高速铁路弹条扣件失效研究进展

张景坤++伍曾

摘要：随着高速铁路线路的弹条损坏问题日益突出，对弹条扣件失效破坏原因的研究十分必要。本文将国内众多相关研究文献按照弹条的设计工艺、安装施工、静力计算、动力计算等进行分类，通过对不同材质和型号的弹条进行宏观、微观、静态行为、动态行为分析，对比不同工况下其应力分布及动力响应，并阐述了弹条失效原因。最后，总结了当前弹条安装施工技术存在的问题和失效研究工作的不足，为日后弹条扣件的安装维护和设计研究提供参考。

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.

关键词：高速铁路；弹条扣件；扣压力；失效

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

中图分类号：U213.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）23-0242-02

0 引言

高速铁路扣件系统是轨道上用来联结钢轨和轨枕或者其他类型轨下基础的部件。其主要作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距，阻止钢轨相对于轨枕的纵向以及横向位移，并且还为轨道整体结构提供了一定的绝缘性能。弹条是高速铁路扣件系统重要的组成部分之一，为扣件系统提供弹性与扣压力，因此弹条失效的分析对扣件系统的正常使用以及列车行车安全十分重要。

当前国内对于弹条失效原因的分析主要集中在以下几个方面：

1 设计加工阶段的内部因素

1.1 弹条加工工艺流程不合标准

弹条常用的加工工艺为原材料验证→剪切→加热→成型→余热淬火→回火→检验→包装。目前可以通过对失效弹条断口的宏觀和微观分析，金相检测，硬度检测，SEM和EDS检测等方法，得到弹条断裂失效的材质方面的原因。王文秀等[1]在弹条断口用电子显微镜观察发现其中部分区域存在锈蚀现象，表面缺陷区存在比较严重的二次裂纹等疲劳破坏特征。裂纹首尾端及中间有黑色氧化物，存在材料缺陷，而表面脱碳层的存在导致组织材料差异，降低了弹条的疲劳性能。郭和平等[2]通过对60Si2MnA弹条断口附近金相检测，发现弹条的表面不平整，存在许多沟槽，而且沟槽内有氧化物。这些存在缺陷的局部地区会降低材料的强度，往往成为裂纹的起源区域。刘惠敏等[3]通过对不同编号的60Si2CrA弹条进行SEM分析，探究其失效原因。扫描电镜的观察结果显示：失效弹条断口是典型的疲劳破坏。对断口的锈蚀区和非锈蚀区分别进行EDS分析对比，发现锈蚀区氧化物含有杂质元素N，Ca以及腐蚀元素Cl，S，而在温度，湿度等环境因素的作用下，腐蚀元素与弹条内部较大尺寸的非金属杂质在危险区域富集，逐渐从弹条表面脱落，形成麻点和麻面。这些表面不平整的区域在荷载的反复作用下，出现应力集中，继而变成裂纹的污染源，裂纹不断发展扩大，最终导致弹条断裂。

