高速铁路扣件系统弹条疲劳性能研究

高速铁路扣件长期在动载作用下工作,为保证其正常使用,对扣件系统中的弹条进行疲劳性能研究是非常有必要的。本文通过考虑弹条与扣件系统其他部分之间的接触作用,对X2型弹条在不同扣压力作用下的静力及疲劳性能进行了研究,获得了弹条在不同扣压力下的应力特征,重点研究了疲劳荷载作用下弹条的疲劳寿命及疲劳破坏危险点位置。考虑钢轨横向力的作用,计算分析了考虑水平力作用下的弹条疲劳寿命,并对荷载频率对弹条性能的影响进行了讨论。     

扣压力对重载线路扣件系统试验的影响

以某新型重载扣件系统为对象,分析紧固扭矩和弹条扣压力之间的力学关系,根据紧固扭矩计算扣压力值,并在不同扣压力条件下实施节点刚度和强化疲劳对比试验,来研究扣压力对节点刚度和疲劳性能的影响,同时对技术条件中的三点接触组装方法所带来的试验误差问题进行深入探讨。最后针对扣件系统试验,提出合理的组装建议,以保证试验数据的可靠性,减少试验误差。     

WJ-7型无砟轨道扣件弹条强度分析

为了分析WJ-7型扣件弹条成型后的强度和工作时的受力状态,首先通过拉伸试验得到成型后弹条材料的抗拉强度;然后采用MIDAS有限元软件进行数值模拟,得到弹条在不同扣压力下的等效应力分布规律;最后通过应变电测方法,得到弹条在不同扣压力下各测点的等效应力。结果表明:不同扣压力作用下弹条最大等效应力均在弹条跟端位置,且在扣压力为12 k N时弹条跟端等效应力超过弹条的抗拉强度,但由于预压和抛丸工艺对弹条表面的强化作用,不会导致弹条失效。     

Ⅲ型弹条扣压力测试方法

现有e型弹条扣压力测试有2种方法:通过加载使弹条向下产生一定位移时进行测定(方法1);通过提升使弹条向上产生一定位移时进行测定(方法 2)。分别采用2种方法测试不同安装距离下Ⅲ型弹条的扣压力并分析扣压力与安装距离的关系。结果表明:采用方法 1时安装距离为8,10,20 mm测得的弹条扣压力均满足标准要求,弹条扣压力随安装距离的增大而增大;采用方法 2时安装距离为8,10 mm测得的弹条扣压力满足标准要求,安装距离为20 mm时不满足要求,弹条扣压力随安装距离的增大而减小。采用方法2进行扣压力测试时须严格保证弹条与安装座距离处于8~10 mm。     

WJ-7型无砟轨道扣件扣压力损失的室温蠕变试验研究

为了探讨室温(常温)蠕变对无砟轨道扣件扣压力损失的影响,通过试验研究分析室温蠕变对WJ-7型扣件扣压力的损失。分别进行保持扣件变形不变与保持初始扣压力不变的2组(各5套扣件)试验,在组装好的扣件相应位置埋设压应力传感器以测量扣件扣压力,在保持一定扣压力情况下,用T形螺栓螺母位移的变化表示弹条的蠕变变形量,对比分析2种情况下扣件蠕变规律及其对扣压力的影响。试验表明:在初始扣压力为10 kN,分别保持扣件弹条变形不变和保持扣件扣压力不变情况下,弹条蠕变分别为1.45mm和2.12mm,若都转化成扣压力的损失,则分别为1.00 kN和1.46 kN,且二者蠕变都是前期快后期慢,但后者蠕变时间更长,且蠕变量更大;在无车辆荷载作用下,轨下垫板变形是弹条变形的1/50~1/80,对弹条蠕变变形的影响可以忽略。     

高速铁路无砟轨道扣件弹条失效标准研究

首先分析了影响弹条失效的主要因素弹条扣压力。然后根据扣压力与钢轨纵向阻力和钢轨倾翻量的关系,分别计算出钢轨纵向阻力在限制工况下和钢轨倾翻工况下弹条扣压力的限值。再进一步结合弹条的关键参数,并考虑在现场可以简单快捷检测,将弹条的弹程和直径作为弹条失效的判定指标,其中弹程的限值为9 mm,直径的限值为12.5 mm。最后通过对失效弹条进行的钢轨纵向阻力试验和组装疲劳性能试验以及对现场服役弹条的抽测,验证了所提弹条失效标准是合理的。     

