临时联结装置下钢轨接头疲劳裂纹萌生寿命分析

张文丰 李 剑 陈 辉 陈 滨

(中国港湾工程有限责任公司,北京 100027)

引言

有砟轨道因其良好的减振抗噪性能、便于维修等特点被广泛应用于中低速铁路。 钢轨是决定列车运行安全的重要组成部分,钢轨接头作为轨道的三大薄弱环节之一,其重要性不容忽视。 施工期间,现场存在大量的钢轨接头,为避免钻孔对钢轨造成二次损伤,一般采用临时联结装置实现钢轨的无损连接,以减弱车辆在钢轨接头的冲击作用,减缓施工期间钢轨接头损伤的产生及发展。 而临时联结装置长度一般较接头夹板短,结构形式差异较大。 因此,有必要对临时联结装置作用下钢轨接头疲劳裂纹萌生寿命进行研究。

疲劳裂纹是常见的钢轨损伤形式[1]。 钢轨疲劳裂纹一旦发展至踏面剥离或钢轨断裂,会严重恶化轮轨关系,威胁列车的运行安全。 为此,部分学者在分析不同因素对轮轨接触状态影响的基础上,对钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测展开了研究。 刘云涛等通过有限元法分析不同轨底坡下轮轨接触状态及钢轨疲劳裂纹萌生寿命[2];肖乾等研究不同摩擦系数下轮轨接触特性,并基于安定图和损伤函数分析摩擦系数对车轮接触疲劳的影响[3];梁喜仁等建立基于安定图和损伤函数的钢轨接触疲劳预测模型[4];周宇等将ARCHARD磨耗理论同临界平面法相结合,提出一种考虑磨耗的钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测模型[5];李俊琛等利用有限元法模拟不同轴重CRH5 型动车组的轮轨滚动接触应力状态[6]。

相关资料显示[7],接头区域冲击力最高可达到正常值的4~5 倍,严重影响钢轨的服役功能及寿命。MANDAL 等研究胶接接头作用下钢轨轨头的受力特性[8-9];蔡武等分析车轮到轨缝的距离变化条件下钢轨的接触应力变化规律[10];刘光鹏等通过静态测试和行车试验,分析重载列车作用下胶结接头损坏前后对轨道结构振动特性的影响[11];温泽峰等基于有限元法研究在不同轴重车轮冲击作用下钢轨轨头的应力分布规律[12];YANG 等建立车轮-绝缘钢轨接头(IRJ)有限元模型,分析车轮滚动冲击下的轮轨接触特性[13];徐晓迪等基于接头区域车辆动态响应数据研究钢轨接头损伤特性[14]。 目前,对钢轨接头的研究多集中在常规接头夹板作用下轮轨接触特性,对钢轨疲劳特性的研究多集中在无缝线路,而对临时联结装置下钢轨疲劳力学特性及疲劳裂纹萌生寿命的研究尚不充分。

建立带有临时联结装置的轮轨接触有限元模型,联合多体动力学仿真结果,分析不同列车速度、轨缝值以及道床刚度条件下的轮轨接触应力应变规律;在此基础上分析以上参数对轮轨接触疲劳特性的影响。 研究结果将对减少施工过程中钢轨接头损伤具有指导意义。

1 钢轨接头轮轨接触有限元模型

平车是施工阶段常见的物资运输车辆,选取施工期平车运输条件下的钢轨接头区域,建立三维轮轨接触有限元模型。 由于轨道结构的对称性,故取单侧。此模型采用115RE 钢轨,一侧钢轨长度为400 mm,轨底坡为1/40,轨距为1 435 mm,轨缝宽度为8 mm,平车采用LM 型轮缘踏面,车轮名义滚动半径取430 mm,轴重取21 t,轨枕间距取600 mm。

临时联接装置由一体全包式夹板及2 对螺栓组成,装置长280 mm,其几何参数与115RE 钢轨匹配,由底部螺栓施加夹紧力,经试验可满足施工期钢轨临时连接需求。

钢轨接头轮轨接触有限元模型见图1。 车轮、钢轨采用实体单元模拟,采用线性各向同性随动硬化模型描述车轮和钢轨的塑性流动特性,材料弹性模量E=210 GPa,强化模量Etan=21 GPa,屈服强度σr=481 MPa,极限抗拉强度σb=1 179 MPa,泊松比v=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。 临时联结装置采用实体单元模拟,其弹性模量E=210 GPa,泊松比v=0.3,密度ρ=7.85×103kg/m3。 轨枕采用实体单元模拟,其弹性模量E=34.5 GPa,泊松比v=0.2,密度ρ=2.5×103kg/m3。 扣件、道床和螺栓均采用连接器单元模拟,扣件刚度取150 kN/mm,道床刚度取95 kN/mm。为平衡计算精度和计算效率,有限元网格的划分采用非均匀网格,将轮轨接触区域细化至1 mm。 采用面-面接触的方式定义轮轨接触,轮轨接触面法向采用“硬”接触传递接触压力,切向采用罚函数描述轮轨间的摩擦作用,在干燥条件下的轮轨摩擦系数μ=0.35。

