基于车轨耦合动力学分析的地铁e型弹条扣件疲劳寿命预测

地铁是城市交通的重要组成部分,而扣件系统是地铁轨道结构的关键部件,起到固定钢轨、减振降噪的作用。为分析地铁e型弹条扣件的疲劳性能,基于车辆轨道动力学理论,通过多体动力学软件UM建立了车轨耦合模型,研究了车辆速度、轨道不平顺类型以及曲线半径与钢轨动力学响应的关系;并通过有限元软件ABAQUS对扣件系统进行了仿真计算,将车轨耦合动力分析得到的钢轨位移作为疲劳荷载,采用应力疲劳计算的方法对弹条的疲劳寿命进行了预测和分析。结果表明:钢轨位移响应受不平顺类型和车辆速度的影响较小,而加速度响应对两者则比较敏感;轨道曲线半径的改变,对内轨位移的影响相对明显,随着半径的减小,内轨的位移时程曲线出现明显的上移,同时对加速度的影响也增大,内轨加速度峰值呈增大趋势;基于此模型计算的弹条疲劳寿命为2.14×10^(7)次,寿命最低处位于弹条后拱小圆弧段,与实际断裂位置相吻合;弹条初始安装扣压力对弹条疲劳寿命的影响很大,随着初始安装扣压力的增大,弹条的疲劳寿命不断减小,且减小的速度趋于增大,为确保弹条扣件处于良好的工作状态,初始扣压力应当控制在11~15 kN范围内。

扣件参数对小半径曲线钢轨波磨的影响

目的 研究扣件参数对小半径曲线钢轨波磨的影响,获得抑制钢轨波磨的有效措施。方法 建立小半径曲线DTVI2扣件的轮轨系统有限元模型,对扣件系统进行实体化建模,考虑轨下垫板之间的接触情况,同时模拟扣件系统中弹条预紧作用。采用复特征值分析和瞬时动态分析研究轮轨系统的摩擦自激振动特性,并将预测结果与现场测试结果对比,揭示该区段钢轨波磨产生的原因。最后开展轨下垫板材料属性以及扣件结构参数的影响分析,获得其对钢轨波磨的影响。结果 轮轨间饱和蠕滑力引起轮轨系统发生频率为500Hz的不稳定振动,会导致波长为30 mm的钢轨波磨。轨下垫板杨氏模量在10~50 MPa区间,等效阻尼比先从-0.015 2减小到-0.016 9又增大到-0.014 2;阻尼系数在0~0.000 1区间内,等效阻尼比从-0.016 9增大到-0.010 2;轨下垫板泊松比的变化没有引起系统等效阻尼比发生明显的变化;扣件间距在575~675 mm区间内,等效阻尼比从-0.016 3降低到-0.019 0;等效阻尼比随着弹条预紧力的增大而增大。结论 选取合适的轨下垫板杨氏模量可以减轻由轮轨摩擦自激振动导致的钢轨波磨;提高阻尼系数对轮轨系统的自激振动具有较强的抑制作用;而轨下垫板的泊松比对钢轨波磨的影响较小;适当减小扣件间距可以略微降低钢轨波磨的产生趋势;增大弹簧预紧力可以抑制由轮轨系统摩擦自激振动导致的钢轨波磨。

