【摘 要】
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随着我国高速铁路建设的稳步推进,截至2020年底,全国铁路营业里程达14.6万公里,高速铁路运营里程达3.8万公里,稳居全球第一。同时,随着铁路运输能力的不断攀高,列车行驶速度的提高与轴重的持续增大;也对高速铁路扣件系统提出了更高的要求。扣件系统作为无砟轨道结构的重要组成部分,是通过弹条弹性变形提供的扣压力,将铁轨与轨枕或轨道板紧密的联结,同时扣件系统还具有维护和调整轨距与轨道方向、提供弹性和电绝
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随着我国高速铁路建设的稳步推进,截至2020年底,全国铁路营业里程达14.6万公里,高速铁路运营里程达3.8万公里,稳居全球第一。同时,随着铁路运输能力的不断攀高,列车行驶速度的提高与轴重的持续增大;也对高速铁路扣件系统提出了更高的要求。扣件系统作为无砟轨道结构的重要组成部分,是通过弹条弹性变形提供的扣压力,将铁轨与轨枕或轨道板紧密的联结,同时扣件系统还具有维护和调整轨距与轨道方向、提供弹性和电绝缘等功能,是保证列车安全运行和乘客舒适乘车的重要前提,在铁路轨道运输中占据着举足轻重的作用。弹条作为实现扣件功能的关键元件,在长时间的周期性拉、弯、扭荷载作用下,容易出现疲劳断裂,并且扣件刚度对其疲劳性能的影响也不可忽略。故本文基于WJ-7型扣件的刚度特性,以W1型弹条为研究对象,通过有限元仿真技术对扣件弹条进行动静力分析,并对其疲劳损伤问题做出了疲劳寿命预测。本文的主要工作内容和结论如下:（1）通过仿真分析,计算了传统沟槽型橡胶垫板的动静刚度,并和圆形、五边形、六边形等三种不同网孔形状的新型网孔式橡胶垫板作对比。研究表明,网孔型垫板静刚度均高于沟槽型垫板,其中六边形网孔垫板静刚度性能提升了12%。橡胶垫板的最大Mises应力出现在橡胶垫板侧面,这是垫板单轴受压产生的泊松变形造成的。1～4号垫板的动刚度都具有明显的频率依赖特性,且发展趋势基本相同:在5Hz～250Hz低频阶段,垫板动刚度快速上升,700Hz之后,垫板动刚度逐渐趋于平稳。（2）依据WJ-7型扣件和60Kg/m钢轨设计图,建立了完整的钢轨-WJ-7扣件系统几何模型,根据材料牌号定义了各部件材料属性,基于非线性接触理论定义各部件之间的接触关系,约束扣件系统自由度,并将钢轨-WJ-7扣件系统离散为节点单元。根据弹条原材料的金属弹塑性和其复杂应力状态,选择畸变能理论（Mises准则）作为W1型弹条的疲劳性能评价指标。并根据轨下垫板差异建立三组模型,施加20～30KN螺栓预压力,研究发现25KN时扣件系统恰好达到标准安装;并且弹条的应力变形表明弹条后肢圆弧靠近内臂一侧,是其最薄弱位置,易产生裂纹发育和疲劳断裂,而采用2号圆孔型网状橡胶垫板理论上有助于减少和延缓弹条裂纹的产生发育。通过对自由状态和约束状态下的弹条进行扫频分析,阐述了弹条前十阶自振振型下的振动变形特征;且经过轮轨振动分析计算,发现扣件装配状态下,弹条的前八阶自振频率与轮轨激励频率范围重合。（3）根据车轨耦合动力学理论,在SIMPACK多体动力学软件中建立列车-柔性轨道耦合模型,通过103号力元来表征四种弹性垫板的动刚度频变特性。提取同一钢轨节点在不同扣件刚度下的位移变形,对比后发现,有不平顺作为激励时,钢轨位移最大值增加了0.06mm,约7%的增长;其次发现,垫板动刚度能够略微激发轮轨振动,相同垫板考虑动刚度情况下,可以使钢轨位移幅值实现2%的上升;同时网孔型垫板相比沟槽型垫板减缓钢轨振动幅度的效果更加明显,其中以2号垫板的减震性最好。（4）通过观察动力载荷下W1型弹条加速度分布以及Mises应力分布可以看出,弹条的振动主要集中弹条趾端和外臂两处;U1～U5激励下的弹条趾端最大加速度分别为:2.65g、2.14g、1.93g、1.87g以及3.16g,由此可以得出结论:对橡胶垫板动刚度的考虑充分调动了其在轮轨振动中的减震能力,起到降低弹条振动响应的作用;垫板采用网孔式的形状改良能够在激励相同的条件下极大降低弹条的振动幅度。通过对比动静载荷下,弹条的应力响应规律,可以确定弹条的疲劳失效的最不利位置,并利用雨流计数法和线性疲劳损伤累计理论预测弹条最小疲劳寿命;计算得到采用1～4号橡胶垫板的扣件弹条疲劳寿命分别为:1.22725E+14、7.18429E+15、2.86252E+15和6.5774E+15,说明形状改良后的弹性垫板,弹条的疲劳寿命能够提升57倍。
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