易 強(qiáng)，王樹國，楊東升，谷永磊

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038)

高速鐵路道岔是工務(wù)工程的關(guān)鍵設(shè)備之一,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能要求高,是高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)[1]。由于岔區(qū)存在固有不平順,輪載沖擊劇烈,隨著服役時(shí)間的增加,高速道岔傷損病害增多,如直尖軌非工作邊縱向裂紋、尖軌跟端壓塌、螺栓斷裂、鋼軌件傷損斷裂等[2-3],顯著降低高速道岔服役性能[4-5]。近年來工務(wù)部門在道岔軌件專項(xiàng)檢查中發(fā)現(xiàn)部分道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)出現(xiàn)基本軌軌底疲勞傷損,該類型疲勞傷損均萌生于滑床臺板對應(yīng)的軌底下表面,且發(fā)生傷損的道岔采用了組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)。由于道岔區(qū)零部件較多,基本軌軌底疲勞傷損難以發(fā)現(xiàn),在長期列車荷載作用下容易發(fā)展為軌件折斷,嚴(yán)重威脅行車安全。

目前對于道岔區(qū)鋼軌件疲勞傷損問題的研究主要集中于輪軌接觸界面,如輪軌滾動接觸疲勞傷損和尖軌非工作邊縱向裂紋等[6-11]。相對于輪軌接觸區(qū)域,高速道岔鋼軌軌底位置在服役過程中一直處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),道岔區(qū)軌件與零部件較多,尖軌、心軌軌底與滑床臺板之間存在剛性接觸,部分類型道岔基本軌、翼軌與滑床臺板也存在剛性接觸。道岔結(jié)構(gòu)由多個零部件裝配而成,由于不可避免存在制造加工與裝配誤差[12],容易導(dǎo)致剛性接觸區(qū)域形成應(yīng)力集中,在列車荷載以及溫度力的作用下,鋼軌軌底拉應(yīng)力可能超出其疲勞極限[13]。此外,在長期服役后岔區(qū)鋼軌軌底產(chǎn)生銹蝕坑,軌底疲勞性能降低,疲勞裂紋將從軌底銹蝕坑位置開始萌生。道岔區(qū)鋼軌探傷中,軌底部位探傷工作難度較大,干擾因素較多,容易發(fā)生漏探[14]。列車荷載作用下的岔區(qū)軌底裂紋萌生通常屬于高周疲勞或超高周疲勞[15],軌底疲勞損傷位置隱蔽且裂紋形成周期較長,岔區(qū)鋼軌發(fā)生折斷后不能及時(shí)通過軌道電路和聯(lián)鎖設(shè)備報(bào)警,只能通過人工探傷和巡查發(fā)現(xiàn),因而軌件疲勞傷損和斷裂是高速道岔中主要風(fēng)險(xiǎn)之一[16-17]。

目前發(fā)現(xiàn)的高速道岔基本軌疲勞傷損主要集中在轉(zhuǎn)轍器區(qū)基本軌軌底位置,且與滑床臺板對基本軌軌底的扣壓作用密切相關(guān)。但既有研究中,對高速道岔鋼軌軌底疲勞失效機(jī)制的分析不足,輪載作用下組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)傳力特征以及基本軌軌底疲勞性能尚待探明。因此首先開展轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪載傳遞特征分析,闡明組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)對基本軌軌底應(yīng)力影響,進(jìn)一步結(jié)合基本軌軌底材質(zhì)疲勞試驗(yàn)以及轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)開展研究,評估組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)對基本軌服役性能影響,為探明高速道岔基本軌軌底疲勞傷損機(jī)制和提升基本軌疲勞壽命提供依據(jù)。

1 滑床臺板結(jié)構(gòu)