有轨电车扣件式无砟轨道60R2槽型钢轨与60 kg/m钢轨抗倾覆特性仿真研究

[目的]为了给有轨电车不同地段的钢轨、扣件的选型和设计提供理论支撑,须研究扣件式无砟轨道60R2槽型钢轨与60 kg/m钢轨的抗倾覆特性,并分析影响两者抗倾覆特性的因素。[方法]利用有限单元法建立了60R2槽型轨和60 kg/m钢轨分析简化模型。分析了不同轨下垫板垂向刚度、扣件横向刚度、扣件间距以及弹条松弛2 mm和5mm对钢轨横移、弹条竖向位移、扣件承受横向力及钢轨与垫板接触长度的影响。[结果及结论]仿真研究表明:60 kg/m钢轨扭转刚度约为60R2槽型轨的1.73倍,60 kg/m钢轨竖向力偏心距比60R2槽型轨大,同等工况下,60R2槽型轨横移和弹条竖向位移大于60 kg/m钢轨,但扣件承受横向力60R2槽型轨小于60 kg/m钢轨。轨下垫板刚度越小,扣件间距越大,钢轨横移和外侧弹条竖向位移越大。小半径横向力较大地段,应适当提高轨下垫板刚度,加密扣件间距,并应适当提高弹条疲劳试验振幅。扣件承受横向力的影响因素主要有钢轨轨型、横向刚度、扣件间距,而轨下垫板刚度对其影响较小。弹条松弛2 mm和5 mm在本计算工况下,钢轨横移变化较小,对于小半径地段不易检查的有轨电车埋入式轨道,应定期翻挖检查并拧紧螺栓,以保持弹条规定的离缝值。

高速铁路钢轨波磨对弹条疲劳寿命的影响

为研究高速铁路钢轨波磨对扣件弹条寿命的影响,建立了车辆-轨道耦合动力学模型、扣件弹条瞬态有限元模型、扣件弹条疲劳寿命预测模型,仿真计算了列车高速通过波磨波长60~160 mm、波深20~160μm的钢轨波磨区段时扣件弹条的动态响应及疲劳寿命。结果表明:列车通过波磨钢轨时,钢轨对扣件的作用力及钢轨垂向位移变化曲线均发生明显的高频波动,其波动频率与钢轨波磨引起的激励频率一致,导致弹条动应力大幅增加;当波磨波深相同、波长在80 mm和130 mm时,波磨通过频率与扣件弹条固有频率接近,从而产生共振,导致扣件弹条动应力明显增大而疲劳寿命明显降低;同一波长下,随着波磨波深增加,扣件弹条动态响应加剧,疲劳寿命大幅降低。

轮轨滑动对高速铁路扣件弹条振动特性的影响

针对高速铁路纵坡区段ω型扣件弹条的失效现象,采用复特征值法研究了轮轨滑动工况下车轮-钢轨-扣件系统有限元模型的稳定性。通过对比系统摩擦自激振动模态和扣件弹条结构模态,分析了弹条共振现象的发生。通过重新编译钢轨有限元模型节点坐标,模拟了高速铁路钢轨波磨的真实廓形,分析了钢轨波磨激励的强迫振动对弹条共振的影响。研究结果表明,当高速列车在纵坡区段牵引或制动时,轮轨间纵向蠕滑力易趋于饱和,可引起约603 Hz不稳定振动的发生。该振动不仅可以激发扣件弹条第3阶模态,还可导致钢轨波磨。当列车以300 km/h速度运行时,波磨激励的强迫振动也可导致弹条共振。轨下垫板静刚度、扣件预紧力对轮轨滑动引起的603 Hz不稳定振动发生趋势的影响较小。

基于DT-Ⅲ型扣件安装的e型弹条静力学分析

扣件系统的安装状态直接影响弹条疲劳寿命的预测结果。目前,e型弹条失效及疲劳性能的现有研究大多基于简化加载方式(先将弹条插入插孔,后抬升趾端位移)模拟扣件安装过程,忽略了扳手对弹条中肢的约束,弹条跟端和后拱的逐步抬升及弹条跟端与铁垫板承台之间摩擦的影响。以DT-Ⅲ型扣件系统为例,提出了基于扣件现场安装,拉拔e型弹条中肢的加载方式,建立精细化分析模型,与简化加载工况对比分析,并通过现场安装及简化安装测试验证。结果表明:现场安装应变测试的实测表面最大主应变值与简化加载试验结果相近,但方向角与后者相差约5°。现场安装加载工况的弹条最大主应变全局最大值位置,随弹条插入深度增加而发生显著变化;当弹条处于过安装状态时,应变全局最大值阶跃式增长,位置跳变至弹条中肢与铁垫板插孔挤压处。为准确评估与预测e型弹条疲劳寿命,仅可采用现场安装加载工况进行疲劳分析;若对弹条进行强度大小分析,为节约计算时间,也可采用简化加载工况近似模拟。