图1 轮轨接触有限元模型

将车轮中心点与车轮内表面耦合,将多体动力学仿真提取的轮轨力施加在耦合点上,其中横向力取垂向力的10%,将纵向力转化为牵引转矩,以牵引系数衡量纵向力大小,牵引系数为0 时,不考虑纵向力,可视为车辆惰行;牵引系数为0.1 时,则纵向力取垂向力的10%,根据动力学仿真结果,牵引系数取0.1。 约束耦合点及钢轨外端面的纵向位移,道床底部为完全约束。

2 钢轨接头疲劳力学特性分析

临时联结装置连接方式与一般接头夹板差别较大,为研究临时连接装置作用下钢轨接头疲劳力学特性,利用轮轨接触有限元模型,以Mises 等效应力和等效塑性应变为主要指标,分析不同列车速度、轨缝值、道床刚度条件下的钢轨应力应变规律。

2.1 列车速度对钢轨疲劳力学特性的影响

列车通过钢轨接头时产生巨大的冲击作用易导致钢轨损伤、夹板断裂等问题,随着列车速度增大,冲击作用也随之增大,考虑列车过钢轨接头形成台阶,其Mises 等效应力、钢轨等效塑性应变均有所提升,加速了钢轨接头的破坏。 为研究列车速度对钢轨疲劳力学特性的影响,根据单一变量原则,以20 km/h 为增量,列车速度从25 km/h 增大至85 km/h 时,钢轨最大Mises 等效应力和最大等效塑性应变见图2。

图2 列车速度工况钢轨接触特性

由图2 可知,随着列车速度提升,钢轨Mises 等效应力、等效塑性应变均呈增大趋势,钢轨应力超过钢轨屈服强度,但未达到钢轨极限抗拉强度。 列车速度为85 km/h 时,钢轨Mises 等效应力较列车速度为25 km/h 时增大3%,钢轨等效塑性应变增大6.4%。由此可见,随着速度增大引发的轮轨冲击力增大,钢轨接头区域更容易发生坍塌变形。

2.2 轨缝值对钢轨疲劳力学特性的影响

钢轨接头轨缝值过大导致轮轨相互作用增强,直接影响列车运行的平稳性及安全性。 通过改变轨缝值对钢轨接头疲劳力学特性进行分析。 钢轨最大Mises等效应力和最大等效塑性应变见图3。

由图3 可知,随着轨缝值增加3~10 mm,钢轨接头位置的轮轨接触面积减小,列车冲击力增大,钢轨的Mises 等效应力、等效塑性应变均呈增大趋势,有限元模型结果符合这一规律。 当轨缝值为10 mm 时,钢轨最大等效应力为968.2 MPa,接近钢轨抗拉极限,钢轨等效塑性应变最大达到2.417%,较轨缝值为5 mm 时增大25%。 考虑列车牵引系数时钢轨Mises 等效应力变化在2.1% ~ 2.8%,钢轨等效塑性应变变化在4.7%~9.8%,轨缝值对轮轨接触状态影响显著,缩小轨缝值可减小轮轨冲击作用,进而延缓钢轨病害的产生与发展。

2.3 道床刚度对钢轨疲劳力学特性的影响

道床是整个轨道的基础,道床刚度的大小直接影响道床的减振和缓冲能力,过小的道床刚度易导致轨道变形,道床刚度过大则会引起道床应力增大,进而造成钢轨伤损。 荷载仅考虑轮轨垂向力,以25 kN/mm为增量,道床刚度自45 kN/mm 增大至120 kN/mm,钢轨最大Mises 等效应力、最大等效塑性应变和钢轨垂向位移见图4。

图4 道床刚度工况钢轨接触特性

由图4 可知,随着道床刚度增加,钢轨的Mises 等效应力、等效塑性应变在道床刚度95 kN/mm 以内波动较小,当道床刚度达到120 kN/mm 时两指标突然增大,但并未超过钢轨抗拉极限。 钢轨垂向位移见图4(c)。 钢轨位移呈非线性减小趋势,道床刚度为45 kN/mm 时,钢轨垂向位移达到2.6 mm,根据TB10461—2019《客货共线铁路工程动态验收技术规范》,此时钢轨垂向位移不应超过2.5 mm,长期轮轨相互作用易在钢轨接头区域形成钢轨低接头。 随道床刚度的增大,轨道弹性主要由扣件及垫层提供,导致轮轨接触应力增大,道床刚度过小则承载力下降,钢轨垂向位移增大。 合理的道床刚度有助于平衡轮轨接触状态。

3 钢轨接头接触疲劳损伤分析

以有限元仿真结果为基础,分析在不同列车速度、轨缝值、道床刚度条件下的钢轨接触疲劳损伤。 基于安定理论计算轮轨接触区域疲劳指数,可预测钢轨疲劳类型[15]。 将疲劳参数FPmax 代入剪切型钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测公式[16-17],可预测钢轨接头疲劳裂纹萌生寿命,基于Miner 理论计算钢轨单次疲劳损伤增量。