我國高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)滑床臺板結(jié)構(gòu)形式可分為組裝式和一體式。組裝式結(jié)構(gòu)便于拆裝,可在養(yǎng)修作業(yè)中快速更換,而一體式結(jié)構(gòu)整體性好,但更換時(shí)需要與彈性基板一同拆除。對于組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu),基本軌非工作邊一側(cè)采用彈條扣壓,工作邊一側(cè)采用滑床臺板扣壓。組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)見圖1。為實(shí)現(xiàn)對基本軌的有效扣壓,在滑床臺前端壓舌下部設(shè)置凸臺,凸臺半徑為6 mm,兩點(diǎn)扣壓凸臺間距為130 mm,組裝后凸臺中心距離基本軌軌底側(cè)邊10 mm?；才_板后部落于基板上,中部懸空,滑床臺板與彈性基板之間采用拉簧固定。早期設(shè)計(jì)的組裝式滑床臺壓舌下部設(shè)置2個凸臺扣壓,后期經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用四個凸臺扣壓與平面扣壓的方式。四點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加兩個扣壓點(diǎn),距原有扣壓點(diǎn)30 mm,其余尺寸保持不變。而最新的平面扣壓則取消了凸臺,中間增設(shè)不銹鋼墊片使之形成面接觸扣壓,因此后續(xù)分析中主要針對兩點(diǎn)和平面扣壓兩種方式進(jìn)行探討。而對一體式滑床臺板結(jié)構(gòu),滑床臺與彈性基板之間采用焊接工藝進(jìn)行連結(jié),基本軌非工作邊一側(cè)采用彈條扣壓,工作邊一側(cè)采用彈性夾扣壓。目前發(fā)現(xiàn)的基本軌軌底疲勞傷損均采用組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu),且為兩點(diǎn)扣壓,可初步判定基本軌傷損與滑床臺板扣壓作用密切相關(guān)。

圖1 高速道岔組裝式滑床臺結(jié)構(gòu)(單位:mm)

2 組裝式滑床臺板傳力特征

為闡明滑床臺板對基本軌軌底受力的影響,開展轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪載傳遞路徑分析,對比組裝式滑床臺板與一體式滑床臺板傳力差異。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),明確高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪軌動態(tài)荷載,結(jié)合岔區(qū)轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)有限元分析模型,闡明輪軌荷載在尖軌-滑床臺板-基本軌中的傳遞機(jī)制,探明基本軌疲勞傷損原因。

2.1 傳力路徑

組裝式、一體式滑床臺板傳力路徑分析見圖2。

圖2 組裝式、一體式滑床臺輪載傳遞路徑

由圖2(a)可知,當(dāng)尖軌承受輪載時(shí),輪載通過尖軌軌底與滑床臺之間的接觸傳遞至滑床臺,滑床臺一端扣壓基本軌軌底,另一端置于彈性基板上。當(dāng)尖軌距基本軌較近時(shí),傳遞至滑床臺的輪載主要通過扣壓點(diǎn)傳遞至基本軌。由于扣壓點(diǎn)與基本軌之間為剛性扣壓,扣壓面積較小,因而在扣壓位置將產(chǎn)生應(yīng)力集中。由圖2(b)可知,當(dāng)尖軌承受輪載時(shí),輪載通過尖軌軌底與滑床臺板的接觸傳遞至滑床臺,由于滑床臺與底板為焊聯(lián)一體式,輪載直接傳遞至彈性基板。與組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)不同,尖軌上的輪載不會傳遞至基本軌軌底,基本軌工作邊一側(cè)的軌底只存在彈性夾的扣壓作用。彈性夾扣壓力設(shè)計(jì)值為11 kN,與普通彈條扣壓力接近,不會對基本軌產(chǎn)生不利作用。對比兩種類型滑床臺板結(jié)構(gòu)傳力路徑可知,組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)可將尖軌軌頂上方輪載傳遞至基本軌軌底,且存在應(yīng)力集中,長期列車荷載作用下容易導(dǎo)致基本軌軌底疲勞傷損的產(chǎn)生。

2.2 岔區(qū)輪軌荷載

道岔區(qū)內(nèi)輪軌關(guān)系復(fù)雜,影響輪軌荷載因素較多,岔區(qū)疲勞荷載取值尚未統(tǒng)一[17],可結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)開展分析?；谀掣咚勹F路道岔動態(tài)響應(yīng)測試結(jié)果,CR400AF列車分別以速度為300、350 km/h通過高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)時(shí)的輪軌垂向力累積分布見圖3。速度分別為300、350 km/h時(shí),轉(zhuǎn)轍器位置輪軌垂向力最大值分別為102.6、123.2 kN。保守起見,組裝式滑床臺板受力分析中輪軌垂向荷載可取130 kN。

