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地铁扣件系统静动力分析研究

尚红霞  
【摘要】:钢轨扣件是轨道的重要组成部件,其失效会加剧轮轨相互作用力,加速轨道和车辆结构各部件破坏,甚至危及行车安全。针对地铁线路两种常用扣件频繁发生弹条断裂现象,本文基于有限元方法和车辆/轨道耦合动力学理论,对弹条进行静态和动态行为进行系统分析,探究弹条断裂原因,为扣件弹条的设计、优化、安装、养护和维修等提供科学依据。主要工作和结论如下: (1)Ⅲ型和PR型扣件的大量现场安装和使用试验表明弹条断裂的根源是疲劳断裂。建立了Ⅲ型和PR型弹条扣件系统有限元模型,研究了Ⅲ型和PR型弹条不同安装状态和弹程对其扣压力和应力的影响。数值结果表明,弹条中肢插入铁垫板插孔长度对弹条的扣压力影响很小,但对弹条最大等效应力影响比较大;同时,随着弹条中肢插入铁垫板插孔长度的增加,弹条后端与铁垫板的接触状态由线接触转化为多点接触,使得弹条后端圆弧与铁垫板端部发生挤压,产生局部应力集中。弹条主要受到扭转和弯曲作用。随着列车的反复通过,弹条在应力集中处容易萌生裂纹,最终裂纹扩展导致弹条发生疲劳断裂。在线路运营维护中,应将弹条后端圆弧与铁垫板端部的距离严格控制在8~10mm范围内。 (2)从弹条的扣压力、最大等效应力、剪切应力和第一主应力角度出发,分析铁垫板端部圆角半径对III型弹条静态行为的影响,结果表明:将铁垫板插孔端部的优化圆角半径取为8mm左右,可以减小弹条过安装之后的应力集中。 (3)钢轨波磨对III型和PR型弹条动态行为影响明显,随着钢轨波磨幅值的增大及波长的减小,扣件系统作用力均大幅度增大,弹条最大等效应力大幅度增大。 (4)当地铁车辆运行速度分别为90km/h和120km/h时,III型和PR型弹条的某些共振频率与地铁线路典型波磨的通过频率相近,从而导致轨道系统共振发生,加速III型和PR型弹条的疲劳损坏。


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