高速鐵路彈條扣件失效研究進展

張景坤++伍曾

摘要：隨著高速鐵路線路的彈條損壞問題日益突出，對彈條扣件失效破壞原因的研究十分必要。本文將國內眾多相關研究文獻按照彈條的設計工藝、安裝施工、靜力計算、動力計算等進行分類，通過對不同材質和型號的彈條進行宏觀、微觀、靜態行為、動態行為分析，對比不同工況下其應力分布及動力響應，并闡述了彈條失效原因。最后，總結了當前彈條安裝施工技術存在的問題和失效研究工作的不足，為日后彈條扣件的安裝維護和設計研究提供參考。

Abstract： With the increasingly prominent of damage of spring bar fastener in high-speed rail lines， the study of the reasons for the failure is very necessary. In this paper， many domestic related research literature is classified according to the design process of spring bars， installation and construction， static calculation， dynamic calculation and others， and through analysis of macro， micro， static behavior， dynamic behavior of spring bars with the different materials and models， compares the stress distribution and dynamic response under different conditions， and expounds the causes of failure. Finally， it summarized problems existing in spring bar installation construction technology and failure research work deficiency， so as to provide reference for the design study and maintenance and installation of the spring bar fastener.

關鍵詞：高速鐵路；彈條扣件；扣壓力；失效

Key words： high-speed railway；spring bar fastener；buckle pressure；failure

中圖分類號：U213.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）23-0242-02

0 引言

高速鐵路扣件系統是軌道上用來聯結鋼軌和軌枕或者其他類型軌下基礎的部件。其主要作用是將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距，阻止鋼軌相對于軌枕的縱向以及橫向位移，并且還為軌道整體結構提供了一定的絕緣性能。彈條是高速鐵路扣件系統重要的組成部分之一，為扣件系統提供彈性與扣壓力，因此彈條失效的分析對扣件系統的正常使用以及列車行車安全十分重要。

當前國內對于彈條失效原因的分析主要集中在以下幾個方面：

1 設計加工階段的內部因素

1.1 彈條加工工藝流程不合標準

彈條常用的加工工藝為原材料驗證→剪切→加熱→成型→余熱淬火→回火→檢驗→包裝。目前可以通過對失效彈條斷口的宏觀和微觀分析，金相檢測，硬度檢測，SEM和EDS檢測等方法，得到彈條斷裂失效的材質方面的原因。王文秀等[1]在彈條斷口用電子顯微鏡觀察發現其中部分區域存在銹蝕現象，表面缺陷區存在比較嚴重的二次裂紋等疲勞破壞特征。裂紋首尾端及中間有黑色氧化物，存在材料缺陷，而表面脫碳層的存在導致組織材料差異，降低了彈條的疲勞性能。郭和平等[2]通過對60Si2MnA彈條斷口附近金相檢測，發現彈條的表面不平整，存在許多溝槽，而且溝槽內有氧化物。這些存在缺陷的局部地區會降低材料的強度，往往成為裂紋的起源區域。劉惠敏等[3]通過對不同編號的60Si2CrA彈條進行SEM分析，探究其失效原因。掃描電鏡的觀察結果顯示：失效彈條斷口是典型的疲勞破壞。對斷口的銹蝕區和非銹蝕區分別進行EDS分析對比，發現銹蝕區氧化物含有雜質元素N，Ca以及腐蝕元素Cl，S，而在溫度，濕度等環境因素的作用下，腐蝕元素與彈條內部較大尺寸的非金屬雜質在危險區域富集，逐漸從彈條表面脫落，形成麻點和麻面。這些表面不平整的區域在荷載的反復作用下，出現應力集中，繼而變成裂紋的污染源，裂紋不斷發展擴大，最終導致彈條斷裂。

2 使用階段的外部因素

2.1 彈條扣件在安裝過程中操作不當

有螺栓式扣件在安裝時通過對錨固螺栓不斷施加預緊力壓緊彈條使其發生形變，從而彈條對鋼軌施加扣壓力。但在安裝施工中由于存在螺栓過擰或者未擰緊的情況，導致預緊力過大或者不足，從而對彈條的正常使用造成不利影響。余自若等[4]建立了包含彈條，錨固螺栓，鐵墊板，軌距擋板在內的整體計算模型，分析了在不同扣壓力作用下X2型彈條的疲勞壽命及破壞位置。模型計算結果表明，彈條在正常安裝狀態下，其后端圓弧區域及起彎點附近區域應力較大，在扣壓力稍大的過擰安裝狀態下，其應力分布情況與正常安裝時差別不大，而在扣壓力增大接近一倍的過擰安裝狀態下，彈條的高應力分布區域增多，除在后端圓弧區域外，彈條的中前端下顎及與錨固螺栓接觸的區域也發生了較大應力，但最大應力的位置沒有改變。在不同大小扣壓力作用下，彈條的疲勞性能也有差別。彈條高應力區域即危險點的疲勞壽命大致隨著扣壓力的增加而降低，而彈條內肢靠近鐵墊板彎折處的局部區域疲勞壽命有明顯的降低，原因是這個區域是彈條與鐵墊板的接觸位置，由于錨固螺栓過擰，產生了應力集中。李中等[5]考慮到Vossloh300-1型扣件系統安裝過程中可能出現的螺栓松動和彈條偏轉兩種工況，分析總結了其對SKL15型彈條扣壓力的影響。在未達到標準安裝位置時，扣壓力，彈條彈程與螺栓頂部應力趨近于線性關系，螺栓的松動導致了扣壓力不足。彈條偏轉除了會導致扣壓力不足以外，還會增加錨固螺栓的應力，同時造成劇烈的波動，造成彈條與螺栓接觸不穩定。在彈條與螺栓接觸面上的局部應力過大和波動最終降低了彈條的疲勞性能。

