尖軌斷裂監(jiān)測(cè)仿真與試驗(yàn)分析

陳 強(qiáng)，王大志，張?zhí)熨x，陳玉亮，馬 韜

（大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

0 引言

尖軌是引導(dǎo)列車(chē)進(jìn)入預(yù)定開(kāi)行方向的關(guān)鍵，僅受到滑床板承托、根端固定和有限的牽引鎖閉約束，加之道岔區(qū)固有不平順、豎向和橫向剛度變化大等特點(diǎn)，當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)會(huì)承受較大的沖擊，往往成為軌道的薄弱環(huán)節(jié)[1-2]。尖軌在疲勞載荷下可能誘發(fā)原始傷損、核傷或接觸疲勞裂紋擴(kuò)展甚至斷軌，如未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將嚴(yán)重危及列車(chē)安全。鐵路方面現(xiàn)行的軌道傷損檢測(cè)設(shè)備主要是大型軌檢車(chē)和便攜式軌檢車(chē)，其采用超聲技術(shù)對(duì)鋼軌進(jìn)行裂紋等缺陷的探測(cè)。由于特殊結(jié)構(gòu)限制，現(xiàn)有的超聲檢測(cè)設(shè)備存在軌底盲區(qū)，且尖軌的漸變截面特點(diǎn)與基本軌不同，使得儀器設(shè)備偏離探傷區(qū)域容易產(chǎn)生傷損漏檢。根據(jù)規(guī)定，尖軌定期探傷使用儀器探測(cè)與手工探測(cè)相結(jié)合的方式，只有軌頂寬度大于50 mm 的部分要求使用儀器[3]。目前針對(duì)尖軌通常采用手工方式進(jìn)行檢測(cè)，即周期性的人工“看敲照”巡查[4]并配合便攜檢測(cè)設(shè)備，存在經(jīng)驗(yàn)主導(dǎo)、時(shí)效性差和可靠性低等問(wèn)題，因此，研究實(shí)時(shí)的尖軌斷裂監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)保障道岔區(qū)安全意義重大。

本文為探究便捷可靠的尖軌斷裂監(jiān)測(cè)方法，仿真分析了尖軌在輪載和轉(zhuǎn)換動(dòng)作下的力學(xué)特征，研究與尖軌斷裂密切相關(guān)的縱向應(yīng)力和變形規(guī)律，并對(duì)比了尖軌各部位有無(wú)裂紋時(shí)的差異，提出了使用長(zhǎng)尺寸裂紋擴(kuò)展計(jì)進(jìn)行尖軌隨機(jī)位置斷裂的監(jiān)測(cè)方案，最后通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 尖軌的有限元仿真

1.1 尖軌輪載

使用Abaqus 軟件建立圖1所示的由車(chē)輪、6跨長(zhǎng)度AT直尖軌和滑床板組成的輪載模型，均定義為線彈性材料，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3。設(shè)置一端固定模擬尖軌根端約束，設(shè)置非工作邊零位移模擬尖軌貼靠，在豎向建立滑床板與地的彈簧約束，剛度取100 kN/mm。模型整體設(shè)置為減縮積分單元（C3D8R），并在接觸區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格，輪軌間設(shè)置有摩擦的硬接觸，參考軸重設(shè)定靜輪載大小為85 kN，以耦合方式通過(guò)車(chē)輪作用于尖軌，考察不同輪載位置下尖軌各部位縱向應(yīng)力和變形，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖1 尖軌輪載模型

圖2 滑床板上輪載的尖軌仿真

圖3 滑床板間輪載的尖軌仿真

尖軌輪載仿真結(jié)果表明：輪載位置差異的影響較小，在輪載作用點(diǎn)前后各一跨內(nèi)尖軌呈上壓下拉的應(yīng)力狀態(tài)，且在輪載作用點(diǎn)附近應(yīng)力峰更明顯，對(duì)應(yīng)的軌頭和軌底縱向變形達(dá)到極值，但在數(shù)值最大的軌頭處僅約90 μm。輪載作用點(diǎn)前后各一跨之外的尖軌逐漸過(guò)渡為上拉下壓應(yīng)力狀態(tài)，累積的縱向變形逐漸減小，而軌腰在全長(zhǎng)范圍內(nèi)縱向應(yīng)力和變形均趨于零值，因此，斷裂分析的重點(diǎn)應(yīng)放在載荷作用點(diǎn)附近。

