60Si2Mn材质弹条疲劳断裂原因分析

陈培哲(广州地铁集团有限公司,510030,广州∥助理工程师)



60Si2Mn材质弹条疲劳断裂原因分析

陈培哲
(广州地铁集团有限公司,510030,广州∥助理工程师)

摘 要通过对城市轨道交通钢轨扣件中60Si2Mn弹条在现场实际使用过程中发生断裂现象的理论定性和有限元定量分析研究,确定了影响弹条断裂的原因。通过研究60Si2Mn弹条在钢轨扣件中的受力情况可知,其最大等效应力集中点与弹条现场使用实际破坏点相吻合,这是弹条断裂的主要原因之一,而弹条长期处于强度极限条件下工作,最终发生疲劳破坏,为弹条断裂的根本原因。经过现场对比试验,提出了相应的优化措施和60Si2Mn弹条在设计和维修养护过程中应把控的关键点。

关键词钢轨扣件;60Si2Mn弹条;疲劳断裂;有限元模型分析

Author’s address Guangzhou Metro Group Ltd.,510030, Guangzhou,China

60Si2Mn材质弹条是目前国内城市轨道交通线路钢轨扣件中常用的弹条类型之一。其主要弹条型号有PR型、Ⅰ型和Ⅲ型弹条等。在轨道上弹条的作用是将钢轨固定在轨枕或承轨台上,以保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动。钢轨扣件中的弹条在列车通过时受力状态比较复杂,在实际工况下容易发生疲劳断裂而影响轨道部件在正常运行条件下的安全性。所以,有必要对影响60Si2Mn材质弹条断裂的原因进行分析,这对弹条的设计、选用和安装具有现实的指导意义和参考价值。本文是基于某市城市轨道交通线路中的弹条断裂问题,分析其发生的原因。

1　弹条断裂定性分析

为全面掌握弹条断裂的情况和分布规律,笔者对某城轨道交通线出现弹条断裂现象建立了相关技术台账,并以Ⅲ型弹条为例,从发生弹条断裂的区域、行别、位置、扣件类型、线路类型、行车速度、波磨情况等进行了近两年的详细统计。通过对统计数据的整理,以及对弹条断裂后断口处的分析,对弹条断裂的原因,大致可以从以下几方面进行定性分析。

1.1弹条外观尺寸

弹条的外观尺寸验收是根据GB/T 2829—2002《周期检查计数抽样程序及表》。每批次允许存在一定数量的不满足尺寸要求产品。对发生断裂弹条断口、弹条整体尺寸检查发现,部分断裂弹条在外观尺寸上不符合产品规格要求。但这不应该是弹条断裂的主要原因,此类弹条发生断裂为个别现象。

1.2轨道平面形位

根据两年的详细统计数据,在线路上断裂弹条的位置大多集中在小半径曲线的缓和曲线地段,或者是S型曲线的缓和曲线地段。在该区段弹条断裂数量占总数的比例为64.3%。缓和曲线地段,钢轨外轨超高由0变化到圆曲线超高值,车辆通过时振动较大,轮轨作用下容易对钢轨产生高频振动,造成弹条弹程增大,超过正常工作弹程范围,导致弹条出现应力集中现象而发生断裂。但缓和曲线地段钢轨外轨超高的变化为弹条断裂的诱因,并非主要原因。

1.3弹条安装位置

弹条在安装状态下,随着弹条中肢插入铁垫板插孔长度的增加,同一弹程下的扣压力变化较微小,但是弹条本身受力的大小和薄弱位置均在发生变化。弹条中肢插入铁垫板孔的长度正常为69～74 mm,当插入长度大于74 mm时,弹条中肢根部受到的最大等效应力、最大拉应力和剪切应力和接触压力均大幅增加。同时,弹条后端圆弧处的最大等效应力由外侧圆角转移到内侧圆角处,弹条中肢与铁垫板间的接触分布由线接触转为点接触,由于挤压和扭转剪力的作用,在弹条后端圆弧表层处发生局部应力集中,并且达到材料的破坏极限,使得弹条后端表层裂纹萌生。此为弹条发生断裂的主要原因。

1.4弹条弹程

Ⅲ型弹条安装弹程为11 mm,在列车荷载下,弹条动程产生变化,会对弹条最大等效应力产生一定影响。当最大等效应力接近或大于60Si2Mn材质的屈服极限1 200 MPa和强度极限1 300 MPa时,弹条本身的疲劳使用寿命将大幅度减少,再加上地铁行车间距短、频率高等特点,明显加剧了弹条的振动次数,其点接触导致的接触应力频次增加即会加速弹条的疲劳损伤。此为弹条发生断裂的根本原因。

1.5其他因素

本统计研究线路为普通长轨枕埋入式整体道床,行车最高速度为90 km/h,发生Ⅲ型弹条断裂地段的行车速度为10～90 km/h;钢轨波磨的波深幅值为0.01～0.08 mm,均无超限,且无明显规律。因此,基本排除其他因素对弹条断裂的影响。