铁路钢轨扣件e形弹条动态性能研究及结构改进

以铁路钢轨扣件e形弹条为研究对象,运用有限元仿真和锤击试验方法对组装状态下弹条动态性能进行研究,随后对弹条进行结构及材料优化形成空心阻尼弹条。通过对原弹条进行强度应力和动态特性分析,弹条组装工作状态下模态试验与模态仿真前3阶固有频率误差分别为2.2%、1.8%、4.9%,仿真模型的有效性得到验证;改进后的空心阻尼弹条对影响弹条共振疲劳损伤的第三阶固有频率从原来DI弹条的747 Hz提高到940 Hz,固有频率提高25.8%,且避开地铁钢轨波磨段750 Hz左右的激励频率;同时对应的阻尼弹条其阻尼损耗因子相对原弹条提高92%,大大地降低弹条共振峰值响应,能够有效地提高弹条疲劳寿命。

基于车轨耦合和扣件精细模型的弹条疲劳分析

针对扣件弹条的疲劳断裂问题,利用数值仿真手段对弹条疲劳寿命进行分析。首先,建立车辆-轨道耦合动力分析模型,通过仿真得到轨底垂向位移时程曲线;然后,建立扣件精细分析模型,将轨底垂向位移时程曲线作为输入荷载,计算得到扣件弹条的应力和应变时程曲线;最后,结合疲劳分析方法和累积损伤理论,对弹条的疲劳寿命进行分析。研究结果表明:弹条小圆弧处疲劳寿命最低,最易发生损坏,与现场调查结果一致;弹条疲劳寿命与安装弹程密切相关,随着弹条安装弹程的增大,弹条疲劳寿命急剧降低;为了延长扣件使用寿命,线路运营中应避免弹条的安装弹程过高。

钢轨横移和轨下胶垫刚度对扣件弹条应力的影响

选用福斯罗扣件弹条为研究对象,基于非线性接触理论,建立扣件系统有限元模型,确定弹条在安装状态下的危险区域,研究钢轨横移和轨下胶垫刚度对弹条危险区域的影响,并与现场弹条破坏位置对比。结果表明:弹条在安装完成后,弹条危险区域出现在弹条后端圆弧内侧的表层,弯曲和扭转起主要作用;随着钢轨横向位移和轨下胶垫刚度的变化,两侧扣件弹条最大等效应力和扣压力均发生明显变化。

地铁弹条Ⅲ型扣件铁垫板端部圆角优化分析

基于非线性接触理论,建立了地铁弹条Ⅲ型扣件系统有限元模型。计算了弹条扣压力与弹程之间的关系,分析了Ⅲ型弹条插入铁垫板插孔不同长度下的弹条应力,研究了铁垫板端部插孔圆角半径对扣压力和应力的影响,基于数值结果,优化了铁垫板端部插孔圆角半径。结果表明:弹条插入铁垫板插孔的长度对弹条与铁垫板插孔间的接触状态影响明显;弹条应力集中区域出现在与铁垫板端部接触的弹条后端圆弧内侧表面;将铁垫板圆角半径改为8 mm,可以明显减小该区域的应力值。

钢轨扣件弹条扣压力对轮轨系统垂向动力学响应的影响分析

为深入探讨钢轨扣件弹条扣压力对轮轨系统垂向动力学响应的影响,在经典车辆-轨道垂向耦合动力学模型的基础上细化了扣件的建模,建立了能够考虑钢轨扣件弹条扣压力和轨下胶垫初始压缩量的垂向动力学模型。针对轨下胶垫和弹条的实际受力情况,模型中采用具有单向作用特性的力元来模拟轨下胶垫和弹条的受力特性。通过数值仿真,将该模型与传统模型进行了对比,并分析了弹条扣压力衰减和扣压力失效对轮轨系统垂向动力学响应的影响。分析结果表明,弹条扣压力衰减主要导致胶垫支反力减小,而扣压力失效则会导致失效扣件处的钢轨垂向加速度显著增大。对于连续多个扣件发生扣压力失效的情况,钢轨垂向加速度、钢轨上拱位移和轮对垂向加速度等动力学指标随失效扣件个数的增加而增大,而失效扣件个数的增加对轮轨垂向力、轮载作用下的钢轨垂向位移和胶垫支反力的变化影响很小。