1.2 預(yù)制裂紋尖軌輪載

常見(jiàn)的尖軌斷裂起源有軌頭橫裂紋、軌頭核傷裂紋、軌腰橫裂紋、軌底角裂紋、軌底核傷裂紋，為此在Abaqus中向輪載模型中裝配基于擴(kuò)展有限元的各類(lèi)型裂紋，設(shè)置基于最大主應(yīng)力的破壞準(zhǔn)則和基于位移的損傷演化，以尖軌材料抗拉強(qiáng)度880 MPa 作為最大主應(yīng)力賦予斷裂參數(shù)，提交并完成分析。

圖4 輪載下預(yù)制裂紋尖軌軌底角的力學(xué)特征

圖5 輪載下預(yù)制裂紋尖軌軌底中心的力學(xué)特征

由于區(qū)域壓應(yīng)力或低應(yīng)力的影響，軌頭或軌腰處預(yù)制裂紋的尖軌與健康尖軌在各考察部位力學(xué)特征基本一致（故未重復(fù)列出），而根據(jù)圖4 和圖5 所示的仿真結(jié)果，在輪載下預(yù)制了軌底角裂紋或軌底核傷裂紋的尖軌軌底會(huì)出現(xiàn)局部的應(yīng)力釋放和縱向變形不連續(xù)，但整體應(yīng)力水平和縱向變形與健康尖軌基本一致，其他位置預(yù)制裂紋不影響尖軌軌底整體應(yīng)力和變形。

1.3 尖軌轉(zhuǎn)換

使用Abaqus軟件建立18號(hào)直尖軌模型，斷裂參數(shù)與預(yù)制裂紋尖軌輪載仿真相同，在尖軌根端施加固定約束，在3個(gè)牽引點(diǎn)位置作用斥離轉(zhuǎn)換位移，重點(diǎn)考察軌底角有無(wú)預(yù)制裂紋時(shí)尖軌全長(zhǎng)的縱向應(yīng)力和變形，結(jié)果如圖6所示。

圖6 尖軌轉(zhuǎn)換動(dòng)作仿真

仿真結(jié)果表明，尖軌斥離動(dòng)作下非工作邊受拉應(yīng)力而工作邊受壓應(yīng)力，但尖軌全長(zhǎng)范圍內(nèi)引起的兩側(cè)軌底角縱向應(yīng)力水平較低，最大值僅約20 MPa，全長(zhǎng)范圍的尖軌軌底角縱向變形量十分微小，僅約1.5 mm。當(dāng)在尖軌第3 牽引點(diǎn)附近非工作邊軌底角預(yù)制一定深度的橫向裂紋時(shí)，僅在拉應(yīng)力側(cè)裂紋處出現(xiàn)局部應(yīng)力釋放，而整體縱向應(yīng)力和變形與健康尖軌轉(zhuǎn)換動(dòng)作下仿真結(jié)果一致。

綜合輪載和轉(zhuǎn)換分析，與尖軌斷裂密切相關(guān)的橫向裂紋并不影響尖軌整體應(yīng)力和變形，僅當(dāng)裂紋處于拉應(yīng)力時(shí)才出現(xiàn)局部的應(yīng)力釋放和縱向變形不連續(xù)。考慮到斷裂位置的隨機(jī)性，尖軌整體縱向應(yīng)力與變形不能作為斷裂監(jiān)測(cè)指標(biāo)，但裂紋擴(kuò)展演化可以作為斷裂傷損的重要識(shí)別特征。

2 裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)仿真與試驗(yàn)