基于模态分析的扣件弹条扣压力测试方法

为了提出一种方便高效的扣件弹条服役状态下扣压力的测试方法,首先建立扣件系统精细化的三维实体有限元模型,分析得到扣件弹条扣压力与其固有频率的对应关系,进而提出通过测试弹条工作振动模态从而推测出弹条扣压力的间接测试方法。研究结果表明:扣件弹条扣压力与弹程基本呈线性关系,其对应关系不随轨下胶垫刚度变化而改变,就Ⅲ型弹条而言,其扣压力同弹程之比约为1. 0 kN/mm;服役状态下弹条第1阶固有频率随扣压力变化近似呈线性变化,根据Ⅲ型弹条正常服役状态设计要求以及考虑最大残余变形的安全扣压力,可得在有效扣压力范围内弹条对应的第1阶固有频率为800～1 040 Hz;通过测试服役状态下扣件弹条工作模态频率,即可间接得到服役状态下扣件弹条的实际扣压力,为辨别扣件是否失效提供科学依据和有效便捷的测试方法。     

扣件DI弹条非正常部位断裂原因分析及结构优化

通过对DI弹条非正常部位断裂的研究,发现扣件安装时弹条与铁垫板安装孔发生接触,致使弹条在中肢与尾部圆弧过渡区域产生应力集中,发生早期疲劳断裂。本文在研究弹条结构及安装方式的基础上,在弹条的中肢与尾部圆弧过渡区域引入"凹面"结构,对弹条进行结构优化,并通过扣压力和疲劳性能检测、实验室疲劳断裂检验、现场试铺检验等对带有优化"凹面"结构的DI弹条性能进行检测。结果表明:优化后的弹条扣压力和疲劳性能均合格,且能有效抑制因接触产生的非正常部位断裂,提高弹条性能。     

锤击固有频率法弹条扣压力无损检测仪研发及应用

针对铁路服役弹条实时扣压力不能定量检测问题，研究弹条扣压力激振频率采集测试技术，提出利用弹条扣件系统结构应力与固有频率的关联特性进行弹条扣压力检测方法。对服役弹条Ⅱ型扣件各阶模态和振型进行有限元分析，得到振动传感器最佳布设方向及位置；开展基于弹条在不同激励强度下的响应分析，提出锤击装置锤击力、方向及位置方案。研制弹条扣压力无损检测仪，阐述检测仪硬件主体构成和软件系统功能。通过开展实验室环境下声响与振动传感器采集固有频率对比试验，初步验证了检测仪具有较好的应用效果与推广前景。     

弹条偏转和扣件松动对弹条扣压力的影响

为了研究螺栓松动、弹条偏转对弹条扣压力的影响,以应用于高速铁路的Vossloh300-1型扣件系统为研究对象,建立扣件系统完整有限元模型,通过扣压力与弹条弹程曲线的实验值和仿真值,验证扣件系统有限元模型的有效性;在此基础上建立不同损伤工况的螺栓松动、弹条偏转的模型,重点研究弹条安装过程中螺栓松动、弹条偏转两种工况对弹条扣压力的影响。结果表明:螺栓松动、弹条偏转会造成弹条扣压力不足,同时加剧螺栓应力波动。安装过程中若出现这些失效工况,将严重影响扣件系统正常工作,研究结果为300-1型扣件系统弹条安装及后续研究提供思路和参考。     

