高速铁路用W1型弹条力学性能仿真测试

杨志超，朱萍玉，杨世峰，朱　金，朱茂栋

（1.广州大学机械与电气工程学院，广东 广州 510006；2.广州南方测绘仪器有限公司，广东 广州 510665）

高速铁路用W1型弹条力学性能仿真测试

杨志超1，朱萍玉1，杨世峰2，朱金2，朱茂栋2

（1.广州大学机械与电气工程学院，广东 广州 510006；2.广州南方测绘仪器有限公司，广东 广州 510665）

针对高速铁路用W1型弹条的力学性能，采用逆向工程及CAE技术，对W1型弹条处于静载荷下的力学性能进行仿真。首先由三坐标测量机获取W1型弹条三维数据，沿弹条路径方向由3点构建与路径方向垂直的截面圆，进而连接系列圆心获得弹条中心线，完成弹条的几何逆向建模；然后运用Ansys Workbench仿真测试多组螺栓预紧力工况下，W1型弹条的力学性能。得到如下结论：仿真测试得到最优螺栓预紧力为14kN，此时扣压力10.2kN，符合技术规范。该预紧力产生的最大应力为1313MPa，小于弹条的屈服强度1600MPa，且盈余量充足，有利于弹条长期稳定服役。但弹条的尾肢中部内侧为高应力集中区域，成为裂纹萌生扩展的敏感部位。

W1型弹条；逆向工程；力学性能；仿真测试

0　引　言

钢轨由弹性扣件固定在轨枕上，而弹性扣件通过弹条的弯曲和扭曲变形施加给钢轨扣压力，长期保持着钢轨与轨枕间的联结。弹条的主要作用是保持轨距和减振。同时，由于列车通过时对弹条频繁施加极高的瞬态冲击载荷，可能导致弹条失效，因而对弹条性能要求非常严格［1］。目前，朱胜阳等［2］以我国部分铁路采用的Vossloh扣件弹条为分析对象，使用有限元软件，在非线性接触理论与车辆-轨道耦合动力学理论的基础上进行动态仿真，得到弹条在正常工作状态下的螺栓预紧力和弹程数值，且通过比较钢轨添加波磨与否的情况，得出在钢轨波磨情况下，弹条加速度提高，促进弹条振动，增进弹条疲劳损伤速度的结论。余自若等［3］针对桥梁隧道用的X2型弹条，研究弹条在不同扣压力作用下的静力及疲劳性能，获得了不同扣压力的应力特征和疲劳破坏的危险点。Thompson等［4］通过对多种扣件系统进行了动力学试验，测得频率范围位于100～1000Hz之间的纵向和横向刚度，分析得出高频振动状态下扣件系统的响应规律，为扣件系统在高频振动下的动力学性能研究提供参考。Mohammadzadeh等［5］以Vossloh SKL14弹条为分析对象，基于断裂力学研究动载荷下弹条的应力特征及疲劳性能，得出在疲劳寿命内弹条的等效应力范围基本符合正态分布；同时运用疲劳可靠性分析方法，考虑裂纹及动载荷情况下，得出该弹条疲劳寿命。国内外研究主要集中在弹条的疲劳性能方面，即在现有的弹条安装状态下，运用各种手段得到疲劳特性，但就如何确保弹条提供足够的扣压力，达到最长的服役寿命的研究较少。因此研究最优工作参数即预紧力和弹程组合可为弹条长期稳定服役提供保障。

在弹条形状结构、材料、工况载荷等多重因素影响下，其在受力后的应力特征多样。建立实体弹条的三维模型，是对弹条进行力学性能分析的前提，目前国内将大力铺设的W1型弹条以中肢前端下颚触碰到绝缘块为安装标准，现场安装方便，但较为粗略，可能导致螺栓过拧，不利于弹条长期服役。