3.1 列车速度对接触疲劳特性的影响

钢轨接头区域最大疲劳指数,钢轨最小疲劳裂纹萌生寿命及其单次疲劳损伤增量见图5(a)、图5(b)。

图5 列车速度工况钢轨疲劳特性

由图5(a)可知,随着列车速度增加25~85 km/h,钢轨疲劳指数呈增大趋势,相对提升幅度为19%,疲劳指数均位于安定图的棘轮效应区域,即在列车荷载循环作用下钢轨易发生疲劳破坏。 由图5(b)可知,钢轨疲劳裂纹萌生寿命随列车速度的增大呈非线性下降趋势。 钢轨疲劳线性累计损伤增量随列车速度的增大呈上升趋势。 当列车速度超过45 km/h,钢轨疲劳裂纹萌生寿命差距较小。 合理控制车速有助于延长钢轨接头的服役寿命,考虑到每次运行的列车实际轴重及牵引系数会有所改变,建议将列车速度控制在65 km/h 以内。

3.2 轨缝值对接触疲劳特性的影响

钢轨接头区域最大疲劳指数,钢轨最小疲劳裂纹萌生寿命及其单次疲劳损伤增量见图6(a)、图6(b)。

图6 轨缝值工况钢轨疲劳特性

由图6(a)可知,随着轨缝值增加3~10 mm,钢轨疲劳指数呈增大趋势,当轨缝值小于5 mm 时,疲劳指数最大点位于弹性安定区;当轨缝值超过5 mm 时,疲劳指数位于棘轮效应区,钢轨易发生疲劳破坏。 由图6(b)可知,钢轨疲劳裂纹萌生寿命随轨缝值的增大呈非线性下降趋势。 钢轨疲劳线性累计损伤增量呈上升趋势。 轨缝值为3 mm 时,钢轨最小疲劳裂纹萌生寿命是轨缝值为10 mm 时的3.55 倍。 随着轨缝值增大,轨缝处车轮与轨头边缘冲击作用增大,接触面积减小,造成钢轨疲劳寿命减小。 由此可见,轨缝值对钢轨疲劳裂纹萌生寿命影响显著,减小轨缝值有助于延长钢轨服役寿命。 建议将轨缝值控制在8 mm 以内。

3.3 道床刚度对接触疲劳特性的影响

钢轨接头区域的最大疲劳指数,钢轨最小疲劳裂纹萌生寿命及其单次疲劳损伤增量见图7。

图7 道床刚度工况钢轨疲劳特性

由图7 (a) 可知, 随着道床刚度增加45 ~120 kN/mm,钢轨疲劳指数呈先增大后减小的趋势。道床刚度为95 kN/mm 时,钢轨疲劳指数达到最大值,相对于道床刚度为70 kN/mm 和120 kN/mm 时分别提升62.9%和33%,钢轨疲劳指数均位于安定图的棘轮效应区域,钢轨易发生疲劳破坏。 由图7(b)可知,钢轨疲劳裂纹萌生寿命随道床刚度的增大呈先下降后上升的趋势。 钢轨疲劳线性累计损伤增量呈先上升后下降的趋势。 道床刚度为95 kN/mm 时,钢轨疲劳裂纹萌生寿命达到谷值。 可见,合理匹配轨道结构刚度有助于延长钢轨服役寿命。 结合钢轨垂向位移等力学指标变化规律,建议施工阶段将道床刚度控制在70 ~120 kN/mm。

4 结论

针对施工阶段钢轨接头损伤的产生和发展问题,建立临时联结装置作用下的轮轨接触有限元模型,分析不同参数条件下的钢轨疲劳受力特性及钢轨疲劳裂纹萌生寿命,得到如下结论。

(1)列车速度由25 km/h 增大至85 km/h 时,轮轨间接触区域应力应变增大,钢轨疲劳裂纹萌生寿命降低。 因此,降低列车速度有助于延缓钢轨接头冲击损伤,建议将列车速度限制在65 km/h 以内。

(2)轨缝值对钢轨接头疲劳力学特性及疲劳裂纹萌生寿命影响显著。 综合考虑,轨缝值应控制在8 mm以内,宜在轨缝中安装厚度比轨缝值小2 mm 的绝缘塑料板,并使绝缘塑料板与钢轨端部顶面平齐。

(3)道床刚度由45 kN/mm 增大至120 kN/mm时,钢轨垂向位移呈非线性下降,钢轨接触区域应力应变呈上升趋势,疲劳裂纹萌生寿命在道床刚度为95 kN/mm 时达到谷值,合理地匹配轨道结构刚度有利于延长钢轨服役寿命。

(4)在施工过程中,应对钢轨接头位置进行定期检查和测量,及时处理轨缝值扩大、轨端磨损严重等问题。 同时,应尽量避免在轨缝处启动或停车,避免急剧牵引力加重钢轨接头损伤。