无砟轨道W1型弹条疲劳性能的试验研究_张馨艺.pdf
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1、高速铁路弹条在实际工作中会承受反复多变的载荷作用,随着时间累积,弹条会发生疲劳断裂。为研究高速铁路弹条(型弹条)在载荷作用下的疲劳性能和疲劳寿命,将 型弹条放置于 伺服液压试验机上进行载荷分别为(.)、()、(.)种试验方案的疲劳试验,首先通过疲劳试验数据计算弹条的疲劳可靠度寿命和疲劳寿命,绘制 型弹条在不同可靠度下的载荷与疲劳寿命()直线并对其进行线性拟合,根据不同可靠度的要求,可以计算和预测 型弹条在 种试验方案下的疲劳寿命,然后对弹条断口进行电镜扫描分析,得出弹条断裂类型为韧性断裂。关键词 型弹条;疲劳试验;循环位移荷载;可靠度;断口分析中图法分类号.;文献标志码 收稿日期:;修订日期:
2、基金项目:国家自然科学基金()第一作者:张馨艺(),女,汉族,吉林长春人,硕士研究生。研究方向:高速铁路轨道结构与力学。:。通信作者:伍曾(),男,汉族,湖南怀化人,博士,教授。研究方向:高速铁路轨道结构与力学。:。,(,),(),(.),(),(.),(),;近年来中国交通运输行业快速发展,高速铁路逐渐成为人们出行的方式之一。弹条扣件系统是高速铁路无砟轨道的关键技术之一,弹条在承受外力作用下利用自身产生的弹性变形将铁路钢轨和轨下结构连接为一个整体,使轨道不发生横纵向位移和倾覆。目前,中国无砟轨道常用扣件是中国自主研发的 型扣件,型扣件常用弹条是原材料为 的 型弹条。弹条在正常工作时会受到来自
3、列车复杂多变的载荷作用,时间久之会使弹条的疲劳寿命降低而造成弹条扣压力不足,严重时甚至会造成弹条断裂,对列车行驶的舒适性和乘客的生命安全带来巨大隐患,因此,研究高铁弹条的疲劳性能具有十分重要的意义。而现如今国内外对铁路弹条疲劳断裂机理研究较少,等对不同高频作用下各类扣件的力学特性做了试验研究;等通过 有限元软件建立 型弹条模型分析其疲劳性能;陈宪麦等建立有限元模型分析 型扣件弹条的力学特性及其断裂的原因,得出 型扣件弹条在频率为 、和 时,易引发共振使弹条断裂;朱胜阳等基于车辆轨道耦合动力学研究 扣投稿网址:件弹条的力学性能及在列车载荷作用下的振动特性,并通过现场实测验证了在钢轨波磨路段下会加
4、剧弹条振动,加速弹条疲劳断裂;等通过试验研究了不同扣压力对弹条模态参数的影响;肖宏等通过频域分析了 形弹条折断的本质原因是在受到一定频率的激励从而使弹条发生共振现象,在这种频率的长期作用下,弹条最终疲劳断裂;罗曜波等模拟了 型扣件在、冲击载荷下弹条的应力和中圈位移变化规律;伍曾等对 型弹条在室温蠕变作用下扣压力的损失进行了试验研究,得出即使在室温条件下,蠕变现象也会使弹条扣压力下降 左右。综上所述,目前国内外的对扣件弹条系统的研究主要在以下两个方面:通过静力实验和有限元模拟研究弹条的力学性能;对弹条断裂原因进行试验分析。现对高速铁路无砟轨道和桥梁隧道轨道上常用的 型扣件系统中的 型弹条在 伺服
5、液压试验机上进行疲劳试验,对 型弹条在 预压力下施加.、.种不同循环载荷幅值,分析研究弹条的疲劳寿命与扣压力、中前端圆弧位移的变化规律,从概率统计的角度预测弹条在不同循环载荷作用下的疲劳寿命,然后用电镜扫描仪对弹条断裂位置进行扫描分析,分析弹条断裂破坏类型,以期对从事铁路扣件疲劳研究方向的研究人员提供试验和理论依据。材料力学性能试验为了得到 型弹条的常规力学性能,将 型弹条的原材料 弹簧钢前端截取一部分进行机械加工,将弹簧钢加工成所需试样,如图 所示,将加工好的试样按照金属材料 拉伸试验 第 一 部 分:室 温 试 验 方 法(.)进行静力拉伸试验,如图 所示,试验测得弹簧钢试样的屈服强度为
6、,材料的极限强度为 。型弹条疲劳试验及试验结果分析.型弹条疲劳试验 型弹条疲劳试验同样在 液压试验机上进行,将 型压力传感器和 型位移传感器分别放置在弹条趾端和弹条中端圆弧下方并接入 伺服液压试验机的控制系统采集弹条扣压力和弹条中端圆弧位置变化的数值。疲劳试验装置如图 所示。试验方法采用位移控制法,以.为载荷幅图 型弹条及标准试样.图 材料拉伸试验.图 型弹条疲劳试验装置.值对 型弹条进行加载,当载荷为.时停止加载并记录此时弹条中端圆弧位移,后继续以.载荷幅值继续加载至 时记录中端圆弧位移,然后继续上述加载方式将载荷值加至.记录中端圆弧位移。分别将.、.对应科 学 技 术 与 工 程 ,()投
7、稿网址:的中端圆弧位移作为位移载荷的上限值、中间值、下限值。即 型弹条在(.)载荷作用下用位移值控制,同理()和(.)也采用此试验方式,得到 型弹条在 种位移载荷控制下的位移,如表 所示。疲劳试验采用正弦波作为加载波形,频率为,每种循环载荷下取 组试件,每组试件取 个弹条试样进行试验。弹条的疲劳寿命表示弹条在循环载荷作用下至断裂的次数,每组选取 个有效的试样试验数据绘出位移控制下 型弹条的疲劳寿命,如表 所示。表 弹条中圈圆弧在不同载荷下的位移值 (.)()(.)载荷 位移 载荷 位移 载荷 位移.表 弹条在不同载荷位移控制下的疲劳寿命 (.)()(.)试样编号疲劳寿命 次试样编号疲劳寿命 次
8、试样编号疲劳寿命 次 平均值 平均值 平均值.型弹条疲劳寿命曲线弹条在载荷作用下弹条前趾端所受压力即为弹条的扣压力,图 是弹条在疲劳试验下 的关系图。可以看出,在不同位移载荷作用下,型弹条的扣压力与载荷循环次数呈反相向关系,随着载荷循环次数的增加,弹条扣压力先是迅速下降,然后趋于平稳,最后缓慢下降至弹条断裂。.型弹条可靠度寿命由于弹条自身材料和试验环境等问题会导致疲劳试验测出的试验数据具有一定的离散性。因此,采用数理统计中的可靠性分析来计算和预测 型弹条的疲劳寿命。文献认为同一循环位移荷载下弹条对数疲劳寿命符合正态分布,故采用解析法进行分析。利用式()可以求出任一可靠度 对应的对数安全寿命估计
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