臨時聯結裝置下鋼軌接頭疲勞裂紋萌生壽命分析

張文豐 李 劍 陳 輝 陳 濱

(中國港灣工程有限責任公司,北京 100027)

引言

有砟軌道因其良好的減振抗噪性能、便于維修等特點被廣泛應用于中低速鐵路。 鋼軌是決定列車運行安全的重要組成部分,鋼軌接頭作為軌道的三大薄弱環節之一,其重要性不容忽視。 施工期間,現場存在大量的鋼軌接頭,為避免鉆孔對鋼軌造成二次損傷,一般采用臨時聯結裝置實現鋼軌的無損連接,以減弱車輛在鋼軌接頭的沖擊作用,減緩施工期間鋼軌接頭損傷的產生及發展。 而臨時聯結裝置長度一般較接頭夾板短,結構形式差異較大。 因此,有必要對臨時聯結裝置作用下鋼軌接頭疲勞裂紋萌生壽命進行研究。

疲勞裂紋是常見的鋼軌損傷形式[1]。 鋼軌疲勞裂紋一旦發展至踏面剝離或鋼軌斷裂,會嚴重惡化輪軌關系,威脅列車的運行安全。 為此,部分學者在分析不同因素對輪軌接觸狀態影響的基礎上,對鋼軌疲勞裂紋萌生壽命預測展開了研究。 劉云濤等通過有限元法分析不同軌底坡下輪軌接觸狀態及鋼軌疲勞裂紋萌生壽命[2];肖乾等研究不同摩擦系數下輪軌接觸特性,并基于安定圖和損傷函數分析摩擦系數對車輪接觸疲勞的影響[3];梁喜仁等建立基于安定圖和損傷函數的鋼軌接觸疲勞預測模型[4];周宇等將ARCHARD磨耗理論同臨界平面法相結合,提出一種考慮磨耗的鋼軌疲勞裂紋萌生壽命預測模型[5];李俊琛等利用有限元法模擬不同軸重CRH5 型動車組的輪軌滾動接觸應力狀態[6]。

相關資料顯示[7],接頭區域沖擊力最高可達到正常值的4~5 倍,嚴重影響鋼軌的服役功能及壽命。MANDAL 等研究膠接接頭作用下鋼軌軌頭的受力特性[8-9];蔡武等分析車輪到軌縫的距離變化條件下鋼軌的接觸應力變化規律[10];劉光鵬等通過靜態測試和行車試驗,分析重載列車作用下膠結接頭損壞前后對軌道結構振動特性的影響[11];溫澤峰等基于有限元法研究在不同軸重車輪沖擊作用下鋼軌軌頭的應力分布規律[12];YANG 等建立車輪-絕緣鋼軌接頭(IRJ)有限元模型,分析車輪滾動沖擊下的輪軌接觸特性[13];徐曉迪等基于接頭區域車輛動態響應數據研究鋼軌接頭損傷特性[14]。 目前,對鋼軌接頭的研究多集中在常規接頭夾板作用下輪軌接觸特性,對鋼軌疲勞特性的研究多集中在無縫線路,而對臨時聯結裝置下鋼軌疲勞力學特性及疲勞裂紋萌生壽命的研究尚不充分。

建立帶有臨時聯結裝置的輪軌接觸有限元模型,聯合多體動力學仿真結果,分析不同列車速度、軌縫值以及道床剛度條件下的輪軌接觸應力應變規律;在此基礎上分析以上參數對輪軌接觸疲勞特性的影響。 研究結果將對減少施工過程中鋼軌接頭損傷具有指導意義。

1 鋼軌接頭輪軌接觸有限元模型

平車是施工階段常見的物資運輸車輛,選取施工期平車運輸條件下的鋼軌接頭區域,建立三維輪軌接觸有限元模型。 由于軌道結構的對稱性,故取單側。此模型采用115RE 鋼軌,一側鋼軌長度為400 mm,軌底坡為1/40,軌距為1 435 mm,軌縫寬度為8 mm,平車采用LM 型輪緣踏面,車輪名義滾動半徑取430 mm,軸重取21 t,軌枕間距取600 mm。