圖3 高速道岔輪軌垂向力累積分布

2.3 基本軌受力分析

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果,選擇基本軌傷損集中的區(qū)域(16#～22#岔枕范圍)建立轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)受力分析模型,包括7根枕范圍內(nèi)基本軌、尖軌、組裝式滑床臺板等結(jié)構(gòu),模型中考慮各部件之間的接觸關(guān)系,對比分析兩點(diǎn)和平面扣壓滑床臺板對基本軌軌底應(yīng)力影響。輪軌垂向荷載作用于直尖軌軌頂,在鋼軌橫斷面方向與直尖軌軌腰中心線對齊,在鋼軌縱向與滑床臺板扣壓點(diǎn)中心對齊以模擬最不利條件,加載區(qū)域與接觸斑尺寸相近,其直徑設(shè)置為10 mm。荷載取值為130 kN,滑床臺彈性基板剛度為17.5 kN/mm。輪載作用下基本軌軌底等效應(yīng)力見圖4。由圖4(a)、圖4(b)可知,對于兩點(diǎn)扣壓式滑床臺板結(jié)構(gòu),扣壓點(diǎn)位置形成明顯的應(yīng)力集中,軌底上表面最大等效應(yīng)力為422.5 MPa,對應(yīng)的軌底下表面最大等效應(yīng)力可達(dá)310.0 MPa,且以拉應(yīng)力為主。目前發(fā)現(xiàn)的基本軌傷損均發(fā)生于冬季,考慮岔區(qū)基本軌附加溫度力,在長期列車荷載作用下基本軌軌底可產(chǎn)生疲勞傷損。

圖4 基本軌軌底等效應(yīng)力

對于平面扣壓式滑床臺板,輪載作用下基本軌等效應(yīng)力見圖4(c)、圖4(d)?？蹓簠^(qū)域形成的應(yīng)力集中程度明顯降低,相對于兩點(diǎn)扣壓,平面扣壓位置應(yīng)力顯著減小。雖然在基本軌軌底上表面形成了應(yīng)力集中區(qū)域,但相對于兩點(diǎn)扣壓,此時(shí)應(yīng)力水平大幅降低,接觸位置最大等效應(yīng)力為131.5 MPa,軌底下表面最大等效應(yīng)力為112.7 MPa。與兩點(diǎn)扣壓相比,平面扣壓式滑床臺板對應(yīng)的基本軌軌底下表面應(yīng)力降低64%。

3 組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)服役性能研究

由理論計(jì)算結(jié)果可知,采用平面扣壓式滑床臺板可有效降低基本軌軌底應(yīng)力水平,但由于組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)存在不同零部件之間的配合問題,裝配誤差可能影響結(jié)構(gòu)的使用效果。因此,為有效評估結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)的服役性能,分別開展高速道岔鋼軌軌底材質(zhì)疲勞試驗(yàn)以及轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)。

3.1 軌底材質(zhì)疲勞極限

從基本軌軌底取樣,采用升降法測試基本軌軌底的疲勞極限,為基本軌安全服役評估提供依據(jù)。被測試樣按逐漸增加的應(yīng)力水平順序進(jìn)行加載,直到發(fā)生疲勞斷裂。疲勞加載最高加載周次為107,超過107周次未發(fā)生斷裂的試樣標(biāo)記為“通過”,未至107周次發(fā)生斷裂的試樣標(biāo)記為“失效”,試驗(yàn)測試結(jié)果見圖5。圖5中,箭頭表示107未發(fā)生疲勞破壞的樣品。由圖5可知,采用升降法計(jì)算得到道岔鋼軌軌底材質(zhì)的疲勞極限為447.1 MPa。

圖5 軌底材料疲勞壽命

3.2 轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)研究

以兩點(diǎn)扣壓式滑床臺板結(jié)構(gòu)(以下簡稱“兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)”)和平面扣壓式滑床臺板結(jié)構(gòu)(以下簡稱“平面扣壓結(jié)構(gòu)”)為試驗(yàn)對象,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)組裝兩組高速道岔轉(zhuǎn)轍器開展疲勞試驗(yàn),分析不同扣壓形式的滑床臺板對基本軌軌底疲勞的影響。