2 使用阶段的外部因素

2.1 弹条扣件在安装过程中操作不当

有螺栓式扣件在安装时通过对锚固螺栓不断施加预紧力压紧弹条使其发生形变，从而弹条对钢轨施加扣压力。但在安装施工中由于存在螺栓过拧或者未拧紧的情况，导致预紧力过大或者不足，从而对弹条的正常使用造成不利影响。余自若等[4]建立了包含弹条，锚固螺栓，铁垫板，轨距挡板在内的整体计算模型，分析了在不同扣压力作用下X2型弹条的疲劳寿命及破坏位置。模型计算结果表明，弹条在正常安装状态下，其后端圆弧区域及起弯点附近区域应力较大，在扣压力稍大的过拧安装状态下，其应力分布情况与正常安装时差别不大，而在扣压力增大接近一倍的过拧安装状态下，弹条的高应力分布区域增多，除在后端圆弧区域外，弹条的中前端下颚及与锚固螺栓接触的区域也发生了较大应力，但最大应力的位置没有改变。在不同大小扣压力作用下，弹条的疲劳性能也有差别。弹条高应力区域即危险点的疲劳寿命大致随着扣压力的增加而降低，而弹条内肢靠近铁垫板弯折处的局部区域疲劳寿命有明显的降低，原因是这个区域是弹条与铁垫板的接触位置，由于锚固螺栓过拧，产生了应力集中。李中等[5]考虑到Vossloh300-1型扣件系统安装过程中可能出现的螺栓松动和弹条偏转两种工况，分析总结了其对SKL15型弹条扣压力的影响。在未达到标准安装位置时，扣压力，弹条弹程与螺栓顶部应力趋近于线性关系，螺栓的松动导致了扣压力不足。弹条偏转除了会导致扣压力不足以外，还会增加锚固螺栓的应力，同时造成剧烈的波动，造成弹条与螺栓接触不稳定。在弹条与螺栓接触面上的局部应力过大和波动最终降低了弹条的疲劳性能。

2.2 钢轨波磨

钢轨波磨是指钢轨顶面出现的不均匀，波浪状的磨耗，其实质为波浪形压溃，是常见的钢轨病害。钢轨出现波磨后，钢轨表面的不平顺造成列车轮对垂向振动荷载加大，从而导致扣件系统受到的作用力增大，加剧了弹条的失效破坏。朱胜阳等[6]采用车辆—轨道耦合动力学理论对Vossloh型扣件弹条振动特性进行分析，对比了考虑钢轨波磨和不考虑钢轨波磨的两种动力激励方式，计算结果表明：考虑钢轨波磨时，弹条的振动加速度与不考虑钢轨波磨相比增大接近10倍，但是弹条振动的位移幅值变化较小，揭示了当高速列车在出现波磨病害的钢轨上运行时，弹条的振动会加剧，最终导致弹条较快地失效破坏。尚红霞等[7]应用非线性接触理论，探究了钢轨波磨对弹条最大等效应力的影响。通过将实测的波磨进行不同倍数的放大，计算得到不同波磨工况下弹条危险区域处最大等效应力的数值，对比结果得知弹条危险区域的最大等效应力及应变随着实测波磨的放大而成比例的增加，证明钢轨的波磨对弹条的疲劳性能有不利影响。姜子清等[8]通过现场测试等方法对高速铁路波磨对轨道结构动力响应进行研究，测量结果显示：钢轨波磨区域和无波磨区域的轮轨水平力大致相同，另外随着列车的运行速度的提高，轨道波磨区域的最大轮轨垂直力的数值也随之增大。由于钢轨波磨区域轨道结构的振动加速度与轮轨垂直力特定频率振动分量有相同的频率成分，导致该区段钢轨，轨道板以及其他联结部件的振动加剧，缩短弹条的使用寿命。

2.3 轨道线路不平顺

轨道不平顺是指轨道几何形状、尺寸和空间位置的偏差。按照列车车辆激扰作用的方向可分为垂向不平顺，水平不平顺和复合不平顺；按不平顺的波长可以分为短波、中波、长波等。宋荣荣等[9]研究了轨道不平顺与列车轮对纵向振动的关系。通过仿真分析得出结论：只存在单一的轨道水平不平顺或者垂向不平顺是无法引起轮对纵向振动的，轮对的纵向共振是轨道水平不平顺和垂向不平顺共同作用引起的，长期处于这种状态下，钢轨的磨耗会增加，弹条的弹性会降低。付青云等[10]研究分析了在钢轨焊接区域不平顺的激扰作用下，轮轨系统动力学响应规律。输入实测的焊接区域不平顺激扰，对比计算在焊接接头打磨前后，列车车辆不同运行速度下轮轨垂向力的大小。根据结果发现列车的轮轨垂向力的大小随着列车运行速度的增加而增大，在对焊接接头区域进行打磨之后，轮轨垂向力响应比未打磨之前有明显的减小，进一步证明了轨道线路不平顺对钢轨的使用寿命和弹条疲劳性能具有不利的影響。