臨時聯接裝置由一體全包式夾板及2 對螺栓組成,裝置長280 mm,其幾何參數與115RE 鋼軌匹配,由底部螺栓施加夾緊力,經試驗可滿足施工期鋼軌臨時連接需求。

鋼軌接頭輪軌接觸有限元模型見圖1。 車輪、鋼軌采用實體單元模擬,采用線性各向同性隨動硬化模型描述車輪和鋼軌的塑性流動特性,材料彈性模量E=210 GPa,強化模量Etan=21 GPa,屈服強度σr=481 MPa,極限抗拉強度σb=1 179 MPa,泊松比v=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。 臨時聯結裝置采用實體單元模擬,其彈性模量E=210 GPa,泊松比v=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。 軌枕采用實體單元模擬,其彈性模量E=34.5 GPa,泊松比v=0.2,密度ρ=2.5×103kg/m3。 扣件、道床和螺栓均采用連接器單元模擬,扣件剛度取150 kN/mm,道床剛度取95 kN/mm。為平衡計算精度和計算效率,有限元網格的劃分采用非均勻網格,將輪軌接觸區域細化至1 mm。 采用面-面接觸的方式定義輪軌接觸,輪軌接觸面法向采用“硬”接觸傳遞接觸壓力,切向采用罰函數描述輪軌間的摩擦作用,在干燥條件下的輪軌摩擦系數μ=0.35。

圖1 輪軌接觸有限元模型

將車輪中心點與車輪內表面耦合,將多體動力學仿真提取的輪軌力施加在耦合點上,其中橫向力取垂向力的10%,將縱向力轉化為牽引轉矩,以牽引系數衡量縱向力大小,牽引系數為0 時,不考慮縱向力,可視為車輛惰行;牽引系數為0.1 時,則縱向力取垂向力的10%,根據動力學仿真結果,牽引系數取0.1。 約束耦合點及鋼軌外端面的縱向位移,道床底部為完全約束。

2 鋼軌接頭疲勞力學特性分析

臨時聯結裝置連接方式與一般接頭夾板差別較大,為研究臨時連接裝置作用下鋼軌接頭疲勞力學特性,利用輪軌接觸有限元模型,以Mises 等效應力和等效塑性應變為主要指標,分析不同列車速度、軌縫值、道床剛度條件下的鋼軌應力應變規律。

2.1 列車速度對鋼軌疲勞力學特性的影響

列車通過鋼軌接頭時產生巨大的沖擊作用易導致鋼軌損傷、夾板斷裂等問題,隨著列車速度增大,沖擊作用也隨之增大,考慮列車過鋼軌接頭形成臺階,其Mises 等效應力、鋼軌等效塑性應變均有所提升,加速了鋼軌接頭的破壞。 為研究列車速度對鋼軌疲勞力學特性的影響,根據單一變量原則,以20 km/h 為增量,列車速度從25 km/h 增大至85 km/h 時,鋼軌最大Mises 等效應力和最大等效塑性應變見圖2。

圖2 列車速度工況鋼軌接觸特性

由圖2 可知,隨著列車速度提升,鋼軌Mises 等效應力、等效塑性應變均呈增大趨勢,鋼軌應力超過鋼軌屈服強度,但未達到鋼軌極限抗拉強度。 列車速度為85 km/h 時,鋼軌Mises 等效應力較列車速度為25 km/h 時增大3%,鋼軌等效塑性應變增大6.4%。由此可見,隨著速度增大引發的輪軌沖擊力增大,鋼軌接頭區域更容易發生坍塌變形。

2.2 軌縫值對鋼軌疲勞力學特性的影響

鋼軌接頭軌縫值過大導致輪軌相互作用增強,直接影響列車運行的平穩性及安全性。 通過改變軌縫值對鋼軌接頭疲勞力學特性進行分析。 鋼軌最大Mises等效應力和最大等效塑性應變見圖3。