3.2.1 試驗(yàn)方案

以18號高速道岔轉(zhuǎn)轍器為對象進(jìn)行疲勞試驗(yàn),結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果,選擇基本軌傷損集中的區(qū)域(16#～22#岔枕范圍)進(jìn)行試驗(yàn),見圖6。兩組試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的滑床臺板分別采用兩點(diǎn)與平面扣壓結(jié)構(gòu),試驗(yàn)結(jié)構(gòu)由直尖軌、曲基本軌、兩點(diǎn)/平面扣壓滑床臺板及對應(yīng)的扣件系統(tǒng)、岔枕等組成。

圖6 疲勞試驗(yàn)布置

結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,轉(zhuǎn)轍器區(qū)輪軌荷載取值為130 kN,考慮道岔長期服役后存在鋼軌波磨或平順性降低等劣化因素,疲勞試驗(yàn)以130 kN為初始荷載進(jìn)行加載,并采用遞增荷載的方式進(jìn)行試驗(yàn),荷載間隔為15 kN,最大疲勞荷載為190 kN,每階段加載200萬次,加載頻率5 Hz。疲勞荷載施加于結(jié)構(gòu)中間位置的尖軌上方(即19#枕位置)。為模擬最不利荷載工況,加載中心位于滑床臺板邊緣位置。

為明確采用組裝式滑床臺板條件下基本軌軌底疲勞裂紋萌生時(shí)間,同時(shí)分析滑床臺板結(jié)構(gòu)裝配誤差的影響,在每個荷載階段結(jié)束后進(jìn)行拆裝,檢查滑床臺板結(jié)構(gòu)是否良好,并采用超聲探傷檢查基本軌軌底是否產(chǎn)生裂紋。此外,每次試驗(yàn)前保證尖軌與滑床臺之間離縫小于1.0 mm,每次拆卸滑床板檢查后再次組裝時(shí),保證扣壓點(diǎn)與鋼軌中心線平行,扣壓點(diǎn)保持原有位置,必要時(shí)對道床進(jìn)行搗固,保證枕下支撐均勻密實(shí)。

3.2.2 試驗(yàn)組裝及測點(diǎn)布置

疲勞試驗(yàn)組裝與加載見圖7。預(yù)先在基本軌軌底布置應(yīng)變傳感器,其中兩點(diǎn)扣壓式滑床臺板貼片位置與兩個扣壓點(diǎn)一一對應(yīng),面接觸式滑床臺板貼片位置對應(yīng)滑床臺板邊緣。為分析應(yīng)力集中程度,在軌底側(cè)面增設(shè)一個應(yīng)變測點(diǎn)?；拒壾壍讘?yīng)力測點(diǎn)布置見表1。兩點(diǎn)與平面扣壓結(jié)構(gòu)的測點(diǎn)布置一致,每組試驗(yàn)的應(yīng)力測點(diǎn)11個,疲勞試驗(yàn)機(jī)加載位置與滑床臺板邊緣對齊,即對應(yīng)6#測點(diǎn)。

表1 基本軌軌底應(yīng)力測點(diǎn)

圖7 疲勞試驗(yàn)

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)130 kN疲勞荷載

第一階段疲勞荷載幅值為130 kN,此荷載試驗(yàn)階段部分節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)見圖8(a)。圖8(a)中,加載40萬次時(shí)對兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆裝與道床搗固。兩點(diǎn)扣壓滑床臺板結(jié)構(gòu)使得基本軌軌底應(yīng)力水平顯著增大,200萬次疲勞加載后,加載位置滑床臺扣壓點(diǎn)對應(yīng)的基本軌軌底5#、6#測點(diǎn)應(yīng)力分別為57.7、565.1 MPa,此時(shí)最大應(yīng)力已經(jīng)超過基本軌軌底疲勞強(qiáng)度(447.1 MPa),長期荷載作用下可導(dǎo)致疲勞傷損。而對于平面扣壓結(jié)構(gòu),加載點(diǎn)位置滑床臺對應(yīng)的基本軌軌底5#、6#測點(diǎn)應(yīng)力分別為226.6、143.8 MPa,相對兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力降低60%。

