CRTSⅡ型板式無砟軌道張拉鎖件疲勞性能研究

李永娟，王賀鄭，苗同臣

(鄭州大學力學與工程科學學院，河南鄭州450001)

CRTSⅡ型板式無砟軌道張拉鎖件疲勞性能研究

李永娟，王賀鄭，苗同臣

(鄭州大學力學與工程科學學院，河南鄭州450001)

利用ANSYS有限元分析軟件，對無砟軌道相鄰軌道板間的縱向連接件——張拉鎖件進行虛擬疲勞仿真分析，在較短的時間內獲得了該零件的預測疲勞壽命。同時通過大量疲勞試驗，發現張拉鎖試件疲勞合格率不高，近半數達不到200萬次疲勞循環次數的要求，應引起重視。

張拉鎖件 數值計算 疲勞分析 疲勞試驗

CRTSⅡ型板式無砟軌道相鄰軌道板間的縱向連接件，有張拉鎖、螺母、鋼墊圈及絕緣墊片，詳細的結構如圖1所示。它不僅能方便地調節軌道板間的張拉力，而且具有良好的連接絕緣性能，廣泛應用于高速鐵路無砟軌道的鋪設中。因此，張拉鎖件力學性能的好壞、質量是否過關，對無砟軌道質量起著至關重要的作用。

圖1 張拉鎖件結構示意

隨著高速鐵路的快速發展，近幾年關于各種無砟軌道技術和施工等方面的研究也在國內外特別是我國普遍展開，主要集中在各種無砟軌道的技術改進和設計要求［1-2］及軌道板力學性能方面［3-5］，而專門針對張拉鎖件力學性能方面的研究目前還很少。就目前查閱的文獻來看，對無砟軌道張拉鎖件的研究只有文獻［6］，該文獻用試驗的方法測試張拉鎖件的疲勞性能和絕緣性能。試驗結果得出張拉鎖件的疲勞性能通過率并不高，這個用在高速鐵路上的重要部件存在極大的安全隱患，是一個值得關注的問題。對此，本文借助ANSYS有限元軟件對張拉鎖進行疲勞仿真分析，并通過大量試驗檢測了張拉鎖件的疲勞性能，得出了一些有理論研究和實際應用價值的結論。

圖2 張拉鎖結構尺寸示意(單位:mm)

1 基于ANSYS的張拉鎖疲勞分析

1.1 張拉鎖結構參數

圖2為張拉鎖的結構尺寸示意。材料采用QT500-7球墨鑄鐵，材料參數:抗拉強度500 MPa，彈性模量162 GPa，密度7 000 kg/m3，泊松比0.293。其它性能指標遵循標準［7］的規定。

1.2 有限元數值模型

由于張拉鎖結構復雜，形狀不規則，在ANSYS建模過程中不可避免地需要進行一些近似處理。選用Solid45單元對實體模型進行自由網格劃分，最終有限元模型節點數為27 880個，單元數為129 246個。材料屬性選用各項同性的線彈性材料。圖3為張拉鎖的ANSYS計算模型。

圖3 張拉鎖的ANSYS計算模型

1.3 靜力分析

根據張拉鎖件工作的實際情況，通過簡化，對張拉鎖放置絕緣墊片處一端施加位移約束，另一端施加拉力。對張拉鎖施加68 kN的拉力，在數值分析時，拉力換算成張拉鎖兩端的面荷載為31.55 MPa，得到張拉鎖的等效應力云圖如圖4所示。

圖4 等效應力云圖(單位:MPa)

從圖4所示的應力結果可以看出，應力最大值出現在張拉槽中間部位(10 575節點)，該位置與試驗中容易發生破壞的位置相符［8］。

1.4 疲勞分析

根據圖4所示的應力分析結果，選取10 575節點作為疲勞分析對象，在34～68 kN(面荷載15.77～31.55 MPa)之間進行疲勞循環200萬次。在ANSYS軟件中，輸入材料的S－N特性曲線數據如表1所列，存儲一個事件的兩個載荷，進行疲勞分析計算。

表1 疲勞曲線參數

計算結果表明，許用循環次數僅為46 460次，遠遠不能滿足200萬次的使用要求。這與試驗結果張拉鎖的疲勞通過率不高相一致。由于數值計算不能準確地模擬張拉鎖實際工況下的受力，導致計算結果與試驗結果相差很大。