裂紋擴(kuò)展計(jì)是斷裂力學(xué)中常用于檢測(cè)裂紋擴(kuò)展的傳感器，使用COMSOL 軟件建立裂紋擴(kuò)展計(jì)模型模擬金屬柵斷裂過(guò)程得到圖7 所示的傳感信號(hào)，可清晰反映結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展過(guò)程。然而常規(guī)裂紋擴(kuò)展計(jì)尺寸較小，主要用于已知裂紋位置或局部區(qū)域的裂紋擴(kuò)展與斷裂試驗(yàn)，考慮到尖軌斷裂位置在較大范圍內(nèi)的隨機(jī)性，本文提出使用長(zhǎng)尺寸裂紋擴(kuò)展計(jì)進(jìn)行尖軌裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)。為了討論該方案的可行性，對(duì)此進(jìn)行建模仿真和試驗(yàn)分析。

圖7 裂紋擴(kuò)展計(jì)的傳感信號(hào)

2.1 模型建立

使用Abaqus 軟件建立圖8 所示的由待測(cè)結(jié)構(gòu)、瞬干膠黏劑和裂紋擴(kuò)展計(jì)的主要部分（即有機(jī)絕緣層、熱固膠粘層和敏感金屬層）組成的裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)模型。在待測(cè)結(jié)構(gòu)中部側(cè)邊預(yù)制裂紋，按照表1 為模型各層結(jié)構(gòu)賦予材料屬性，將膠粘層設(shè)置為cohesive 單元并定義基于最大正應(yīng)力的破壞準(zhǔn)則，將其他層設(shè)置為3D應(yīng)力單元并定義基于最大主應(yīng)力的破壞準(zhǔn)則，各層均定義基于位移的損傷演化規(guī)律，各層間施加綁定約束。

圖8 結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)模型

表1 結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)模型材料參數(shù)

2.2 應(yīng)變傳遞

固定待測(cè)結(jié)構(gòu)一端，另一端施加面載荷，仿真得到預(yù)制裂紋側(cè)各層應(yīng)變?nèi)鐖D9 所示。結(jié)構(gòu)裂紋監(jiān)測(cè)的應(yīng)變傳遞仿真結(jié)果表明：靠近裂紋擴(kuò)展計(jì)邊緣存在不足2 mm 應(yīng)變過(guò)渡區(qū)，而其他區(qū)域各層應(yīng)變一致。當(dāng)待測(cè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋傷損時(shí)，由于非邊緣區(qū)域應(yīng)變的完全匹配，拉應(yīng)力條件下裂縫的張開(kāi)會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展計(jì)各層在裂紋傷損位置形成明顯的應(yīng)變峰，且越靠近待測(cè)結(jié)構(gòu)層，應(yīng)變峰值越高。

圖9 裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)模型的應(yīng)變傳遞

2.3 監(jiān)測(cè)仿真

為進(jìn)一步探索結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)的細(xì)節(jié)，對(duì)監(jiān)測(cè)仿真模型進(jìn)行裂紋擴(kuò)展分析，具體操作模擬3 點(diǎn)彎曲裂紋擴(kuò)展，即定義待測(cè)結(jié)構(gòu)兩端位移約束但保留轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在預(yù)制裂紋的對(duì)側(cè)施加位移載荷直至裂紋擴(kuò)展計(jì)金屬層出現(xiàn)一段的開(kāi)裂。