圖8 130 kN疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中,由于結(jié)構(gòu)拆裝與道床搗固作業(yè)影響,結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生改變,與之對應(yīng)的基本軌軌底應(yīng)力水平發(fā)生變化。兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)拆裝前,加載位置滑床臺扣壓點(diǎn)對應(yīng)的基本軌軌底5#、6#測點(diǎn)應(yīng)力分別為586.7、315.0 MPa,拆裝搗固后基本軌軌底應(yīng)力改變分別為130.2、571.2 MPa。試驗(yàn)過程中未對平面扣壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何作業(yè),因而其軌底應(yīng)力水平基本保持不變。此外,兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中程度明顯,其軌底側(cè)面7#測點(diǎn)應(yīng)力水平僅為64.9 MPa,而平面扣壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中程度較低,軌底側(cè)面應(yīng)力水平為103.0 MPa。受結(jié)構(gòu)組裝狀態(tài)影響,兩組轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)中軌底應(yīng)力最大位置均不是完全與加載點(diǎn)對應(yīng),而可能出現(xiàn)在滑床臺板另一側(cè)。以兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)為例,拆裝及道床搗固作業(yè)前后,尖軌軌底與滑床臺板接接觸區(qū)域發(fā)生改變,見圖8(b)、圖8(c)。作業(yè)前后尖軌-滑床臺離縫位置由對應(yīng)6#測點(diǎn)改變?yōu)閷?yīng)5#測點(diǎn),因而基本軌軌底最大應(yīng)力位置隨之變化。

完成130 kN等級疲勞試驗(yàn)后,對轉(zhuǎn)轍器進(jìn)行拆裝并進(jìn)行道床搗固,拆裝前后軌底應(yīng)力見圖9(a)。對于兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu),拆裝前加載點(diǎn)位置扣壓點(diǎn)對應(yīng)的基本軌軌底5#、6#測點(diǎn)應(yīng)力分別為57.7、565.1 MPa,拆裝后軌底應(yīng)力分別為222.5、133.3 MPa。對于平面扣壓結(jié)構(gòu),拆裝前加載點(diǎn)位置基本軌軌底5#、6#測點(diǎn)應(yīng)力分別為230.9、164.2 MPa,拆裝后軌底應(yīng)力分別為73.5、53.4 MPa。拆裝后加載點(diǎn)位置軌底應(yīng)力顯著降低,相鄰枕軌底應(yīng)力水平有所提升。通過檢查發(fā)現(xiàn)作業(yè)后尖軌與滑床臺板接觸狀態(tài)發(fā)生改變,靠近基本軌一側(cè)存在約0.5 mm離縫。由于尖軌與滑床臺板接觸區(qū)域遠(yuǎn)離基本軌,使得基本軌軌底應(yīng)力水平顯著降低。當(dāng)增加0.5 mm厚度調(diào)整墊片后,基本軌軌底最大應(yīng)力水平從222.5 MPa增加至347.1 MPa,見圖9(b)。由此表明,尖軌與滑床臺板之間的接觸狀態(tài)對基本軌軌底應(yīng)力水平影響顯著。

圖9 基本軌軌底應(yīng)力影響分析

2)不同荷載等級試驗(yàn)分析

145 kN荷載階段部分節(jié)點(diǎn)測試數(shù)據(jù)見圖10(a)。加載到57萬次時(shí)發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)加載位置的軌底5#、6#測點(diǎn)應(yīng)力明顯降低,由加載位置軌枕沉降引起。為保證軌枕水平,在加載95萬次時(shí)對兩組結(jié)構(gòu)的所有軌枕進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)行搗固。軌枕調(diào)整、道床搗固后,兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)加載點(diǎn)位置應(yīng)力提升,相鄰軌枕位置基本軌應(yīng)力降低;而平面扣壓結(jié)構(gòu)變化相對不明顯。軌枕調(diào)整及道床搗固作業(yè)前兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)軌底最大應(yīng)力為279.5 MPa,平面扣壓結(jié)構(gòu)為93.5 MPa;作業(yè)后兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)軌底最大應(yīng)力295.0 MPa,平面扣壓結(jié)構(gòu)為103.4 MPa,見圖10(b)。兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)基本軌軌底應(yīng)力水平始終遠(yuǎn)高于平面扣壓結(jié)構(gòu)。當(dāng)前荷載等級疲勞試驗(yàn)結(jié)束后,轉(zhuǎn)轍器的拆裝作業(yè)也對軌件應(yīng)力產(chǎn)生影響,見圖10(c)。拆裝前,兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)加載點(diǎn)位置軌底最大應(yīng)力為289.4 MPa,重新組裝后軌底最大應(yīng)力為255.4 MPa,而平面扣壓結(jié)構(gòu)對應(yīng)的基本軌軌底應(yīng)力變化不大。