由圖3 可知,隨著軌縫值增加3~10 mm,鋼軌接頭位置的輪軌接觸面積減小,列車沖擊力增大,鋼軌的Mises 等效應力、等效塑性應變均呈增大趨勢,有限元模型結果符合這一規律。 當軌縫值為10 mm 時,鋼軌最大等效應力為968.2 MPa,接近鋼軌抗拉極限,鋼軌等效塑性應變最大達到2.417%,較軌縫值為5 mm 時增大25%。 考慮列車牽引系數時鋼軌Mises 等效應力變化在2.1% ~ 2.8%,鋼軌等效塑性應變變化在4.7%~9.8%,軌縫值對輪軌接觸狀態影響顯著,縮小軌縫值可減小輪軌沖擊作用,進而延緩鋼軌病害的產生與發展。

2.3 道床剛度對鋼軌疲勞力學特性的影響

道床是整個軌道的基礎,道床剛度的大小直接影響道床的減振和緩沖能力,過小的道床剛度易導致軌道變形,道床剛度過大則會引起道床應力增大,進而造成鋼軌傷損。 荷載僅考慮輪軌垂向力,以25 kN/mm為增量,道床剛度自45 kN/mm 增大至120 kN/mm,鋼軌最大Mises 等效應力、最大等效塑性應變和鋼軌垂向位移見圖4。

圖4 道床剛度工況鋼軌接觸特性

由圖4 可知,隨著道床剛度增加,鋼軌的Mises 等效應力、等效塑性應變在道床剛度95 kN/mm 以內波動較小,當道床剛度達到120 kN/mm 時兩指標突然增大,但并未超過鋼軌抗拉極限。 鋼軌垂向位移見圖4(c)。 鋼軌位移呈非線性減小趨勢,道床剛度為45 kN/mm 時,鋼軌垂向位移達到2.6 mm,根據TB10461—2019《客貨共線鐵路工程動態驗收技術規范》,此時鋼軌垂向位移不應超過2.5 mm,長期輪軌相互作用易在鋼軌接頭區域形成鋼軌低接頭。 隨道床剛度的增大,軌道彈性主要由扣件及墊層提供,導致輪軌接觸應力增大,道床剛度過小則承載力下降,鋼軌垂向位移增大。 合理的道床剛度有助于平衡輪軌接觸狀態。

3 鋼軌接頭接觸疲勞損傷分析

以有限元仿真結果為基礎,分析在不同列車速度、軌縫值、道床剛度條件下的鋼軌接觸疲勞損傷。 基于安定理論計算輪軌接觸區域疲勞指數,可預測鋼軌疲勞類型[15]。 將疲勞參數FPmax 代入剪切型鋼軌疲勞裂紋萌生壽命預測公式[16-17],可預測鋼軌接頭疲勞裂紋萌生壽命,基于Miner 理論計算鋼軌單次疲勞損傷增量。

3.1 列車速度對接觸疲勞特性的影響

鋼軌接頭區域最大疲勞指數,鋼軌最小疲勞裂紋萌生壽命及其單次疲勞損傷增量見圖5(a)、圖5(b)。

圖5 列車速度工況鋼軌疲勞特性

由圖5(a)可知,隨著列車速度增加25~85 km/h,鋼軌疲勞指數呈增大趨勢,相對提升幅度為19%,疲勞指數均位于安定圖的棘輪效應區域,即在列車荷載循環作用下鋼軌易發生疲勞破壞。 由圖5(b)可知,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命隨列車速度的增大呈非線性下降趨勢。 鋼軌疲勞線性累計損傷增量隨列車速度的增大呈上升趨勢。 當列車速度超過45 km/h,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命差距較小。 合理控制車速有助于延長鋼軌接頭的服役壽命,考慮到每次運行的列車實際軸重及牽引系數會有所改變,建議將列車速度控制在65 km/h 以內。