2　弹条断裂建模计算

通过对弹条断裂原因的定性分析,确定影响弹条发生断裂的主要原因为弹条安装位置,而根本原因则是弹条弹程超限。为了进一步更真实地验证这一分析结果,建立钢轨扣件的有限元模型,对Ⅲ型弹条的受力进行定量分析。

2.1Ⅲ型弹条扣件有限元模型

钢轨扣件的组成包括弹条、铁垫板和轨距挡块等。简化后扣件的所有部件使用实体单元模拟,模型中共划分了75 659个实体单元和78 106个节点。

在弹条与铁垫板和轨距挡板之间建立接触对,如图1所示。在此不考虑轨枕对扣件静态的影响,故将铁垫板的底部进行全约束;在轨距挡块的底部施加垂向的位移荷载。接触对间的摩擦系数均为0.3。

2.2最大等效应力位置

Ⅲ型弹条安装后,静态情况下弹条弹程h达到11 mm,且弹条中肢插入铁垫板孔为正常长度(69～74 mm)。在弹条中肢与铁垫板间的接触未出现点接触情况下,弹条建模后等效应力如图2、图3所示。

图1　弹条与铁垫板和轨距挡块之间的接触对

图2　最大剪切应力云图(h=11 mm)

图3　第一主应力云图(h=11 mm)

2.3弹条安装位置超限

Ⅲ型弹条安装时中肢插入铁垫板孔的长度会发生变化,当插入长度L大于74 mm时,弹条中肢根部受到的最大等效应力、最大拉应力和剪切应力和接触压力均大幅增加,弹条建模后,应力变化如图4所示。

2.4弹条弹程超限

Ⅲ型弹条安装后,当弹条h在11～16 mm、弹条中肢插入铁垫板孔长度在69～75 mm时,弹条材质达到材料的屈服极限;但是当h超过16 mm或弹条中肢插入铁垫板孔深度大于75 mm时,弹条的最大等效应力超过材料的强度极限,在列车运行的频繁荷载下,容易引起弹条提前达到疲劳极限,从而发生疲劳破坏,如图5、图6所示。实际弹条破坏实景如图7所示。说明模拟分析结果与现场实际破坏结果相吻合。

图4　插入长度对弹条最大等效应力的影响云图(h=11 mm)

图5　弹条弹程对等效应力的影响

图6　弹程超限数值计算危险区域

图7　现场弹条破坏实景图

3　结语

针对60Si2Mn材质弹条在实际使用过程中发生的断裂现象,通过对弹条断裂的定性分析和扣件有限元建模定量分析,研究60Si2Mn材质弹条在整个钢轨扣件中的受力情况。结果表明,其最大等效应力集中点与弹条现场使用实际破坏点吻合,为弹条断裂的主要原因。而通过模拟弹条在正常使用条件下,弹条弹肢的弹程变化,从而计算出等效应力,再对比60Si2Mn材质弹条的应力参数,可确定弹条长期处于强度极限条件下工作,而最终导至疲劳破坏,为弹条断裂的根本原因。现从行车安全和轨道联接零件使用寿命角度考虑,提出以下相关缓解措施。

(1)在保证钢轨扣件功能的正常使用前提下,可以通过设计降低60Si2Mn材质弹条的安装弹程,使弹条最大等效应力不超出强度极限范围,使弹条使用处于有利的工作状态。

(2)通过现场试验和数据验算,在满足弹条正常使用扣压力的前提下,研究降低轨下胶垫厚度或降低轨距块扣压点厚度等方法,以有效调整弹条弹程范围,缓解弹条动态受力情况。

(3)在日常养护维修过程中,严格把控弹条现场安装质量,确保弹条中肢插入铁垫板插孔长度,避免弹条中肢与铁垫板间的接触出现点接触现象。

(4)建立长期的数据跟踪制度,摸索60Si2Mn材质弹条在不同轨道平面形位的振动变化特性,用于指导新线线路联接零件设备选型,避免出现类似弹条断裂现象。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.周期检查计数抽样程序及表:GB/T 2829—2002[S].北京:中国标准出版社,2002:339-350.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.弹簧钢:GB/T 1222—2007[S].北京:中国标准出版社,2007:1-16.

[3] 肖飞,王平,陈小平.单趾弹簧扣件的弹簧强度分析[J].铁道建筑,2010(4):81.

[4] 中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.地铁设计规范:GB 50157—2003[S].北京:中国建筑出版社:2013:45-52.

[5] 西南交通大学牵引动力国家重点实验室.轨道弹条断裂计算分析报告[R].广州:西南交通大学牵引动力国家重点实验室,2013.

[6] 李伟强.城市轨道交通中单趾弹条扣件的弹条强度分析[J].交通科技,2012(2):80.

[7] 韩志强.弹条扣件的发展及高速铁路的扣件选择[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

中图分类号U213.5+3