圖10 145 kN試驗(yàn)過程基本軌應(yīng)力

160 kN荷載期間部分節(jié)點(diǎn)測試數(shù)據(jù)見圖11(a)。其中,加載進(jìn)行到32萬次時(shí)發(fā)現(xiàn)5#測點(diǎn)應(yīng)變發(fā)生顯著變化,因此進(jìn)行拆卸、探傷并重新組裝,探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)加載點(diǎn)位置的基本軌超聲回波波形存在單一明顯的峰值,可初步判定為傷損,但此時(shí)傷損尺寸較小。進(jìn)行拆裝作業(yè)后,對于兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu),加載點(diǎn)位置應(yīng)力降低,相鄰軌枕位置基本軌應(yīng)力提高,基本軌軌底最大應(yīng)力由280.8 MPa降低至210.7 MPa。對于平面扣壓結(jié)構(gòu),未進(jìn)行任何作業(yè),因此試驗(yàn)過程中應(yīng)力基本保持不變,見圖11(b)。

圖11 160 kN試驗(yàn)過程基本軌應(yīng)力

當(dāng)完成160 kN疲勞荷載試驗(yàn)后,再次進(jìn)行轉(zhuǎn)轍器結(jié)構(gòu)拆裝與道床搗固作業(yè)以后,基本軌軌底應(yīng)力發(fā)生明顯改變,見圖11(b)。拆裝搗固作業(yè)使得兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)軌底最大應(yīng)力由176.1 MPa增加至435.1 MPa,而對平面扣壓結(jié)構(gòu)軌底應(yīng)力變化不顯著。

175 kN荷載期間部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)測試數(shù)據(jù)見圖12(a)。該階段試驗(yàn)過程中未進(jìn)行任何作業(yè),因此各個測點(diǎn)應(yīng)力水平變化不明顯。試驗(yàn)過程中兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)與平面扣壓結(jié)構(gòu)的基本軌軌底最大應(yīng)力分別為488.2、200.0 MPa,對應(yīng)5#測點(diǎn)。完成175 kN等級疲勞試驗(yàn)后,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除、探傷以及重裝,拆裝前后應(yīng)力對比見圖12(b)。拆裝后兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)基本軌軌底最大應(yīng)力降低108.0 MPa,平面扣壓結(jié)構(gòu)基本軌軌底最大應(yīng)力降低63.7 MPa。

圖12 175 kN試驗(yàn)過程基本軌應(yīng)力

190 kN荷載期間部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)測試數(shù)據(jù)見圖13。該階段試驗(yàn)過程中未進(jìn)行任何作業(yè),因此各個測點(diǎn)應(yīng)力水平變化不顯著,兩點(diǎn)扣壓與平面扣壓結(jié)構(gòu)的基本軌軌底最大應(yīng)力分別為410.8、212.0 MPa,對應(yīng)5#測點(diǎn)。

圖13 190 kN試驗(yàn)過程基本軌應(yīng)力

3.2.4 試驗(yàn)全過程分析

提取加載點(diǎn)位置對應(yīng)的5#、6#測點(diǎn),進(jìn)行疲勞試驗(yàn)全過程分析,見圖14。對于兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu),130～190 kN疲勞荷載P等級的試驗(yàn)過程中,兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)基本軌軌底最大應(yīng)力分別為611.2、295.0、286.3、488.6、410.8 MPa。對于平面扣壓結(jié)構(gòu),130～190 kN疲勞荷載等級的試驗(yàn)過程中,平面扣壓結(jié)構(gòu)基本軌軌底最大應(yīng)力分別為237.5、103.4、113.9、200.0、212.8 MPa。