2.4 微动磨损

微动是发生在两个接触表面之间幅值极小的反复相对运动，通常为微米级。微动磨损虽然相对运动的幅度极小，但是也会造成接触表面的磨损和材料的损伤。微动磨损广泛的存在于现代工业各个领域，例如螺纹连接件间、铆连接件间，各种过盈配合，轨道结构紧固系统等。伍曾等[11]通过对II型弹条扣件断裂原因分析发现，微动磨损对弹条的弹性降低、裂纹生成、扩展以及弹条的断裂均有影响。在弹条受力时，尾部与轨距挡板表面之间的微动会引发裂纹，这些裂纹成为污染源，交变应力作用下，最终导致弹条断裂。另外，弹条自身受到的荷载越小，微动磨损对弹条疲劳寿命的影响越大。

此外，伍曾等[12]在WJ-7型弹条的室温蠕变试验中发现，在不受列车荷载和温度作用时，弹条的蠕变现象会造成自身扣压力减小10%以上，因此在工程中不应忽视蠕变对扣件扣压力的损失。张志远等[13]讨论了WJ-7B型扣件锚固螺栓松动原因，并提出了在设计、施工和运营方面防止锚固螺栓松动对策，保证扣件弹条的正常工作。

3 结语

①通过对多种型号失效弹条进行断口宏观微观分析与化学检测，发现国内使用的弹条扣件或多或少地存在设计思想落后、表面质量差、材质洁净度不高等问题，需要对弹条的加工工艺进行改进。

②有螺栓弹条扣件在施工安装过程中出现的过拧或者预紧力不足的问题会对弹条正常使用产生不利影响，但是目前广泛使用传统的依靠经验的拧紧方法，造成的拧紧偏差较大，因此要尽早开发并普及精度较高的拧紧方法。

③弹条扣件的仿真模拟计算大多集中于静力方面，对弹条动态响应的较少，且大都将弹条独立出来研究应力分布和疲劳破坏，而由于弹条在系统内的接触较多，受力比较复杂，因此会造成模拟计算结果的准确度出现偏差。今后应当建立包含钢轨、铁垫板，轨下胶垫等在内整体扣件系统有限元模型。

参考文献：

[1]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，2013，38（12）：108-112.

[2]郭和平，李彪，李玉生，等.60Si2MnA弹条断裂分析[J].失效分析与预防，2011，6（2）：90-93.

[3]刘惠敏，牛检伟.60Si2CrA弹条断裂原因分析[J].郑铁科技，2016（1）：10-15.

[4]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，2014，36（7）：90-94.

[5]李中，郭瑞琴，武帅.弹条偏转和扣件松动对弹条扣压力的影响[J].铁道标准设计，2016，60（2）：47-52.

[6]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，2013，30（6）：254-258.

[7]尚红霞.钢轨波磨对扣件弹条受力分析[J].机械，2014（8）：11-15.

[8]姜子清，司道林，李伟，等.高速铁路钢轨波磨研究[J].中国铁道科学，2014，35（4）：9-14.

[9]宋荣荣.线路不平顺对轮对纵向振动的影响[J].西南民族大学学报（自然科学版），2008，34（3）：572-576.

[10]付青云，吴磊，陈帅，等.钢轨打磨对焊接接头区的不平顺及其动力学响应的影响[J].润滑与密封，2016，41（3）：66-70.

[11]伍曾，李洁青，黄伟，等.微动磨损对弹条Ⅱ型扣件弹条断裂的影响分析[J].昆明理工大学学报自然科学版，2013（6）：43-47.

[12]伍曾，李洁青，黄伟，等.WJ-7型无砟轨道扣件扣压力损失的室温蠕变试验研究[J].铁道标准设计，2014（8）：60-63.

[13]张志远.WJ-7B型扣件锚固螺栓松动原因及防松对策[J].上海铁道科技，2014（1）：50-52.