地铁e型弹条扣件系统疲劳伤损机理研究

摘要

扣件系统为轨道结构提供一定的弹性并保持轨道几何形位，对保证轨道的稳定性、安全性至关重要。近年来，隧道地铁线路运量的不断提升以及行车间隔的不断缩小等原因，扣件系统疲劳伤损问题日益严重，威胁行车安全，制约运输效率。本文基于静动态受力和频谱特性对扣件系统疲劳伤损机理进行系统研究，揭示弹条的断裂原因，并预测弹条的疲劳寿命，最后提出优化设计方案。主要工作和结论如下:
　　1.按照实物设计尺寸建立地铁扣件系统精细化有限元模型，采用非线性接触理论和非线性笛卡尔(Nonlinear Cartesian)弹簧方法处理接触关系和边界条件，选用第四强度理论（Mises准则）作为弹条强度的控制评价指标。
　　2.系统研究了弹条在各种安装状态下的静态受力分布特征，从应力应变角度揭示弹条断裂原因。当后拱与铁垫板支座之间距离过小时，后拱内侧产生较大的集中应力引起疲劳损坏，即弹条弹程和中肢插入深度不当是引起弹条断裂的重要原因。
　　3.建立弹条—铁垫板有限元动力分析模型，对弹条自然和服役状态下的振动特性进行时频分析，探讨其断裂机理，并进行了弹条力学指标和波磨测试试验，揭示弹条固有频率、振型和波磨通过频率之间的内在联系。频域分析表明，在外界一定频率激扰作用下，会引发弹条共振，增大其振动幅度，进而使后拱拉压应力、扭矩增大（结合模态振型），弹条疲劳受损折断。通过对试验测试进行频谱分析可知，测试段的波磨通过频率与弹条自然和服役状态的前两阶共振频率(808Hz～812Hz、869Hz/410Hz～420Hz、530Hz)一致，研究认为，地铁线路中钢轨波磨病害是引起弹条共振疲劳伤损的主要激扰源。
　　4.通过编辑ABAQUS/FE-SAFE模块，研究了弹条在列车循环荷载作用下的疲劳性能，对弹条疲劳寿命进行了预测。研究表明，在后拱与铁垫板距离d=1.5mm以及d=3mm、h=14mm各工况下，弹条疲劳寿命均低于500万次，尤其是d=1.5mm、h=14mm时，扣件系统理论正常工作时间仅为8个月。因此，中肢插入深度和弹程的错误匹配和不合理安装是造成弹条断裂的重要原因。
　　5.根据研究结论，对弹条进行了科学的优化设计。安装时弹程应控制在10mm～12mm之间，后拱与铁垫板支座距离应控制在3mm～9mm之间;根据波磨波长的大小，改变铁垫板和扣件系统零部件质量或橡胶垫板刚度kt值，或改变行车速度，避免弹条共振现象。
　　6.建立车辆—轨道—隧道空间耦合动力分析模型，从宏观上探讨了扣件伤损对轨道结构和行车安全的动力影响机理。研究表明，扣件系统的失效会增大轨道结构的动力响应，尤其引起相邻两侧各4组范围的扣件支反力发生突变，威胁行车安全性和稳定性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 存在的问题

1．4 研究内容和研究方法

1．5 创新点

2 e型弹条扣件系统有限元模型

2．1 材料特性

2．2 有限元模型的建立

2．3 接触关系设置

2．4 弹条伤损评价指标

2．5 本章小结

3 基于静力性能分析的扣件伤损劣化机理研究

3．1 规范安装工况弹条静力性能分析

3．1．1 弹条变形分析

3．1．2 弹条Mises应力

3．1．3 弹条XY面剪应力

3．1．4 弹条Y方向正应力

3．2 弹程对弹条受力的影响

3．2．1 弹条扣压力

3．2．2 弹条Mises应力

3．3 插入深度对弹条受力的影响

3．3．1 弹条扣压力

3．3．2 弹条Mises应力

3．4 本章小结

4 基于时频分析的弹条伤损劣化机理研究

4．1 弹条模态和频响分析理论

4．1．1 模态理论

4．1．2 频响理论

4．1．3 模型验证

4．2 弹条自然无约束状态频域分析

4．2．1 模态分析

4．2．2 频响分析

4．3 弹条服役状态频域分析

4．3．1 模态分析

4．3．2 频响分析

4．4 地铁线路扣件伤损实验测试幅频分析

4．4．1 波磨测试

4．4．2 弹条测试

4．5 本章小结

5 基于FE-SAFE的“e”型弹条疲劳性能研究

5．1 疲劳寿命计算原理

5．1．1 金属材料的疲劳

5．1．2 FE-SAFE计算原理

5．1．3 疲劳模型的建立

5．2 弹条疲劳载荷工况

5．3 弹条疲劳性能分析

5．3．1 计算方法

5．3．2 结果分析

5．4 弹条性能优化设计

5．4．1 弹条工作状态优化

5．4．2 基于能量法的弹条性能优化

5．4．3 考虑弹条疲劳寿命的性能优化

5．5 本章小结

6 扣件系统伤损对轨道结构和行车安全的影响分析

6．1 动力分析有限元模型的建立

6．1．1 车辆模型

6．1．2 轨道结构模型

6．1．3 隧道模型

6．1．4 轮轨接触模型

6．1．5 轨道不平顺模型

6．1．6 模型验证

6．2 工况定义和评价指标的选取

6．3 轨道结构动力响应分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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