圖14 兩種滑床臺板結(jié)構(gòu)基本軌軌底應(yīng)力

由理論分析結(jié)果以及疲勞試驗(yàn)測試可知,采用平面扣壓滑床臺板結(jié)構(gòu)可有效降低軌底應(yīng)力水平。但由于結(jié)構(gòu)裝配狀態(tài)影響,組裝式滑床臺板對基本軌軌底扣壓作用與尖軌-滑床臺接觸狀態(tài)密切相關(guān),且該離縫狀態(tài)難以控制,因而理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果存在一定的偏差。結(jié)合疲勞試驗(yàn)結(jié)果,兩點(diǎn)扣壓滑床臺板結(jié)構(gòu)條件下基本軌軌底應(yīng)力水平容易超出其疲勞極限(447.1 MPa),而平面扣壓結(jié)構(gòu)對應(yīng)的基本軌軌底最大應(yīng)力為237.5 MPa,與兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)相比,基本軌軌底應(yīng)力可降低50%～60%。

完成190 kN荷載等級疲勞試驗(yàn)后,繼續(xù)進(jìn)行約400萬次疲勞加載后,兩點(diǎn)扣壓式滑床臺板對應(yīng)的基本軌軌底發(fā)現(xiàn)裂紋,而平面扣壓式滑床臺板對應(yīng)的基本軌軌底應(yīng)力水平一直處于疲勞極限范圍內(nèi),因而能夠保證基本軌服役性能。因此,為保證基本軌正常安全服役,建議將高速道岔轉(zhuǎn)轍器區(qū)中兩點(diǎn)扣壓式滑床臺板更換為平面扣壓式滑床臺板。

4 結(jié)論

為闡明高速鐵路道岔基本軌疲勞損傷原因,分析組裝式滑床臺板扣壓作用對基本軌服役性能影響,開展理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)研究。主要結(jié)論如下:

1)仿真分析結(jié)果表明,兩點(diǎn)扣壓式滑床臺板使得扣壓點(diǎn)處基本軌軌底形成應(yīng)力集中,軌底下表面以拉應(yīng)力為主,130 kN輪載作用下基本軌軌底最大應(yīng)力為310.0 MPa。將滑床臺板兩點(diǎn)扣壓優(yōu)化為平面扣壓后,軌底最大應(yīng)力為111.7 MPa,相對兩點(diǎn)扣壓降低64%。

2)采用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得到高速道岔軌底材質(zhì)疲勞極限為447.1 MPa,可為高速道岔軌件疲勞性能評估提供依據(jù)。

3)根據(jù)轉(zhuǎn)轍器疲勞試驗(yàn)測試結(jié)果,兩點(diǎn)扣壓式滑床臺板容易導(dǎo)致基本軌軌底應(yīng)力超出其疲勞極限從而萌生裂紋,130～190 kN荷載試驗(yàn)過程中最大應(yīng)力達(dá)到611.2 MPa。采用平面扣壓式滑床臺板可有效降低基本軌軌底應(yīng)力,與兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu)相比,最大應(yīng)力可降低50%～60%。平面扣壓式滑床臺板對應(yīng)的基本軌軌底最大應(yīng)力為237.5 MPa,處于疲勞極限范圍內(nèi),因而能夠保證基本軌正常服役。

4)結(jié)構(gòu)裝配狀態(tài)對組裝式滑床臺板結(jié)構(gòu)的服役性能影響顯著,主要與尖軌軌底-滑床臺之間的接觸狀態(tài)密切相關(guān)。對于兩點(diǎn)扣壓結(jié)構(gòu),130 kN疲勞荷載作用下,增設(shè)0.5 mm墊片改變尖軌-滑床臺接觸狀態(tài)后可使得基本軌軌底應(yīng)力從222.5 MPa增加至347.1 MPa。

高速道岔岔區(qū)輪軌沖擊劇烈,輪軌荷載存在高頻成份,可能導(dǎo)致振動疲勞損傷的產(chǎn)生。由于試驗(yàn)條件限制,本文研究中未考慮高頻振動疲勞,道岔軌件及其零部件的振動疲勞傷損問題是后續(xù)值得研究的工作。