市域快线扣件弹条断裂机理研究

摘要：国内某市域快线运营期间出现扣件弹条断裂的情况，为了探究弹条的断裂机理，建立了弹条的有限元模型，对弹条的应力特性和振动特性两方面进行了研究。分析了弹条在不同安装状态下的应力特性，结合疲劳预估方法，研究了弹条疲劳寿命与安装状态的关系。根据弹条模态分析和谐响应分析，结合现场测试数据，验证了弹条一阶固有频率位于钢轨表面不平顺的通过频率特征峰值区间，容易引发共振，加剧弹条的高频振动，诱发疲劳裂纹。基于分析计算结果，提出了规范扣件安装、及时纠正弹条位置偏差、加强钢轨打磨等优化弹条工作状态的养护维修措施。

关键词：弹条；应力特性；疲劳寿命；固有频率；共振

中图分类号：U213.5+3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.04.006

文章编号：1006-0316 （2023） 04-0038-07

Research on the Fracture Mechanism of the Fastener Clip of the Urban Express Line

LIAN Ziyang1，2

（ 1.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China;

2.Hubei Key Laboratory of Railway Track Security Service， Wuhan 430063， China ）

Abstract：During the operation of an urban express line in the country， the fastener clips were broken. In order to explore the fracture mechanism of the clip， a finite element model of the clip is established， and the stress characteristics and vibration characteristics of the clip are studied. The stress characteristics of the clip under different installation states are analyzed， and the relationship between the fatigue life of the clip and the installation state is studied through the fatigue prediction method. According to the modal analysis and the harmonious response analysis of the clips， and combined with the field test data， it is verified that the first-order natural frequency of the clip is located in the characteristic peak range of the passing frequency of the rail surface roughness， which is easy to cause resonance that aggravates the high-frequency vibration of the clip and induces fatigue cracks. On the basis of the analysis and calculation results， the maintenance and repair measures to optimize the working state of the clips are proposed， such as standardizing the installation of the fasteners， correcting the positional deviation of the clips in time， and strengthening the grinding of the rails.

Key words：clip；stress characteristics；fatigue life；natural frequency；resonance

市域快线是我国城镇化发展过程中产生的一种新型客运轨道交通方式，运营速度一般为120～160 km/h，主要服务于城市与市郊的通勤、通学客流。市域快线高速度、大运量、少维修的运营特点对轨道部件的耐久性、抗疲劳性能提出了更高的要求[1-2]。扣件作为钢轨和无砟轨道的连接部件，是保证钢轨状态稳定性的关键因素之一，对列车安全运营具有重要作用。

国内某市域快线在运营期间出现了扣件弹条断裂的情况，弹条断裂会直接削弱轨道结构的稳定性，严重时危及车辆运行安全。另外，弹条断裂存在撞击车体的安全隐患。鉴于此，对市域快线扣件弹条断裂机理进行研究，可以从根本上揭示其断裂原因，预测不同服役状态下弹条的疲劳寿命，有效解决扣件弹条断裂问题，减少养护维修工作量和经济损失，为轨道结构的设计、施工、监测等提供理论指导和技术支持，对提高市域快线的安全性、经济性和舒适性均有重大的现实意义。

1 扣件弹条模型的建立

1.1 扣件弹条三维模型的建立

市域快线运营过程中，扣件弹条处于复杂的受力状态，应采用三维有限元实体模型进行计算。将三维模型导入有限元软件中劃分网格，如图1所示，其中，单元类型设置为Solid45，网格模型的节点数量为242 320个，单元数量为  226 920个，材料类型为60Si2Mn，直径为20.6 mm的热轧弹簧钢。材料屈服强度为1200 MPa，极限屈服强度为1300 MPa。材料弹性模量取值2.06 GPa，泊松比为0.3。

1.2 模型验证

弹条的跟端和中肢施加固定约束，在趾端施加位移载荷，模拟弹条实际工作状态。工作状态下弹条中肢插入铁垫片的深度为72 mm，趾端弹程为14.1 mm。利用建立的有限元模型分析弹条静载荷下的受力情况。计算得到弹条在工作状态下的最大等效应力为1123.6 MPa，危险点位置出现在弹条与铁垫片端部接触的位置。这一结果与文献[3-4]的计算结果接近。因此本次研究施加的边界条件的是可靠的。

2 弹条静力性能分析

根据建立的弹条三维模型和施加的边界条件，运用有限元软件分别研究了中肢插入深度、不同弹程、不同钢轨横向位移状态下弹条应力的变化情况。

2.1 中肢插入深度对弹条应力的影响

在弹条的弹程始终保持为14.1 mm时，中肢插入深度取值69～84 mm。根据图3的计算结果可以看出，当插入深度小于82 mm时，随着插入深度的增大，弹条最大等效应力也在不断增大，但均小于弹条屈服强度，且增幅保持稳定；当插入深度超过82 mm后，弹条最大等效应力急剧增大至1700 MPa以上，超过了弹条屈服强度，此时弹条发生断裂破坏。