2.2 鋼軌波磨

鋼軌波磨是指鋼軌頂面出現的不均勻，波浪狀的磨耗，其實質為波浪形壓潰，是常見的鋼軌病害。鋼軌出現波磨后，鋼軌表面的不平順造成列車輪對垂向振動荷載加大，從而導致扣件系統受到的作用力增大，加劇了彈條的失效破壞。朱勝陽等[6]采用車輛—軌道耦合動力學理論對Vossloh型扣件彈條振動特性進行分析，對比了考慮鋼軌波磨和不考慮鋼軌波磨的兩種動力激勵方式，計算結果表明：考慮鋼軌波磨時，彈條的振動加速度與不考慮鋼軌波磨相比增大接近10倍，但是彈條振動的位移幅值變化較小，揭示了當高速列車在出現波磨病害的鋼軌上運行時，彈條的振動會加劇，最終導致彈條較快地失效破壞。尚紅霞等[7]應用非線性接觸理論，探究了鋼軌波磨對彈條最大等效應力的影響。通過將實測的波磨進行不同倍數的放大，計算得到不同波磨工況下彈條危險區域處最大等效應力的數值，對比結果得知彈條危險區域的最大等效應力及應變隨著實測波磨的放大而成比例的增加，證明鋼軌的波磨對彈條的疲勞性能有不利影響。姜子清等[8]通過現場測試等方法對高速鐵路波磨對軌道結構動力響應進行研究，測量結果顯示：鋼軌波磨區域和無波磨區域的輪軌水平力大致相同，另外隨著列車的運行速度的提高，軌道波磨區域的最大輪軌垂直力的數值也隨之增大。由于鋼軌波磨區域軌道結構的振動加速度與輪軌垂直力特定頻率振動分量有相同的頻率成分，導致該區段鋼軌，軌道板以及其他聯結部件的振動加劇，縮短彈條的使用壽命。

2.3 軌道線路不平順

軌道不平順是指軌道幾何形狀、尺寸和空間位置的偏差。按照列車車輛激擾作用的方向可分為垂向不平順，水平不平順和復合不平順；按不平順的波長可以分為短波、中波、長波等。宋榮榮等[9]研究了軌道不平順與列車輪對縱向振動的關系。通過仿真分析得出結論：只存在單一的軌道水平不平順或者垂向不平順是無法引起輪對縱向振動的，輪對的縱向共振是軌道水平不平順和垂向不平順共同作用引起的，長期處于這種狀態下，鋼軌的磨耗會增加，彈條的彈性會降低。付青云等[10]研究分析了在鋼軌焊接區域不平順的激擾作用下，輪軌系統動力學響應規律。輸入實測的焊接區域不平順激擾，對比計算在焊接接頭打磨前后，列車車輛不同運行速度下輪軌垂向力的大小。根據結果發現列車的輪軌垂向力的大小隨著列車運行速度的增加而增大，在對焊接接頭區域進行打磨之后，輪軌垂向力響應比未打磨之前有明顯的減小，進一步證明了軌道線路不平順對鋼軌的使用壽命和彈條疲勞性能具有不利的影響。

2.4 微動磨損

微動是發生在兩個接觸表面之間幅值極小的反復相對運動，通常為微米級。微動磨損雖然相對運動的幅度極小，但是也會造成接觸表面的磨損和材料的損傷。微動磨損廣泛的存在于現代工業各個領域，例如螺紋連接件間、鉚連接件間，各種過盈配合，軌道結構緊固系統等。伍曾等[11]通過對II型彈條扣件斷裂原因分析發現，微動磨損對彈條的彈性降低、裂紋生成、擴展以及彈條的斷裂均有影響。在彈條受力時，尾部與軌距擋板表面之間的微動會引發裂紋，這些裂紋成為污染源，交變應力作用下，最終導致彈條斷裂。另外，彈條自身受到的荷載越小，微動磨損對彈條疲勞壽命的影響越大。

此外，伍曾等[12]在WJ-7型彈條的室溫蠕變試驗中發現，在不受列車荷載和溫度作用時，彈條的蠕變現象會造成自身扣壓力減小10%以上，因此在工程中不應忽視蠕變對扣件扣壓力的損失。張志遠等[13]討論了WJ-7B型扣件錨固螺栓松動原因，并提出了在設計、施工和運營方面防止錨固螺栓松動對策，保證扣件彈條的正常工作。

3 結語

①通過對多種型號失效彈條進行斷口宏觀微觀分析與化學檢測，發現國內使用的彈條扣件或多或少地存在設計思想落后、表面質量差、材質潔凈度不高等問題，需要對彈條的加工工藝進行改進。

②有螺栓彈條扣件在施工安裝過程中出現的過擰或者預緊力不足的問題會對彈條正常使用產生不利影響，但是目前廣泛使用傳統的依靠經驗的擰緊方法，造成的擰緊偏差較大，因此要盡早開發并普及精度較高的擰緊方法。

③彈條扣件的仿真模擬計算大多集中于靜力方面，對彈條動態響應的較少，且大都將彈條獨立出來研究應力分布和疲勞破壞，而由于彈條在系統內的接觸較多，受力比較復雜，因此會造成模擬計算結果的準確度出現偏差。今后應當建立包含鋼軌、鐵墊板，軌下膠墊等在內整體扣件系統有限元模型。

參考文獻：

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[13]張志遠.WJ-7B型扣件錨固螺栓松動原因及防松對策[J].上海鐵道科技，2014（1）：50-52.