钢轨波磨下扣件弹条疲劳断裂机理研究

摘要

扣件是连接钢轨与轨下基础的纽带，其作用十分重要。在高速铁路钢轨波磨地段出现了扣件弹条断裂现象，弹条断裂后削弱了扣件对钢轨的约束能力，影响行车安全。本文针对钢轨波磨地段WJ-7型扣件弹条断裂问题，主要进行了如下五方面工作:
　　1.建立了适用于钢轨波磨地段弹条动力分析的车辆-轨道耦合系统中高频动力学模型。
　　钢轨波磨引起轮轨系统的中高频振动，当前常采用的车辆-轨道耦合系统动力学模型不适用于中高频振动分析，为此建立了能够考虑轮对和扣件系统中高频振动特性的车辆-轨道耦合系统动力学模型。
　　2.建立了轮对中高频振动模型。
　　通过对轮对的振动特性进行研究，提出了两种轮对中高频振动模型，并研究了两种模型适应的频率范围。针对钢轨波磨地段的扣件振动问题，推荐采用梁-板-梁轮对有限元模型。在白噪声不平顺激励下，研究了轮对弹性变形对轨道系统动力响应的影响。
　　3.建立了扣件系统中高频振动模型。
　　对扣件系统各部分的简化方式进行分析，确定弹条采用梁单元模拟，铁垫板采用板壳单元模拟，弹条与铁垫板、绝缘垫块以及螺栓之间竖向采用接触刚度连接，纵、横向采用非线性阻尼单元连接。采用经典法与有限元法对弹条与铁垫板、绝缘垫块以及螺栓间的接触刚度取值进行了研究。在上述研究的基础上，建立了能够考虑弹条与相接触部件间相对位移以及弹条组合结构刚度随振动频率变化特性的扣件系统中高频振动模型，并研究了扣件系统中高频振动模型的动力特性与扣件传统模型的差别，以及弹条与其他相接触部件之间的相对位移对弹条振动的影响。
　　4.对有钢轨波磨和无钢轨波磨两种工况下扣件系统动力响应进行分析，研究了钢轨波磨幅值、行车速度、螺栓预压力以及橡胶垫板刚度的影响。
　　采用车辆-轨道耦合系统中高频动力学模型，计算了有钢轨波磨和无钢轨波磨下扣件系统的动力响应，从频域和时域两个角度分析了钢轨波磨对扣件系统动力响应的影响。在钢轨波磨一定下，分析了不同行车速度时扣件系统的动力响应，结果表明W J-7型扣件弹条最不利激振频率在866Hz左右。
　　5.研究了钢轨波磨下扣件弹条疲劳破坏的机理以及钢轨波磨幅值、螺栓预压力、行车速度和橡胶垫板刚度对扣件弹条疲劳破坏的影响。
　　根据钢轨波磨下扣件弹条的动力响应，判断扣件弹条容易发生疲劳断裂的危险点以及该点的受载形式。采用多向应力状态下疲劳寿命的分析方法，计算了扣件弹条危险点处的疲劳寿命，研究表明钢轨波磨引起扣件弹条断裂是由两个大循环的幅值增大引起，循环次数增多的影响较小。所计算的钢轨波磨工况下两个大循环的Goodman修正幅值比无波磨时增加了45.45％，一节车厢造成的累积损伤为无钢轨波磨下的60倍。

目录

声明

摘要

第1章 概述

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外扣件系统发展现状

1．2．1 国外扣件系统发展现状

1．2．2 国内扣件系统发展现状

1．3 弹条式扣件的主要伤损

1．3．1 弹条伤损

1．3．2 锚固件伤损

1．3．3 弹性垫板伤损

1．4 扣件弹条断裂成因分析

1．4．1 材料和加工工艺分析

1．4．2 弹条受力分析

1．5 当前研究存在的主要问题

1．5．1 动力学模型方面

1．5．2 弹条断裂的影响因素方面

1．5．3 弹条断裂机理方面

1．6 本文研究内容及研究思路

1．6．1 车辆-轨道耦合系统中高频动力学模型

1．6．2 弹条动力响应计算及疲劳寿命分析

第2章 车辆-轨道耦合系统中高频动力学模型

2．1 钢轨波磨引起的轮轨系统振动频率分析

2．2 中高频振动下模型中应该考虑的问题

2．2．1 轮对中高频振动问题

2．2．2 钢轨中高频振动问题

2．2．3 扣件系统中高频振动问题

2．3 车辆-轨道耦合系统中高频动力学模型

2．4 本章小结

第3章 轮对中高频振动模型

3．1 轮对中高频振动特性研究

3．1．1 轮对有限元模型

3．1．2 轮对振动特性分析

3．2 轮对中高频振动模型

3．2．2 轮对梁-刚体模型

3．3 轮对中高频振动模型适应的频率范围研究

3．3．2 轮对梁-刚体模型

3．4 轮对弹性变形对轨道系统动力响应的影响分析

3．5 本章小结

第4章 扣件系统中高频振动模型

4．1 扣件系统各部分简化分析

4．1．1 弹条简化

4．1．2 铁垫板简化

4．1．3 接触关系的简化

4．2 接触刚度的经典法求解

4．2．1 经典法公式推导

4．2．2 相关计算参数

4．2．3 接触刚度结果分析

4．3 接触刚度的线性简化

4．3．1 有限元模型

4．3．2 计算结果分析

4．3．3 有限元法与经典法计算结果对比

4．3．4 接触刚度线性简化

4．4 扣件系统中高频振动模型

4．5 扣件中高频振动模型与传统模型的动力特性对比

4．6 弹条与相接触部件间的相对位移对弹条振动的影响分析

4．7 本章小结

第5章 扣件系统动力响应分析

5．1 预压力下弹条模态分析

5．2 螺栓预压力施加

5．3 扣件区域钢轨节点竖向调整

5．4 钢轨波磨地段扣件系统动力响应分析

5．4．1 钢轨波浪形磨耗

5．4．2 扣件系统动力响应分析

5．5 弹条振动的影响因素分析

5．5．1 钢轨波磨幅值的影响

5．5．2 螺栓预压力的影响

5．5．3 行车速度的影晌

5．5．4 橡胶垫板刚度的影响

5．6 本章小结

第6章 扣件弹条疲劳寿命分析

6．1 确定扣件弹条危险节点

6．1．1 判断弹条危险区域

6．1．2 单元结果提取及受载形式判断

6．1．3 危险节点确定

6．2 扣件弹条疲劳寿命分析方法

6．2．1 平面应力状态下疲劳寿命分析方法

6．2．2 三向应力状态下疲劳寿命分析方法

6．2．3 疲劳寿命分析方法的选择

6．3 扣件弹条疲劳寿命计算

6．4 扣件弹条疲劳寿命的影响因素分析

6．4．1 钢轨波磨幅值的影响

6．4．2 螺栓预压力的影响

6．4．3 行车速度的影响

6．4．4 橡胶垫板刚度的影响

6．5 本章小结

结论与展望

本文主要结论

进一步研究的建议

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

参加的主要科研项目