2 疲勞實驗

參考標準［7］的軸向疲勞試驗要求，在34～68 kN之間進行疲勞循環200萬次試驗。

當張拉鎖材料、試件組裝、加載方式等都無任何問題時，大部分達不到疲勞循環次數的張拉鎖試件的斷裂位置發生在張拉槽中間部位，如圖5(a)。也有個別張拉鎖試件的斷裂發生在如圖5(b)所示的位置，這種情況一般是張拉鎖材料不合格、不均勻或組裝加載等問題造成。

圖5 疲勞試驗的破壞位置

表2統計出了10個不同廠家不同批次的94個張拉鎖試件的疲勞循環次數。結果表明:只有51.1%的張拉鎖滿足疲勞試驗要求，其余試件的疲勞次數多在150萬次左右，最少的為22萬次，平均疲勞循環次數為148.7萬次。試驗還發現，不合格的張拉鎖試件多出現在相同的廠家，這與他們的生產技術、工藝、選材等有直接的關系。

另外，有約10%左右的不合格張拉鎖試件在試驗過程中出現鋼墊圈斷裂或變形的情況，這時需要更換合格的鋼墊圈重新試驗。因此，現場施工不但要選用合格的張拉鎖，還必須選用合格的鋼墊圈，因為鋼墊圈的好壞直接影響到張拉鎖的受力方式，進而影響到張拉鎖的疲勞壽命。

表2 疲勞循環次數

3 結論

1)通過試驗發現，當張拉鎖材料、組裝、加載載荷均無任何問題時，疲勞斷裂多發生在張拉槽中間部位。當張拉鎖材料、組裝尤其是加載載荷出現問題時，張拉槽與張拉筋均可能發生斷裂。

2)目前所用張拉鎖的疲勞壽命有相當一部分不能滿足規范要求，嚴重威脅高鐵的安全，值得注意。

3)現場施工不但要選用合格的張拉鎖，還必須選用合格的鋼墊圈，以保證張拉鎖組件整體的疲勞壽命。

［1］胡根友．CRTSⅡ型板式無砟軌道施工質量通病和應對措施探討［J］．鐵道建筑，2013(2):97-99．

［2］王可用．高速鐵路CRTSⅡ型板無砟軌道底座板施工質量控制技術［J］．鐵道建筑，2013(4):128-130．

［3］朱海城．嚴寒地區客運專線CRTSⅠ型軌道板預制質量控制［J］．鐵道建筑，2012(5):153-157．

［4］徐興鑫．預應力鋼棒失效對CRTSⅠ型單元軌道板受力性能的影響［D］．成都:西南交通大學，2014．

［5］馬尚．高速列車—軌道系統振動及軌道板疲勞壽命研究［D］．北京:北京交通大學，2013．

［6］高怡斐，劉濤，張善業，等．客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道張拉鎖件疲勞和絕緣性能測試［J］．冶金分析，2010，30(增):1339-1341．

［7］中華人民共和國鐵道部．科技基［2009］135號客運專線鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道張拉鎖件暫行技術條件［S］．北京:中國鐵道出版社，2009．

［8］李永娟，王賀鄭，苗同臣．CRTSⅡ型板式無砟軌道張拉鎖件靜態力學性能研究［J］．鐵道建筑，2014(8):99-101．

Research on fatigue performance of tensile locker for CRTSⅡslab-type ballastless track

LI Yongjuan，WANG Hezheng，MIAO Tongchen
(School of Mechanics＆Engineering Science，Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001，China)

In this paper，the virtual fatigue simulation analysis of slack adjuster that is the longitudinal connecting piece between adjacent ballastless track slabs is conducted by ANSYS finite element analysis software，which could predict the fatigue life of the piece in a relatively short period of time．T hrough a lot of fatigue test，it is showed that the fatigue qualified rate of slack adjuster pieces is not high and almost half of pieces can't meet fatigue cycle demand which is 2 million times，which should be paid more attention．

Slack adjuster;Numerical calculation;Fatigue analysis;Fatigue test

U213．2+42

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．30

1003-1995(2015)03-0107-03

(責任審編趙其文)

2014-04-01;

2014-12-12

河南省科技攻關資助項目(122102210100);河南省教育廳科學技術研究重點項目指導計劃資助項目(12B580003)

李永娟(1984—)，女，河南新鄉人，碩士研究生。