本文采用逆向工程技术，对W1型弹条进行逆向建模，结合CAE技术，对弹条力学性能进行仿真测试，以寻求最优的弹条预紧力和弹程组合。

1　W1型弹条逆向工程建模

1.1结构分析

W1型弹条由等截面的圆柱体弯曲而成，且为对称结构，如图1（a）所示。建模步骤：1）获取弹条中心曲线的点云；2）通过测得点云拟合系列圆截面，并依次连接截面圆的圆心即能获得中心线；3）运用SOLIDWORKS软件，用一截面圆沿着上述中心线扫描，完成W1型弹条建模。

图1　弹条与三坐标测量机

1.2弹条数据采集

针对W1型弹条的几何结构特点，选择操作简便的便携式三坐标测量机，如图1（b）所示，其笔尖探头既便于测量弹条转角处的点数据，又能满足弹条具有复杂空间中心曲线和整体尺寸较小的特殊要求。

测量前先在弹条上有规则地标点，圆弧过度处密集，平顺处则稀疏，如图2（a）所示，保证测点数据的数量及准确度［6］，再借助三坐标测量机配套软件系统导出包含点云的IGES文件，点云如图2（b）所示。

图2　导出点云

图3　W1弹条模型

1.3W1型弹条建模

借助SOLIDWORKS软件对所测点云进行画圆预处理，采用三点画圆或三点圆弧法，分别将点云中同一截面内的3点拟合为系列圆并确定其圆心，如图3（a）所示。添加所有圆的半径相同的约束，逐次连接所有圆心，即得到弹条的中心曲线。再通过SOLIDWORKS软件扫描及镜像处理，实现W1型弹条几何建模，如图3（b）所示。

2　W1型弹条力学性能仿真测试

2.1建立有限元模型

使用逆向工程建立的弹条模型，仿真测试弹条在工况下的力学行为。如图4所示，蓝色区域A扣压在绝缘块上，简化为与绝缘块绑定约束；紫色区域C与轨距挡板接触，简化为位移约束，红色区域B属于螺纹道钉给垫片的施力面积，此处施加安装预紧力［6］。

图4　弹条边界条件

2.2材料参数

材料参数见表1［7］，弹条应力-应变关系采用理想弹塑性模型。

表1　材料参数

2.3多组预紧力下的扣压力分析

分别进行了预紧力在10～20 kN的6组静力计算，扣压力、最大应力与中肢前端位移的关系如表2所示。

表2　弹条力学行为与预紧力的关系

WJ-8型扣件弹条为典型的ω弹条，其标准安装要求扣压力＞9kN。在现场安装时，以中肢前端下颚触碰到绝缘块15 mm时作为紧固弹条的安装标准。由表看出，14.7 mm的弹程对应15.2 kN的扣压力，远大于9kN扣压力的要求，但此时的最大应力为1876MPa，超过了弹条允许的屈服强度。还可以发现，实际上预紧力从16kN往后，弹条的最大应力都接近或超过了屈服强度，可以判定为螺栓的过拧现象，不利于弹条的长期稳定服役。通过仿真测试，当弹程达到10 mm时，扣压力已达到10.2 kN，满足扣压力＞9kN的要求，此时相应的预紧力为14kN，可作为紧固弹条标准的参考值。

图5　应力云图

图5为预紧力达到14kN时的应力云图，弹条中肢在受到螺栓预紧力后，产生对轮轨的扣压力。由于弹条自身的结构特点，在受到预紧力后易在尾肢中部出现局部应力集中现象。因此，尾肢中部的高应力集中区域为裂纹萌生的敏感部位，并可能引发弹条断裂［8］，如图6所示为断裂弹条。

图6　断裂弹条

图7　尾肢中部截面应力分布规律

图7为尾肢中部截面内查看到的应力，大体由内至外沿半径方向逐步递增，可见高应力集中在内侧表面，由此，进一步证明内侧是裂纹萌生扩展的敏感部位［9］。尾肢裂纹如图8所示。