轨道弹条高频疲劳断裂机理研究及优化

在高铁和地铁线路上最常见的轨道扣件是所谓的“蝶形”弹条,这种弹条在使用过程中由于钢轨波浪或车轮多边形磨耗引起的高频激励而经常出现弹条断裂的情况,弹条断裂的主要原因之一是弹跟内弧面的应力集中。对弹条断裂现场的调查发现钢轨表面有明显的周期性波浪磨耗或运营车辆车轮存在周期性车轮多边形,表明导致弹条断裂的激励力和钢轨波浪磨耗或车轮多变形有关联。根据在线测量的波浪磨耗的波长、列车运行速度以及车辆轨道耦合系统的横向p-p频率,估算出由于波浪磨耗引入的激励力频率范围是400~800 Hz。通过对弹条动态特性的实验研究和理论分析,发现弹条两个主要模态频率在500、600 Hz与周期性波浪磨耗产生的高频激励频率相接近从而导致扣件弹条疲劳断裂。提出一种简单而有效的解决方案,以使共振频率远离激发范围。优化后的弹条应力响应能够降低了80%以上,主要模态频率提高了40%,达到了避免疲劳损坏的目的。

高速铁路扣件弹条伤损研究及结构优化分析

为了研究高速铁路扣件弹条伤损的原因,以高速铁路ω型扣件SKL弹条为研究对象,进行SKL弹条的传递函数特性、钢轨波磨激励频率及不同螺栓扭矩下弹条模态频率分析,经试验及仿真分析发现:高速铁路轮轨作用下的激励频段和SKL弹条安装条件下的频率响应峰值吻合,可认为弹条在此频段可能发生共振并导致伤损。在扣件弹条伤损机理研究结果的基础上,同时对SKL弹条进行结构参数优化,并对优化前后的SKL新旧弹条进行落锤冲击试验,试验结果表明:SKL弹条峰值频率由原来的542 Hz、619 Hz分别跳跃到654 Hz、879 Hz。同时,优化后弹条的总振动级由125.7 dB降到107.9 dB,振动级下降17.8 dB。

地铁PR型扣件弹条伤损分析

基于国内某地铁线路运营期间发生PR弹条异常伤损情况,对应用线路进行轨道结构实况调查及扣件弹条伤损统计,总结了现场扣件施工过程中的质量缺陷。通过弹条伤损区间钢轨动态位移的测试及钢轨波磨的检测和分析,得到轨道系统动态位移和轮轨作用的激励频约为722 Hz。对比弹条在安装状态下的模态和受力分析结果,组装弹条存在某阶730 Hz模态频率与轮轨作用的激励频率接近,认为轨道不平顺以及轮轨激励频率与弹条振动模态重合产生的共振是引起弹条受损加速,是异常伤损的主要因素,最后提出合理的解决方案和建议,为地铁工务部门的线路维保提供理论及方法参考。

地铁钢轨波磨引起的扣件病害分析与治理

地铁钢轨波磨引起轮轨关系恶化,导致扣件系统损伤,缩短车辆构架和钢轨使用寿命,危及运营安全。针对钢轨波磨引发的扣件弹条断裂问题,选取半径650 m曲线段进行测试。结果表明:该曲线段钢轨存在63 mm典型波长波磨,导致外部能量输入增大,弹条的振动能量及振动幅值过大;弹条与铁垫板在外部激励下接触挤压,长期高能量振动导致弹条损伤并滋生疲劳裂纹,最终导致弹条与铁垫板接触点应力集中以致脆性断裂。根据弹条断裂原因制定了合理的整治措施,并给出了钢轨波磨治理建议。