2.2 弹程对弹条应力的影响

在中趾插入深度保持72 mm不变时，弹条弹程取值11.6～16.6 mm。从图4可以看出，随着插入深度的增大，弹条最大等效应力也在不断增大；当弹程达到14.6 mm时，弹条的最大等效应力已经接近材料的屈服强度，此时弹条极易发生断裂。当弹程继续增大时，弹条的等效应力超过材料的屈服强度。

2.3 钢轨横向位移对弹条应力的影响

图5计算了钢轨横向位移在-3～3 mm变化时，对应的弹条最大等效应力。此处定义当钢轨向扣件移动时取正值，钢轨向扣件反方向移动时为负值。弹条处于标准工作状态即中肢插入深度72 mm、弹程14.1 mm。从图5可以看出，当钢轨横向位移为负值时，随着位移绝对值的增加，弹条的最大等效应力减小；当钢轨横向位移为正值时，随着位移绝对值的增加，弹簧的最大等效应力增加，且增大幅度明显大于钢轨横向位移为负值时的工况。这主要是由于钢轨轨底斜度变化造成的，当钢轨横向位移为负值时轨底斜度为1：9，而当钢轨横向位移为正值时，轨底斜度为1：3，后者比前者大。且在钢轨横向位移为正值时，位移会有更多的转化到弹条趾端上，因此最大等效应力增大幅度大于钢轨横向位移为负值时的变化幅度。

3 不同安装位置的疲劳寿命预估

3.1 疲劳寿命预估方法

根据图4计算结果，通过拟合曲线得到最大等效应力与弹程之间的关系函数为：

式中：σ为最大等效应力；S为弹程。

利用该拟合函数即可快速求得中肢插入长度为72 mm时不同弹程对应的最大等效应力。

为研究弹条的疲劳寿命[5-7]，首先需要获得弹条的最大等效应力和时间的关系曲线。通过车辆轨道耦合动力学程序，计算出列车通过一个扣件时的弹程（图6），利用式（1）可以计算出列车通过一组扣件时，最大等效应力与时间的关系曲线，如图7所示。

依据雨流计数法和线性损伤理论，计算得标准安装工况下的弹条疲劳寿命约为321×104次，按照列车行车间隔4 min，每天运行16 h计算，等效疲劳寿命约为6年。

3.2 中肢插入深度对弹条疲劳寿命的影响

根据3.1节的弹条疲劳寿命计算方式，研究中肢不同插入深度与弹条疲劳寿命之间的关系，结果如图8所示。

从图中可以看出，当中肢插入深度在69～83 mm变化时，随着插入深度的增大，疲劳寿命不断减小，特别是在插入深度超过76 mm时，疲劳寿命不足3×104次，即不足半年，远远达不到弹条的设计使用寿命。

3.3 弹程对弹条疲劳寿命的影响

不同弹程值下的弹条疲劳寿命如图9所示，当弹程在11.6～16.6 mm变化时，随着插入深度的增大，疲劳寿命不断减小，特别是在弹程超过14.1 mm时，弹条的疲劳寿命下降速度明显加快，弹程每增加0.1 mm，疲劳寿命降低约200×104次，降幅达到66%。因此，当弹条的弹程超过14.1 mm时，弹条的使用寿命将大幅度减小，此时应注意及时纠正弹条的偏差，确保弹条的弹程处于标准状态以下。

3.4 钢轨横向位移对弹条疲劳寿命的影响

当钢轨产生-3～2 mm的横向位移时，弹条的疲劳寿命预估结果如图10所示。从图中可以看出，当钢轨横移在-3～2 mm时，随着钢轨横向位移的增大，疲劳寿命不断减小，特别是在钢轨横向为正值时，弹条的疲劳寿命下降速度明显加快，钢轨横移增加0.5 mm，疲劳寿命降低270×104次，降幅达到90%。由此可见，当钢轨产生横向位移时，弹条的使用寿命将大幅度减小。故弹条的安装需要严格控制钢轨的横向位移。

4 弹条动态特性分析

4.1 轨道部件激励源及振动峰值

为了研究扣件弹条在工作状态下的动态特性，以及弹条所受的外界激励源的类型，利用加速度传感器对广州某市域快线的下行区间进行了轨道振动测试及钢轨表面不平顺测试。轨道振动测试结果如图11所示。从图中可以看出各部件的振动加速度幅值沿钢轨－扣件－轨枕－道床的顺序依次减小，说明动力载荷的传播路径为钢轨－扣件－轨枕－道床，最初的激扰源为轮轨作用力。

