60Si2Mn材質彈條疲勞斷裂原因分析

陳培哲(廣州地鐵集團有限公司,510030,廣州∥助理工程師)

?

60Si2Mn材質彈條疲勞斷裂原因分析

陳培哲
(廣州地鐵集團有限公司,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彈條在現場實際使用過程中發生斷裂現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,其最大等效應力集中點與彈條現場使用實際破壞點相吻合,這是彈條斷裂的主要原因之一,而彈條長期處于強度極限條件下工作,最終發生疲勞破壞,為彈條斷裂的根本原因。經過現場對比試驗,提出了相應的優化措施和60Si2Mn彈條在設計和維修養護過程中應把控的關鍵點。

關鍵詞鋼軌扣件;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材質彈條是目前國內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比較復雜,在實際工況下容易發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材質彈條斷裂的原因進行分析,這對彈條的設計、選用和安裝具有現實的指導意義和參考價值。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律,筆者對某城軌道交通線出現彈條斷裂現象建立了相關技術臺賬,并以Ⅲ型彈條為例,從發生彈條斷裂的區域、行別、位置、扣件類型、線路類型、行車速度、波磨情況等進行了近兩年的詳細統計。通過對統計數據的整理,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GB/T 2829—2002《周期檢查計數抽樣程序及表》。每批次允許存在一定數量的不滿足尺寸要求產品。對發生斷裂彈條斷口、彈條整體尺寸檢查發現,部分斷裂彈條在外觀尺寸上不符合產品規格要求。但這不應該是彈條斷裂的主要原因,此類彈條發生斷裂為個別現象。

1.2軌道平面形位

根據兩年的詳細統計數據,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。在該區段彈條斷裂數量占總數的比例為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生高頻振動,造成彈條彈程增大,超過正常工作彈程范圍,導致彈條出現應力集中現象而發生斷裂。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生變化。彈條中肢插入鐵墊板孔的長度正常為69～74 mm,當插入長度大于74 mm時,彈條中肢根部受到的最大等效應力、最大拉應力和剪切應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力由外側圓角轉移到內側圓角處,彈條中肢與鐵墊板間的接觸分布由線接觸轉為點接觸,由于擠壓和扭轉剪力的作用,在彈條后端圓弧表層處發生局部應力集中,并且達到材料的破壞極限,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,彈條動程產生變化,會對彈條最大等效應力產生一定影響。當最大等效應力接近或大于60Si2Mn材質的屈服極限1 200 MPa和強度極限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,其點接觸導致的接觸應力頻次增加即會加速彈條的疲勞損傷。此為彈條發生斷裂的根本原因。

1.5其他因素

本統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。為了進一步更真實地驗證這一分析結果,建立鋼軌扣件的有限元模型,對Ⅲ型彈條的受力進行定量分析。

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的影響,故將鐵墊板的底部進行全約束;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均為0.3。

2.2最大等效應力位置

Ⅲ型彈條安裝后,靜態情況下彈條彈程h達到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點接觸情況下,彈條建模后等效應力如圖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　最大剪切應力云圖(h=11 mm)

圖3　第一主應力云圖(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生變化,當插入長度L大于74 mm時,彈條中肢根部受到的最大等效應力、最大拉應力和剪切應力和接觸壓力均大幅增加,彈條建模后,應力變化如圖4所示。

2.4彈條彈程超限

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

圖4　插入長度對彈條最大等效應力的影響云圖(h=11 mm)

圖5　彈條彈程對等效應力的影響

圖6　彈程超限數值計算危險區域

圖7　現場彈條破壞實景圖

3　結語

針對60Si2Mn材質彈條在實際使用過程中發生的斷裂現象,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材質彈條在整個鋼軌扣件中的受力情況。結果表明,其最大等效應力集中點與彈條現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,從而計算出等效應力,再對比60Si2Mn材質彈條的應力參數,可確定彈條長期處于強度極限條件下工作,而最終導至疲勞破壞,為彈條斷裂的根本原因。現從行車安全和軌道聯接零件使用壽命角度考慮,提出以下相關緩解措施。

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

(2)通過現場試驗和數據驗算,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,以有效調整彈條彈程范圍,緩解彈條動態受力情況。

(3)在日常養護維修過程中,嚴格把控彈條現場安裝質量,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點接觸現象。

(4)建立長期的數據跟蹤制度,摸索60Si2Mn材質彈條在不同軌道平面形位的振動變化特性,用于指導新線線路聯接零件設備選型,避免出現類似彈條斷裂現象。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.周期檢查計數抽樣程序及表:GB/T 2829—2002[S].北京:中國標準出版社,2002:339-350.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.彈簧鋼:GB/T 1222—2007[S].北京:中國標準出版社,2007:1-16.

[3] 肖飛,王平,陳小平.單趾彈簧扣件的彈簧強度分析[J].鐵道建筑,2010(4):81.

[4] 中華人民共和國建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.地鐵設計規范:GB 50157—2003[S].北京:中國建筑出版社:2013:45-52.

[5] 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室.軌道彈條斷裂計算分析報告[R].廣州:西南交通大學牽引動力國家重點實驗室,2013.

[6] 李偉強.城市軌道交通中單趾彈條扣件的彈條強度分析[J].交通科技,2012(2):80.

[7] 韓志強.彈條扣件的發展及高速鐵路的扣件選擇[J].山西建筑,2005,31(7):131.

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