重载铁路钢轨焊缝不平顺对扣件弹条动态应力的影响分析

摘要

钢轨扣件是轨道结构的重要组成部分，其作用是固定钢轨正确位置，阻止钢轨横向、纵向位移，承受和传递列车纵向、垂向及横向作用力，并给轨道提供一定的弹性。近年来，货运列车轴重、行车密度、行车速度以及牵引总重量不断提升，铁路线路荷载条件越来越恶劣，导致轨道结构损伤和破坏问题更加突出。其中，钢轨焊缝不平顺引起的扣件弹条疲劳损伤甚至折断现象较为普遍。在此背景下，本文针对重载铁路上广泛使用的弹条Ⅱ型扣件，综合运用有限元法和车辆—轨道耦合动力学方法，开展了弹条动应力与疲劳寿命分析。
　　采用非线性接触理论，建立包括平垫圈、弹条、轨距挡块以及挡板座的详细有限元分析模型。利用该模型研究了扣件弹条在不同螺栓预压力作用下的力学性能，重点分析了扣件系统安装到位后弹条表面等效应力分布以及最大应力处横截面的应力变化情况。结果表明，当螺栓预压力达到25kN时扣件系统安装到位，弹条扣压力为10.2kN、弹程为10.7mm，符合弹条Ⅱ型扣件设计的要求;在弹条后弯肢处深度约为0.4mm的表层发生了轻微塑性屈服，这与工程实际基本一致，表明本文建立的有限元分析模型能够较准确地模拟扣件弹条应力应变状态。
　　运用车辆轨道—耦合动力学理论方法计算得到焊缝不平顺激扰下扣件系统动荷载，分析了扣件弹条动态应力和垂向振动位移响应。结果表明，在理想平顺线路条件下，车速对弹条动态应力及垂向振动位移基本没有影响，其变化幅值的大小主要由轴重决定;当存在焊缝不平顺时，弹条动态应力和垂向振动位移幅值均随轴重和车速的提高而增大;轮对通过焊缝不平顺瞬间，弹条等效应力和垂向振动位移随轴重变化不大，随车速提高快速增大。在相同波深条件下，弹条等效应力和垂向振动位移幅值以及突变值随波长减小呈快速增大，特别是当波长小于0.2m以后，弹条动力响应急剧增大;在相同波长条件下，弹条等效应力和垂向振动位移变化幅值以及轮对通过焊缝不平顺瞬间的突变值均随波深增加呈线性增大。
　　基于扣件弹条静力学和动力学计算结果，分析了扣件弹条在恒幅载荷和焊缝不平顺激扰下的疲劳寿命。结果表明，在疲劳试验标准给出的载荷工况下，Ⅱ型弹条疲劳寿命满足500万次的要求;存在焊缝不平顺时，弹条疲劳寿命随轴重、行车速度、不平顺波深的增大而减少，随不平顺波长的增大而增加。其中，轴重和焊缝冲击共同引起的高应力幅值对弹条疲劳寿命起主要作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 铁路扣件系统

1．2．1 扣件的组成和分类

1．2．2 国内扣件使用情况

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 本文的主要内容

第2章 疲劳寿命分析基础理论

2．1 疲劳与疲劳寿命

2．1．1 疲劳分类

2．1．2 疲劳寿命

2．2 材料的疲劳性能

2．2．1 疲劳分析常用参量

2．2．2 材料基本S-N曲线

2．2．3 平均应力的影响

2．3 疲劳累积损伤理论

2．4 随机谱与循环计数

2．5 结构寿命预测方法

2．6 本章小结

第3章 扣件系统有限元分析模型

3．1 弹条Ⅱ型扣件系统

3．1．1 扣件系统组装与功能

3．1．2 扣件系统工作原理

3．1．3 扣件系统理论分析

3．2 扣件有限元模型

3．2．1 扣件系统实体模型

3．2．2 材料参数和本构关系

3．2．3 有限元网格划分

3．2．4 边界条件与约束

3．2．5 弹条屈服准则

3．3 本章小结

第4章 扣件系统安装受力分析

4．1 扣件系统接触参数选取

4．1．1 接触刚度对接触力学行为的影响

4．1．2 穿透容差对接触力学行为的影响

4．2 扣件弹条力学性能分析

4．2．1 扣压力与弹条变形分析

4．2．2 弹条等效应力与应变分析

4．3 扣件弹条应力应变分布

4．3．1 弹条表面应力及变形分布

4．3．2 弹条应力轴向及径向分布

4．4 本章小结

第5章 扣件弹条动应力与振动位移

5．1 扣件系统动荷载模拟

5．1．1 车辆-轨道耦合动力学模型

5．1．2 复合焊缝不平顺模型

5．1．3 扣件动态响应分析方法

5．2 平顺线路上弹条动应力与振动位移

5．2．1 轴重对弹条动态响应的影响

5．2．2 行车速度对弹条动态响应的影响

5．3 焊缝不平顺线路上弹条动应力与振动位移

5．3．1 考虑焊缝不平顺时轴重对弹条动态响应的影响

5．3．2 考虑焊缝不平顺时行车速度对弹条动态响应的影响

5．3．3 焊缝不平顺与平顺线路上弹条动态响应比较

5．4 焊缝不平顺波长和波深对弹条动态响应的影响

5．4．1 波长对弹条动态响应的影响

5．4．2 波深对弹条动态响应的影响

5．5 本章小结

第6章 扣件弹条疲劳寿命分析

6．1 弹条材料基本S-N曲线

6．2 弹条疲劳寿命数值试验

6．3 焊缝不平顺对弹条疲劳寿命的影响

6．3．1 考虑焊缝不平顺时轴重对弹条疲劳寿命的影响

6．3．2 考虑焊缝不平顺时车速对弹条疲劳寿命的影响

6．3．3 焊缝不平顺波长对弹条疲劳寿命的影响

6．3．4 焊缝不平顺波深对弹条疲劳寿命的影响

6．4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目