图8　尾肢裂纹

3　结束语

基于逆向工程对W1型弹条快速建模和弹条力学性能仿真测试分析，并将结果与相关文献对比分析，得到以下结论：

1）本文对具有复杂空间中心曲线的W1型弹条进行逆向建模，该方法适用于同类型具有统一截面圆的零件的逆向建模。

2）W1型弹条的现场安装，以中肢前端下颚接触绝缘块15 mm时弹程为安装标准，易发生螺栓过拧现象，不利于弹条长期稳定服役。而以弹程10 mm安装时，弹条在预紧力为14kN时，扣压力为10.2kN，已满足弹条技术要求，且尾肢中部的最大应力为1313MPa，相比于60Si2MnA的屈服强度为1600MPa，盈余量充足，可提高弹条的使用寿命。

3）根据仿真测试及对比实物弹条的失效部位，认为W1型弹条在正常工况下，尾肢中部内侧是高应力集中区域，为裂纹萌生扩展敏感区域。

［1］许玉德，曾学贵.高速铁路轨道的安全管理［J］.中国安全科学学报，2003，13（1）：42-44.

［2］朱胜阳，蔡成标，尹镪，等.高速铁路扣件弹条动力学分析［J］.工程力学，2013（6）：254-258.

［3］余自若，袁媛，张远庆，等.高速铁路扣件系统弹条疲劳性能研究［J］.铁道学报，2014（7）：90-95.

［4］RYUEA J，THOMPSON D J，WHITE P R，et al.Investigations of propagating wave types in railway tracks athigh frequencies［J］.Journal of Sound and Vibration，2008，315（1-2）：157-175.

［5］MOHAMMADZADEH S，AHADI S，KESHAVARZIAN H. Assessmentoffracturereliabilityanalysisofcrack growthinspringclip type vossloh SKL14［J］.Journal of Risk and Reliability October，2014，228（5）：460-468.

［6］李海，徐海卫.基于3D数模的三坐标测量机曲面检测［J］.中国测试技术，2005（4）：24-26.

［7］王文秀，王振，赵磊，等.高速铁路用SKl15型弹条失效分析［J］.金属热处理，2013（12）：108-112.

［8］郭和平，李彪，李玉生.60Si2MnA弹条断裂分析［J］.失效分析与预防，2011（2）：90-93.

［9］SMUTNY J.Measurement and analysis of dynamic and acousticparametersofrailfastening［J］.NDT&E International，2004（37）：119-129.

（编辑：徐柳）

The mechanics performance simulation testing of W1 fastening clip in high speed railway

YANG Zhichao1，ZHU Pingyu1，YANG Shifeng2，ZHU Jin2，ZHU Maodong2
（1.School of Mechanical and Electric Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Guangzhou Sowth Surveying&Mapping Instrument Co.，Ltd.，Guangzhou 510665，China）

Engineering and CAE simulation technology were employed to test the mechanical properties of W1 fastening clips for rapid transit railway under static loads.First，the threedimensional data of W1 fastening clips were acquired with a three-coordinate measuring machine. That is，cross-section circles perpendicular to the path direction of the clip were created with three points along the path direction of the clip，and furthermore，the centers of these circles were connected to form center lines so as to finish the geometric reverse modeling of the clips. Second，the mechanical performance of W1 fastening clips under the working condition of multigroup bolt pretension were simulated and tested with Ansys Workbench.Conclusions are drawn below：According to simulation，the optimal bolt pretension is 14 kN while the fastening force is 10.2kN，matching the technical specification.The maximum stress produced by the bolt pretension is 1313MPa，smaller than the yield strength of the clip，which is 1 600 MPa，and there are lots of margins，good for long-term stable working services.But the internal side on the central part of the end of the clip is a high stress area，a sensitive part likely to grow and expand cracks.

W1 fastening clip；reverse engineering；mechanics performance；simulation testing

A

1674-5124（2016）05-0131-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.05.027

2015-09-24；

2015-10-22

广东省应用型科技研发专项（2015B010129002）；广州市重点实验室项目（2060402）

杨志超（1991-），男，广东广州市人，硕士研究生，专业方向为机械工程。

朱萍玉（1971-），女，湖北钟祥市人，教授，博士后，主要从事光纤传感技术及应用、机电设备智能维护方面的教学和科研工作。