiàn)

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