无砟轨道W1型弹条疲劳性能的试验研究_张馨艺.pdf

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：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 ，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量。?（）图 型弹条疲劳寿命与扣压力关系图.式（）中：为任一可靠度 对应的对数安全寿命估计量；?为对数疲劳寿命子样平均值；为疲劳寿命的观测数量；为任一可靠度 对应的标准正态偏量，由文献 可查得；为对数疲劳寿命标准差。利用式（）可以计算出任一可靠度 对应的安全寿命估计量。（）利用数理概率统计学计算出 型弹条在不同可靠度下的安全寿命估计量，如表 所示。，（）张馨艺，等：无砟轨道 型弹条疲劳性能的试验研究投稿网址：表 型弹条在不同可靠度下的安全寿命估计量 载荷.型弹条 曲线和 曲线分析 曲线用于表征材料的疲劳性能，其中，、分别表示任一概率的可靠度、载荷、疲劳寿命。将 型弹条在.、.位移载荷下的对数疲劳寿命作为横坐标，不同位移载荷值 作为横坐标，经过试验数据可以绘制出在任一可靠度 下 型弹条的 曲线，如图 所示。图 曲线.可以看出，可靠度为 时，弹条在.循环位移载荷作用下的疲劳寿命为 次，和.循环位移载荷作用下疲劳寿命分别为 次和 次，可靠度为.、.和 时，弹条的疲劳寿命变化趋势也与之相似，可见在可靠度一样的条件下，型弹条的疲劳寿命随着循环位移载荷的降低而增大，说明二者呈反向关系。当弹条在同一循环位移载荷作用下时，可靠度越低，弹条的疲劳寿命越高。同一位移载荷下，可靠度为.比可靠度为.时，弹条疲劳寿命衰减 左右，可靠度为.比可靠度为时，弹条疲劳寿命衰减也为 左右，可靠度为比可靠度为 时，弹条疲劳寿命衰减为 左右，说明对可靠度要求越高则拟合的弹条疲劳寿命越保守。对绘制 型弹条疲劳试验下的 曲线，以疲劳寿命 取对数 作为横坐标，位移载荷取对数 作为纵坐标，绘制 型弹条的 曲线，此时弹条的 曲线呈线性关系，并采用最小二乘法对弹条的 曲线进行拟合，试验数据的拟合方法如下。假设弹条在对数坐标 曲线上的拟合直线方程为 （）式（）中：、为材料常数，可由式（）、式（）计算得，公式分别为 ()()()（）（）在数理统计中引用相关系数 来表征两个变量之间线性相关的密切程度，的绝对值越接近，表明两个变量之间的线性相关的密切程度越好。（）式（）中：、为与 个试验数据点（，）有关的量，公式为()()()()|（）式（）中：，为不同的位移载荷值，为不同位移载荷下的疲劳寿命。通过式（）式（），可以采用最小二乘法对 型弹条在不同可靠度下的 曲线进行直线拟合，拟合直线如图 所示。根据不同可靠度的要求，可以计算和预测 型弹条在 预压力下不同载荷作用下的疲劳寿命。图 中 型弹条在不同可靠度下的 直线拟合公式如式（）式（）所示。可靠度 .：.（）可靠度 .：.（）可靠度 ：.（）可靠度 ：.（）科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 型弹条在不同可靠度下的 直线.型弹条断口分析 型弹条在不同循环载荷下均在弹条后端大圆弧处靠内臂过渡段圆弧处断裂，断裂外观具有很好的相似性，故现使用扫描电子显微镜对弹条疲劳断口进行分析，弹条疲劳断口宏观、微观形貌图如图 所示。由形貌图可以看出宏观断口分为疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区 个区面，弹条断口的宏观裂纹源区较为平坦且具有放射状花纹，周边也出现了较为明显的裂纹，微观裂纹源区呈现浮云状。循环位移载荷继续作用使裂纹源区向内缓慢扩展，进而出现裂纹扩展区。断口宏观扩展区出现明显的贝壳花样，相较于裂纹源区，弹条断口扩展区的表面形貌有区域较大的疲劳弧线，而微观下的裂纹扩展区相较裂纹源区空洞较多，在疲劳条带有台阶。随着疲劳裂纹的逐渐扩展，弹条受力面积也在逐渐减小，当应力集中且达到一定量值后，弹条便出现疲劳断裂现象，由图 可以发现弹条疲劳瞬断区的断口较为粗糙，微观下疲劳瞬断区出现半球形空洞的现象，这是典型的韧窝现象，这表明 型弹条断裂主要为韧性断裂。结论通过对 型弹条在 伺服液压试验机进行疲劳试验，分别在对 型弹条在 预压力下施加.、.种不同循环载荷幅值，分析得到以下结论。（）型弹条在不同循环位移载荷作用下的疲劳寿命随循环位移载荷的增大而减小，循环位移载荷越小，弹条疲劳寿命越大。（）型弹条在不同循环位移载荷作用下的疲劳寿命与扣压力呈反相关系，随着弹条扣压力随循环位移载荷值的增大而减小，直至弹条断裂。图 型弹条断口宏观微观形貌图.，（）张馨艺，等：无砟轨道 型弹条疲劳性能的试验研究投稿网址：（）随着可靠度要求的提高，曲线中、常数越小，弹条疲劳寿命越保守。（）使用电镜扫描仪对 型弹条断口进行扫描分析得出弹条的断裂性质为韧性断裂，且弹条断裂位置均在弹条后端大圆弧处靠内臂过渡段圆弧处。参考文献 卢祖文 高速铁路轨道技术综述 铁道工程学报，（）：，（）：.施何瑛，王安斌，高晓刚 高速铁路扣件弹条性能分析及频响特性硏究 噪声与振动控制，（）：，（）：.齐少轩，刘学毅 地铁弹条型分开式扣件力学特性研究铁道标准设计，（）：，（）：.伍曾，李洁青，黄伟，等 型无砟轨道扣件扣压力损失的室温蠕变试验研究 铁道标准设计，（）：，（）：.余剑，伍曾，张景坤，等 型弹条扣压力与疲劳性能的试验研究 科学技术与工程，（）：，（）：.王安斌，高晓刚，肖俊恒，等 轨道弹条高频疲劳断裂机理研究及优化 铁道学报，（）：，（）：.，（）：.，（）：.，（）：.陈宪麦，屈郑嘉，陈文韬，等 地铁 扣件弹条力学特性及断裂研究 中南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：.朱胜阳，蔡成标，尹镪，等 高速铁路扣件弹条动力学分析 工程力学，（）：，（）：.，：.肖宏，马春生，郭骁，等 型扣件弹条断裂原因频谱分析 同济大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：.罗曜波，伍曾，魏中臣，等 高速列车运行下 型扣件动力分析 土木建筑与环境工程，（）：，（）：.韦龙 不同应力比下 钢疲劳裂纹扩展速率的试验研究 昆明：昆明理工大学，：，.张景坤 型无砟轨道扣件动、静力试验及疲劳性能研究 昆明：昆明理工大学，：，.高镇同，熊峻江 疲劳可靠性 北京：北京航空航天大学出版社，：，.陈庆伟，谢丹，马辉，等 腐蚀后 高强度螺栓疲劳性能试验 科学技术与工程，（）：，（）：.上海交通大学金属断口分析编写组 金属断口分析上海：国防工业出版社，：，科 学 技 术 与 工 程 ，（）