3.2 軌縫值對接觸疲勞特性的影響

鋼軌接頭區域最大疲勞指數,鋼軌最小疲勞裂紋萌生壽命及其單次疲勞損傷增量見圖6(a)、圖6(b)。

圖6 軌縫值工況鋼軌疲勞特性

由圖6(a)可知,隨著軌縫值增加3~10 mm,鋼軌疲勞指數呈增大趨勢,當軌縫值小于5 mm 時,疲勞指數最大點位于彈性安定區;當軌縫值超過5 mm 時,疲勞指數位于棘輪效應區,鋼軌易發生疲勞破壞。 由圖6(b)可知,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命隨軌縫值的增大呈非線性下降趨勢。 鋼軌疲勞線性累計損傷增量呈上升趨勢。 軌縫值為3 mm 時,鋼軌最小疲勞裂紋萌生壽命是軌縫值為10 mm 時的3.55 倍。 隨著軌縫值增大,軌縫處車輪與軌頭邊緣沖擊作用增大,接觸面積減小,造成鋼軌疲勞壽命減小。 由此可見,軌縫值對鋼軌疲勞裂紋萌生壽命影響顯著,減小軌縫值有助于延長鋼軌服役壽命。 建議將軌縫值控制在8 mm 以內。

3.3 道床剛度對接觸疲勞特性的影響

鋼軌接頭區域的最大疲勞指數,鋼軌最小疲勞裂紋萌生壽命及其單次疲勞損傷增量見圖7。

圖7 道床剛度工況鋼軌疲勞特性

由圖7 (a) 可知, 隨著道床剛度增加45 ~120 kN/mm,鋼軌疲勞指數呈先增大后減小的趨勢。道床剛度為95 kN/mm 時,鋼軌疲勞指數達到最大值,相對于道床剛度為70 kN/mm 和120 kN/mm 時分別提升62.9%和33%,鋼軌疲勞指數均位于安定圖的棘輪效應區域,鋼軌易發生疲勞破壞。 由圖7(b)可知,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命隨道床剛度的增大呈先下降后上升的趨勢。 鋼軌疲勞線性累計損傷增量呈先上升后下降的趨勢。 道床剛度為95 kN/mm 時,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命達到谷值。 可見,合理匹配軌道結構剛度有助于延長鋼軌服役壽命。 結合鋼軌垂向位移等力學指標變化規律,建議施工階段將道床剛度控制在70 ~120 kN/mm。

4 結論

針對施工階段鋼軌接頭損傷的產生和發展問題,建立臨時聯結裝置作用下的輪軌接觸有限元模型,分析不同參數條件下的鋼軌疲勞受力特性及鋼軌疲勞裂紋萌生壽命,得到如下結論。

(1)列車速度由25 km/h 增大至85 km/h 時,輪軌間接觸區域應力應變增大,鋼軌疲勞裂紋萌生壽命降低。 因此,降低列車速度有助于延緩鋼軌接頭沖擊損傷,建議將列車速度限制在65 km/h 以內。

(2)軌縫值對鋼軌接頭疲勞力學特性及疲勞裂紋萌生壽命影響顯著。 綜合考慮,軌縫值應控制在8 mm以內,宜在軌縫中安裝厚度比軌縫值小2 mm 的絕緣塑料板,并使絕緣塑料板與鋼軌端部頂面平齊。

(3)道床剛度由45 kN/mm 增大至120 kN/mm時,鋼軌垂向位移呈非線性下降,鋼軌接觸區域應力應變呈上升趨勢,疲勞裂紋萌生壽命在道床剛度為95 kN/mm 時達到谷值,合理地匹配軌道結構剛度有利于延長鋼軌服役壽命。

(4)在施工過程中,應對鋼軌接頭位置進行定期檢查和測量,及時處理軌縫值擴大、軌端磨損嚴重等問題。 同時,應盡量避免在軌縫處啟動或停車,避免急劇牽引力加重鋼軌接頭損傷。