Ⅲ型弹条断裂原因分析

杨程亮,李承亮

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081;2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

在扣件系统中，各零部件制造精度较高，对安装有较高的要求，对使用环境要求也较为严格。扣件零部件破坏、失效会导致扣件整体功能下降，危害到行车安全[1]。弹条是实现扣件系统功能的主要部件，其在使用过程中经常出现断裂失效现象，导致轮轨作用力加剧，车辆和轨道各部件加速破坏，甚至危及行车安全。为实现列车安全、平稳运行的目的，对现场出现的弹条断裂问题进行研究是非常有必要的。

针对扣件弹条的断裂问题，国内外学者主要从材料与加工工艺分析、弹条受力分析以及模态分析3个方面进行了研究。文献[2-4]通过金相学方法对弹条断口和弹条化学成分进行分析，认为弹条表面质量差、弹条表面存在脱碳层、热处理操作不当、原材料表面存在折叠和裂纹以及弹条用钢中夹杂物级别高是弹条断裂的原因。文献[5-7]通过建立力学模型，分析安装状态下弹条的应力以及不平顺条件下弹条的动力响应及疲劳寿命。文献[8-9]根据弹条结构的物理模型和物理参数建立系统模型，通过引入模态参数建立模态方程，分析弹条断裂原因。

1 弹条断裂现状

一地铁线路区间采用的扣件为DT-Ⅲ型常阻力扣件，又称DT弹条Ⅲ型扣件，见图1，是一种无螺栓、弹性分开式扣件，采用国铁Ⅲ型弹条，其主要尺寸参照国铁弹条Ⅲ型扣件，将其由预埋铁座式扣件改为弹性分开式扣件。扣件的扣压力达到20～25 kN/组，适合在大坡度和小半径曲线地段使用。车辆采用8A编组，其中6节编组为普通车厢，2节为商务车厢，轴重为16 t，行驶速度为110 km/h。从2017年1—7月期间，共发现断裂弹条221个，其中DT-Ⅲ型常阻力扣件伤损的弹条有113个，占总伤损数的51%。弹条断裂位置分为后拱小圆弧处和前拱大圆弧处，各占伤损总数的83%和17%。图2为弹条断裂的实物。

图1 DT-Ⅲ型常阻力扣件

图2 弹条断裂实物

2 研究方法

2.1 模态分析

模态分析属于结构动力学分析，用于分析结构的振动特性，而结构的振动特性决定了结构对各种动力荷载的响应情况。根据DT-Ⅲ型常阻力扣件各零部件在正常安装状态下的边界约束条件，建立扣件三维实体简化模型[10]，如图3所示。各零部件的材料参数见表1。

图3 三维数值模型

零部件材料名称弹性模量/GPa泊松比摩擦因数Ⅲ型弹条60Si2Mn2060.2900.3铁垫板QT450-101690.2570.3绝缘轨距块玻纤增强聚酰胺662060.2900.3

由于弹条空间结构复杂，采用Ctetra(10)划分弹条单元类型，单元大小5 mm，共有 29 626 个节点，17 783 个单元。铁垫板底部施加固定约束，在绝缘轨距块底部施加正常安装状态下的位移荷载13 mm，采用非线性接触理论模拟弹条与铁垫板、绝缘轨距块之间的接触关系。对Ⅲ型弹条在正常组装状态下的模态特征进行分析，参考钢轨、道床、隧道壁主要参振频段，以及钢轨波浪形磨耗对弹条断裂的影响所涉及的波浪形磨耗通过频率(根据地铁线路实测值，波浪形磨耗通过频率在20～1 500 Hz)，只考虑弹条在 2 000 Hz 以内的固有模态[12]。图4为Ⅲ型弹条在正常安装状态下各阶振型位移云图，表2为Ⅲ型弹条固有频率和振型特征。

图4 一阶、二阶振型位移云图(单位：mm)

阶数固有频率/Hz振型特征描述一阶792弹条趾端翘起,前拱大圆弧垂向振动,跟端与后拱小圆弧连接处向上发生扭转,使得中肢与小圆弧连接处所受应力较大二阶1 677弹条前拱大圆弧带动趾端及跟端水平振动,由于中肢水平振动不明显,从而后拱小圆弧处于拉展状态,使得弹条后拱小圆弧处应力相对较大

2.2 试验分析

图5 频率拾取位置

图6 弹条模态测试仪器

图7 组装状态下的弹条模态测试

根据上述弹条模态试验方法，对Ⅲ型弹条进行组装状态下的模态试验，见图7。图8为试验得到的Ⅲ型弹条在0～1 600 Hz 内的频响函数和相干函数，从图中频响函数可以看出，Ⅲ型弹条的主要振动频率为781 Hz。并且此时测试的相干函数值接近于1，表明信号可信度高。

图8 频响函数和相干函数

3 原因分析

一定行车区段内产生的钢轨波浪形磨耗或车轮多边形具有相对恒定的波长，其与列车相对固定的运行速度共同决定了轮轨间剧烈的相互作用相对集中在某一频率范围内。同时由于列车轴重较大、车速较高，这就导致轮轨相互作用产生的振动荷载在该频率范围内具有极高的能量，并会通过钢轨传至扣压在轨底的弹条上。此时，若振动荷载的频率与弹条组装状态下的固有频率接近会引起弹条的共振，从而导致弹条的断裂。

图9为区间曲线钢轨表面测量结果，可知区间曲线内侧钢轨波浪形磨耗深度约为0.10 mm，曲线外侧钢轨波浪形磨耗深度约为0.13 mm，波长为42 mm。根据区间曲线波浪形磨耗的波长及运行速度，通过激励频率与行车速度、钢轨波浪形磨耗波长的关系可以得出组装状态下Ⅲ型弹条的激励频率为764 Hz。

图9 区间曲线钢轨表面测量结果

在区间曲线进行了弹条振动响应测试，得到弹条的振动加速度，见图10。可以看出，列车速度从80 km/h增加至110 km/h，弹条前拱大圆弧的垂向振动加速度最大值从 1 000 m/s2增加至 3 500 m/s2，增大了约250%。其原因为列车以110 km/h速度通过时产生的轮轨力高频激励(764 Hz)与弹条的固有频率(781 Hz)接近，弹条产生共振，加速度幅值显著增大，从而导致弹条断裂。

图10 弹条振动加速度

4 结论

1)Ⅲ型弹条在正常组装状态下敏感频率在790 Hz左右。

2)当轮轨力激励频率(764 Hz)与弹条振动频率(781 Hz)接近或一致时，将会引起弹条的共振效应，从而导致弹条断裂。

3)根据试验段波浪形磨耗以30～50 mm为主，弹条共振频率最小为781 Hz，为避免引起弹条共振，建议列车行驶速度不大于80 km/h。

4)对线路出现波浪形磨耗地段进行钢轨打磨，以消除弹条的共振响应，延长弹条的服役寿命。