城轨交通新型轨道扣件研究与设计

研究目的:扣件是城轨交通工程轨道结构中的重要组成部件。目前国内应用于运营地铁地下线的一般减振扣件类型较多,近年来逐步发现存在着一些缺陷。为进一步优化适用于城轨交通60 kg/m钢轨地下线整体道床用的扣件,开展新型扣件的研制很有必要。研究结论:仿真计算分析、试制及室内试验结果表明,新型扣件具有较好的强度、耐久性、弹性及绝缘性能。优化弹条设计,加大了弹条尾部圆弧,增加与铁垫板的接触面积,提高弹条稳定性;减薄铁垫板、弹条插入孔改为长圆孔、优化锚固螺栓及轨距块等措施,使其结构、使用寿命、养护维修等方面较同类型扣件具有一定优越性。     

地铁扣件DI弹条安装受力分析及工艺优化改进研究

为了整治地铁扣件DI弹条扣压力不足、疲劳断裂、锈蚀等病害,通过建立DI弹条扣件系统有限元模型进行安装状态受力特性分析,同时对弹条生产的原材料、工艺参数、表面处理方式等进行优化改进,最后对采用新工艺生产的DI弹条进行扣压力、疲劳试验和盐雾试验,验证了优化措施的有效性。研究结果表明:弹程为10. 5 mm时,弹条最大等效应力值为1 400 MPa,发生在弹条后拱小圆弧内侧,此区域为弹条关键受力区;相比60Si2Mn,采用60Si2MnA弹簧钢为原材料的弹条扣压力从8. 17 k N提高至8. 79 k N,疲劳次数从503万次提高至541万次。最优的弹条生产工艺参数为:加热温度应为930～1 020℃,淬火温度应≥830℃,淬火介质应为32号机油,淬火介质温度应为60℃±20℃,回火设备应为网带式连续回火炉,回火温度为500～550℃。弹条表面经多元合金共渗处理后的综合性能最好。     

地铁弹条Ⅱ型分开式扣件力学特性研究

为完善优化地铁扣件的设计理论,针对弹条Ⅱ型分开式扣件的伤损特性,参考深圳地铁一期采用的WJ-3弹条Ⅱ型分开式扣件的结构形式,简化建立扣件系统静力学模型。基于有限单元法,计算分析弹性模量对扣压力的影响以及列车横向力、列车荷载作用下的垂向振动、压紧位移对弹条内部应力分布的影响。结果表明:压紧位移对弹条中的应力分布和最大应力的影响更为显著,当压紧位移超过10 mm时,弹条后肢弯位置可能折断。依据计算结果得出3种荷载下的弹条应力分布规律,同时从弹条强度出发,初步提出弹条的预压缩量和压紧位移限值,预压缩量不超过5 mm,压紧位移应小于9 mm。     

沪宁城际WJ-7B型扣件螺栓轴力衰减规律与复紧周期探讨

高速铁路扣件系统是轨道弹性、轨距、水平调整能力的主要提供者,扣件的可靠性关系到列车运行的安全性和旅客乘车的舒适度等,对于WJ-7B型弹性分开式扣件,其功能的正常发挥很大程度上取决于锚固螺栓的预紧力是否足够。以沪宁城际WJ-7B型扣件系统为例,推导扣件系统螺栓轴力计算方法;结合现场转角测试结果计算锚固螺栓轴力的衰减规律。研究结论为:螺栓轴力稳定在40~60 kN,满足横向力校核结果,在此基础上确定了复紧周期为3~4年。     

基于疲劳驱动力能量损伤参数修正的非线性疲劳寿命预测

针对疲劳驱动力能量模型中变幅载荷间交互因子难以确定的问题,考虑载荷大小次序、载荷间的干涉以及疲劳损伤程度等因素对变幅载荷作用下损伤累积规律的影响,在引入能量准则确定损伤参数的基础上,将变幅载荷应力比、载荷循环比、疲劳损伤程度引入载荷间交互因子的计算,建立分别采用载荷循环次数比和实时疲劳损伤对交互因子进行修正的改进非线性疲劳寿命预测模型。根据Q235B和铝合金2种常用材料的焊接接头在多级变幅载荷作用下的试验数据,对改进的疲劳寿命预测模型的预测能力进行验证。结果表明:在变幅载荷作用下,改进的疲劳寿命预测模型能有效地对焊接结构的疲劳寿命进行预测,相比其他模型更接近于试验结果,且模型中仅含有2个比较容易通过试验确定的常规参数,无需引入其他参数,便于应用于实际工程结构的分析及设计。     