钢轨波磨对扣件弹条受力分析

为了研究钢轨波磨对扣件弹条的最大等效应力的影响,以高速铁路使用福斯罗扣件为研究对象,采用有限元软件建立扣件系统有限元模型,采用非线性接触理论,研究不同波磨状态对弹条最大等效应力影响规律,并验证模型。结果表明:弹条与其周围部件之间的接触刚度对弹条的最大等效应力、扣压力与弹条位移没有明显的影响;随着波磨比例系数的增加,弹条后端最大等效应力和应变以高频成比例增大,明显加剧了扣件弹条的疲劳破坏。

基于Isight集成平台的轨道弹条扣件优化设计

针对轨道弹条扣件断裂率较高的问题,使用ABAQUS进行有限元分析,计算弹条的应力分布和位移变化情况。为提高弹条优化分析效率,采用正交数组试验设计(design of experiments,DOE),获得对弹条性能影响较大的几何参数。基于Isight平台集成SolidWorks和ABAQUS,利用Python编写仿真流程脚本。在标准安装约束下,以几何参数为设计变量,以弹条优化指标为目标函数,对弹条进行优化设计。结果表明:优化后,弹条质量减少2.1%,最大应力减小9.1%,弹条优化指标提高12.3%,弹条性能提升且在相同弹程下,扣压力满足标准要求,可为弹条设计提供参考。

钢轨焊缝不平顺对扣件弹条动应力的影响分析

建立弹条Ⅱ型扣件有限元模型,开展了不同波深、不同波长焊缝不平顺条件下弹条动应力分析。研究结果表明:扣件安装到位后其力学性能指标符合铺设安装规范要求,弹条后弯肢内侧表层出现轻微局部塑性屈服,建立的扣件有限元模型能较准确模拟弹条应力状态;有焊缝不平顺时弹条动应力幅值较平顺线路显著增大,会加快弹条疲劳伤损;弹条动应力幅值和轮对通过瞬间突变应力幅值均随焊缝不平顺波深增大而线性增大,随不平顺波长减小先缓慢增加,波长小于0.2 m以后急剧增大。

竖向荷载和弹条扣压力对WJ-8扣件纵向阻力影响试验研究

扣件阻力是无缝线路的关键参数。为研究竖向荷载和弹条扣压力(扭矩)对扣件纵向阻力的影响,以WJ-8型扣件为研究对象,开展不同竖向荷载和扭矩下扣件纵向阻力-位移试验,得到不同工况下扣件纵向阻力-位移变化特征。试验结果表明:(1)扣件滑移之前,扣件纵向阻力-位移关系受竖向荷载的影响不显著;(2)不同竖向荷载和扭矩下扣件纵向阻力-位移关系可用幂指函数进行拟合;(3)扣件滑移阻力随竖向荷载的增加而线性递增,且竖向荷载越大,扣件滑移阻力随扭矩的增加而增加的幅度减小;(4)不同工况下扣件纵向阻力-位移曲线存在滞回效应特性,滞回曲线可采用幂指数型函数拟合得到。

WJ-7型扣件在列车冲击下动力仿真分析

为了分析WJ-7型扣件弹条在列车高速运行下所引起的铁轨对弹条的冲击影响,采用Midas FEA有限元软件建立详细的扣件系统有限元模型,基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析WJ-7型扣件弹条在安装过程中的受力及列车冲击荷载作用下的受力特性,对比分析静力与冲击力下的应力大小与位置和不同冲击力下的应力位置与大小。弹条在1、2和3k N冲击力作用下,弹条的最大应力发生在与铁垫板接触的部位,最大应力为1853MPa。10k N的扣压力下的静力分析,弹条的最大应力同样发生在与铁垫板接触的部位,最大应力为1765MPa。随着列车的反复通过,弹条容易在这区域萌生裂纹最终裂纹扩展导致弹条发生疲劳断裂。数值分析结果与现场多处弹条断裂破坏位置吻合,分析结果可为以后弹条的设计,优化,安全提供参考依据。