进一步对测试数据的频率进行分析，如图12所示。从频率分析结果可以看出，在列车通过时，轨道各部件的垂向和横向都存在明显的750～770 Hz的振动频率峰值。明显的高频振动不利于轨道各部件的工作，是造成部件损坏的潜在隐患。

使用不平顺测量小车，对钢轨表面不平顺进行测试，該区间钢轨表面不平顺的三分之一倍频程结果如图13所示。从图中可以看出该区间的钢轨表面不平顺存在明显的40 mm的特征波长。按照列车运行速度为110 km/h换算钢轨表面不平顺对应的频率为763.8 Hz。此频率刚好位于轨道部件振动测试中的特征峰值频率区间，由此表明轨道部件激励源为钢轨的表面不平顺造成。

4.2 扣件弹条的固有频率分析

为进一步探讨钢轨不平顺引起的振动对弹条的影响[8-10]，利用建立的弹条有限元模型进行模态分析以计算弹条的固有频率，并对弹条进行谐响应分析。

4.2.1 弹条的模态分析

表1为工作状态下弹条的模态计算结果，工作状态弹条的一阶模态频率为763.6 Hz，二阶模态频率为970.9 Hz，三阶模态频率为1299.3 Hz，四阶模态频率为1864.6 Hz。前两阶模态的振型主要为圆弧的摆动，第三阶模态为趾端的垂向运动，第四阶模态为圆弧的摆动。弹条的一阶模态固有频率与轨道振动测试中的特征峰值频率相吻合。外界的振动激励源与弹条容易发生共振，减小弹条的使用寿命。

4.2.2 弹条的谐响应分析

对弹条进行谐响应分析，在弹条趾端施加600～800 Hz的激励，计算弹条中肢、根端、圆弧1、圆弧2的频率响应，结果如图15所示。从图中可以看出，在谐响应频率的激励下，弹条在750～770 Hz的频率下的幅值最高。

从弹条的模态分析及谐响应分析结果可知，弹条的一阶模态固有频率、谐响应的峰值频率与现场实测的轨道不平顺引起的轨道部件振动特征峰值频率相吻合，表明列车经过时，钢轨的不平顺造成的振动与弹条容易发生共振。长期作用下，将在弹条上产生裂纹并造成伤损，导致弹条功能减弱，使用寿命大幅度降低。因此应加强钢轨的定期打磨[11-12]。

5 改进措施

根据前述分析结果，为改善弹条的受力状态及疲劳寿命，避免弹条断裂，可以采取以下措施：

（1）规范扣件安装。建设期内，应按照扣件标准状态安装扣件。

（2）加強扣件的养护维修。运营期内应及时对扣件进行养护，纠正弹条的位置偏差，使之处于良好的工作位置。

（3）定期进行钢轨打磨，运营期应加强对钢轨的打磨，及时消除轨道不平顺，降低轨道不平顺引起的振动与弹条发生共振的几率。

6 结论

通过建立弹条的三维有限元实体模型，结合疲劳损伤理论、车辆系统动力学、现场测试数据等，从弹条的静力特性和动态特性两个角度分析弹条的工作状态，探究弹条的断裂机理，结论如下：

（1）中肢插入深度在69～83 mm变化时，随着插入深度的增大，疲劳寿命不断减小。当插入深度超过76 mm时，疲劳寿命不足3×104次，弹条使用寿命急剧降低。

（2）当弹程在11.6～16.6 mm变化时，随着弹程的增大，疲劳寿命不断减小；当弹程大于14.1 mm时，弹条的疲劳寿命下降速度明显加快，弹程每增加0.1 mm，疲劳寿命降低200×104次，降幅达到66%。

（3）当钢轨横向位移在-3～2 mm时，随着插入深度的增大，疲劳寿命不断减小，特别是在钢轨横向位移为正时，弹条的疲劳寿命下降速度明显加快，钢轨横向位移增加0.5 mm，疲劳寿命降低270×104次，降幅达到90%。

（4）运营状态下弹条的外界激励源主要来自于钢轨表面不平顺，其特征峰值频率与弹条的一阶模态固有频率、谐响应状态下的峰值频率接近，验证了弹条容易与外界振动激励源发生共振，降低疲劳寿命，严重时发生断裂。

（5）建议采取规范扣件安装、加强运营期内对扣件的养护维修、定期进行钢轨打磨等手段，改善弹条服役状态，避免弹条共振，延长使用寿命。

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收稿日期：2022-12-02

基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司专利产品研发课题（2021C10）

作者简介：廉紫阳（1988－），男，河南洛阳人，硕士，工程师，主要研究方向为铁路轨道工程，E-mail：602198797@qq.com。