附加张力装置对注浆式榫槽接头力学性能的影响研究

为研究注浆式榫槽接头附加张力装置的作用特性,在论述接头附加张力装置构造的基础上,基于接头试验结果分析加力棒位于不同受力性质区域的特性,明确附加张力装置的作用是延缓破坏和增加接头延性;然后,以长春装配式地铁车站结构为例,对其所采用的各种类型接头的附加张力装置进行实际作用分析;最后,基于注浆式榫槽接头算法针对不同附加张力装置的设置从预紧力大小和加力棒位置两方面对接头承载性能影响进行研究。结果表明：对于设置附加张力装置的接头,建议将加力棒设置在受拉侧,轴力较小时,适当增大加力棒预紧力值可以提高接头后期承载能力;较大预紧力值对接头承载非线性段起到明显作用,但对线性段影响甚微。对于附加张力装置在受拉侧接头,当预紧力足够大时,接头构造允许范围内将加力棒设置在距中心轴一定距离处能够发挥加力棒对接头后期承载的提升作用;对于附加张力装置在受压侧接头,应避免较大加力棒预紧力并尽量设置在距离中心轴较近位置。     

上部锁紧式双层非线性扣件在南昌地铁的应用

上部锁紧式双层非线性扣件是一种新型减振扣件,具有拆卸方便、预紧力可调节等优点。针对该扣件对南昌地铁1号线进行了现场在线测试,测试内容包括钢轨变形、道床振动、隧道壁振动、车内振动和噪声等。测试结果表明,在保证安全性的同时,上部锁紧式双层非线性扣件相比DZIII型扣件,其垂向减振效果达到8 d B以上,使列车内噪声降低2.4 d B,减振降噪效果显著。     

转K2型转向架弹簧载荷识别及其对弹簧寿命影响的研究

用试验的方法得到在垂直载荷作用下弹簧45°方向应力和最大主应力之间的差异,用有限元法计算了弹簧在横向、垂向加载时的载荷识别系数。根据线路实测动应力识别出转K2型转向架弹簧在运用工况下的2种载荷。最后根据载荷计算出弹簧的应力,利用疲劳损伤模型计算出损伤,得出了2种载荷对疲劳寿命的影响。     

基于预紧力工况下的原位螺栓超声检测研究

高铁制动盘螺栓疲劳裂纹可能会危害列车行车安全,有必要进行原位检测。但常用小角度纵波检测未考虑原位状态下预紧力的影响,螺栓缺陷定量精度不足。运用CIVA软件对原位螺栓裂纹进行仿真并优化检测工艺;利用有效弹性常数法表征螺栓在应力诱导下的宏观各向异性,研究预紧力对缺陷定量的影响规律。建立原位状态的螺栓模型,分析折射角,晶片尺寸,频率和带宽对螺栓声场和缺陷回波的影响,选择最佳工艺参数。基于此参数,模拟不同预紧力下不同尺寸缺陷的回波。研究结果表明:不同预紧力下回波幅值不同。最后,绘制缺陷大小-波幅曲线图,实现螺栓缺陷定量分析。对实际螺栓开展原位检测,结果表明考虑预紧力后,缺陷定量误差降低了12%。     

扭曲载荷对160km/h货车转向架构架焊缝的疲劳损伤影响

依据UIC510-3规定的动态疲劳试验载荷和IIW提供的焊接接头疲劳强度S-N曲线,基于结构有限元分析技术和Palmgren-Miner线性累积损伤准则,对160 km/h货车转向架焊接构架侧梁主结构焊缝接头的疲劳损伤进行数值仿真计算。着重研究有无扭曲载荷作用下,各疲劳关注部位累积损伤的变化程度和规律。仿真结果及综合分析表明:扭曲载荷作用导致的损伤增幅在累积损伤较高部位最大仅约为6%,其对构架主结构的疲劳损伤影响极为有限。因此考虑到疲劳试验设备的加载能力,对160 km/h货车转向架焊接构架及摇枕进行动态疲劳试验时可不必施加线路扭曲载荷。