圖10 裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)仿真模型各層應(yīng)力和傷損

裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)仿真模型各層結(jié)果如圖10所示，位移載荷下待測(cè)結(jié)構(gòu)預(yù)制裂紋的裂縫區(qū)域局部應(yīng)力釋放而裂尖呈應(yīng)力集中狀態(tài)，且裂紋隨位移載荷的增加持續(xù)擴(kuò)展。結(jié)合裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)仿真的應(yīng)變傳遞特點(diǎn)，位移載荷下裂紋擴(kuò)展計(jì)各層在待測(cè)結(jié)構(gòu)裂紋處將產(chǎn)生明顯的應(yīng)變峰，但由于彈性模量差異，膠粘層和絕緣層的應(yīng)力水平較低，而敏感金屬層應(yīng)力水平較高，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到斷裂傷損閾值時(shí)敏感金屬層即出現(xiàn)裂紋，并隨待測(cè)結(jié)構(gòu)裂紋的擴(kuò)展而擴(kuò)展。參考仿真結(jié)果和仿真模型網(wǎng)格密度可知，敏感金屬層比待測(cè)結(jié)構(gòu)斷裂超前0.25～0.75 mm，與某型商業(yè)裂紋擴(kuò)展計(jì)斷裂滯后（超前）小于或等于0.5 mm的指標(biāo)基本相當(dāng)；此外，根據(jù)圖中瞬干膠粘層剛度退化區(qū)域可知，裂紋擴(kuò)展引起附近的瞬干膠層失效寬度僅2～3 mm，表明粘貼了裂紋擴(kuò)展計(jì)的待測(cè)結(jié)構(gòu)區(qū)域任意位置出現(xiàn)的裂紋均可反映到敏感金屬層，初步論證使用長(zhǎng)尺寸裂紋擴(kuò)展計(jì)進(jìn)行長(zhǎng)尖軌斷裂監(jiān)測(cè)的有效性。

2.4 監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

鑒于尖軌斷裂常源于疲勞載荷下的裂紋擴(kuò)展，參考GB/T 6398-2017 從尖軌取得SEN B3 試件用于疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)并監(jiān)測(cè)其演化過(guò)程。試件材料為U71Mn，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值為2.2 MPa·m1/2，斷裂韌度為47 MPa·m1/2，以線切割方式沿試件橫向加工直通型缺口作為預(yù)制裂紋起點(diǎn)。設(shè)計(jì)制作長(zhǎng)尺寸裂紋擴(kuò)展計(jì)樣品，保持敏感柵垂直于裂紋線粘貼于標(biāo)準(zhǔn)試件預(yù)制裂紋起點(diǎn)附近。疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)在圖11（a）所示的MTS Landmark 370.25 kN 液壓伺服疲勞測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，軸向施加最大載荷為50 kN，載荷比R=0.1，試驗(yàn)頻率f=10 Hz。裂紋擴(kuò)展傳感信號(hào)通過(guò)Avago（Agilent）34401A六位半精密數(shù)字萬(wàn)用表搭配測(cè)試軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，測(cè)試結(jié)果如圖11（b）所示。

圖11 疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果顯示：裂紋擴(kuò)展計(jì)輸出的傳感信號(hào)隨疲勞載荷頻次增加呈階躍變化，該結(jié)果與COMSOL軟件仿真裂紋擴(kuò)展計(jì)工作的傳感信號(hào)一致，表明設(shè)計(jì)制作的裂紋擴(kuò)展計(jì)的金屬柵能夠隨試件疲勞裂紋擴(kuò)展而逐根斷裂。此外，試件裂紋位置瞬干膠層破壞區(qū)域?qū)挾燃s3 mm，其他區(qū)域仍粘貼可靠，與仿真結(jié)果一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前尖軌斷裂傷損檢測(cè)手段的不足，運(yùn)用有限元方法進(jìn)行預(yù)制裂紋尖軌的輪載和轉(zhuǎn)換仿真，鑒于尖軌預(yù)制裂紋不影響整體應(yīng)力和變形但存在裂縫應(yīng)力釋放和裂尖應(yīng)力集中的典型特征，提出使用長(zhǎng)尺寸裂紋擴(kuò)展計(jì)進(jìn)行尖軌隨機(jī)位置斷裂監(jiān)測(cè)的方案，通過(guò)有限元仿真和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展計(jì)裂紋與結(jié)構(gòu)裂紋同步性較好，裂紋區(qū)膠層失效區(qū)域較小，滿足尖軌斷裂監(jiān)測(cè)需要，驗(yàn)證了所提方案的可行性。