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原文传递高速铁路无砟轨道无挡肩扣件弹条疲劳与断裂研究

论文题名：	高速铁路无砟轨道无挡肩扣件弹条疲劳与断裂研究
关键词：	高速铁路;无砟轨道;无挡肩扣件;弹条疲劳;弹条断裂
摘要：	扣件系统是轨道结构的重要组成部分，用于保持轨道的几何形位，并提供一定的弹性与绝缘性，对保障轨道结构的稳定与安全至关重要。近年来，随着铁路列车速度的提高、轴重的增加、运量的提升等，扣件系统中弹条疲劳与断裂问题日益严重，制约运输效率，威胁行车安全。本文基于静力分析、疲劳理论、断裂理论、扫频原理对弹条伤损机理进行研究，揭示弹条断裂的原因，模拟弹条断裂的过程，预测弹条在断裂前和断裂过程中的疲劳寿命，并提出一定的优化建议。主要工作和结论如下: 　　(1)按照60N钢轨及WJ-7型扣件系统部件实际尺寸建立了钢轨-W J-7型扣件系统三维实体有限元模型。基于非线性接触理论处理各部件之间的接触关系，采用双线性强化模型模拟弹条60Si2MnA材料，并基于C3D10I单元进行离散，实现较高的计算精度。选用第四强度理论（Mises准则）作为弹条强度的控制评价指标，采用第三强度理论（Tresca准则）作为弹条强度的辅助评价指标，构建了弹条伤损分析的评价方法。采用声振互易法的模态测试试验验证模型的合理性。　　(2)系统研究了弹条在不同安装载荷、不同钢轨垂向位移、不同钢轨横向位移作用下的力学性能，从应力应变角度分析弹条断裂位置，揭示弹条断裂原因。服役状态下的弹条受到拉压、弯曲、扭转、剪切合力作用。不同安装载荷、不同钢轨垂向位移、不同钢轨横向位移作用下弹条最大Mises应力、剪应力最大值、最大塑性应变均出现在弹条后端圆弧内外肢连接处，弹条最大主应力出现在弹条后端圆弧外肢，上述区域是现场弹条容易发生断裂的区域。　　(3)采用名义应力法中的Basquin准则（Goodman平均应力修正）以及局部应力应变法中的Brown Miller准则（Morrow平均应力修正）、Miner线性疲劳累积损伤理论及雨流计数法分析弹条在20kN、26.21kN、30kN、40kN、50kN的不同安装载荷，实测钢轨垂向位移时程载荷作用下的疲劳性能。安装载荷越大，弹条疲劳寿命越低。采用Basquin准则（Goodman平均应力修正）、Miner线性疲劳累积损伤理论及雨流计数法对纯弹性状态下的弹条进行疲劳分析时，计算出的疲劳寿命分别为10e10.1972次、10e10.0903次、10e10.0175次、10e9.7717次、10e9.5548次;采用Brown Miller准则（Morrow平均应力修正）、Miner线性疲劳累积损伤理论及雨流计数法对局部区域发生塑性的弹条进行疲劳分析时，计算出的疲劳寿命分别为10e13.4707次、10e12.6083次、10e10.5285次、10e10.0369次、10e9.8812次。弹条后端圆弧与铁垫板接触处、弹条后端圆弧外肢为疲劳分析中的危险区域。　　(4)采用断裂理论中的应力强度因子理论、最大周向应力准则、疲劳裂纹扩展理论（选用Paris公式），模拟弹条在(a)扣件安装载荷为26.21kN，循环载荷为0～1～0mm、0～1.5～0mm、0～2～0rnm的钢轨垂向位移;(b)循环载荷为0～1.5～0mm的钢轨垂向位移，扣件安装载荷为20kN、26.21kN、30kN、40kN两种工况下弹条由初裂纹扩展至完全断裂的过程及断裂过程的疲劳寿命。扣件安装载荷增大或循环载荷变化幅度的增加均会导致弹条断裂过程寿命的降低，工况(a)中对应的疲劳寿命分别为194510次、132420次、88524次;工况(b)中对应的疲劳寿命分别为164422次、132420次、94282次、52165次。随着裂纹深度的增加，裂纹疲劳扩展速率增大。　　(5)采用扫频分析方法，结合高速铁路列车通过钢轨波磨地段时，由钢轨波磨激发的频率范围514Hz～578Hz，从扣件安装载荷、弹条密度、弹条弹性模量角度提出优化建议:弹条处于欠拧和严重过拧状态下均易发生共振，建议弹条处于轻微过拧状态，即建议安装载荷取值范围为27～38kN;弹条处于正常安装载荷(26.21kN)时，建议采用的弹条材料密度取值范围为小于6800kg·m-3或大于12200kg·m-3;弹条处于正常安装载荷(26.21kN)时，建议采用的弹条材料弹性模量取值范围为156000～202000MPa或大于225000MPa。
作者：	刘铁旭
专业：	道路与铁道工程
导师：	高亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文