微动磨损对弹条_型扣件弹条断裂的影响分析_伍曾
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第 38 卷 第 6 期 2013 年 12 月
昆明理工大学学报（ 自然科学版） Journal of Kunming University of Science and Technology （ Natural Science Edition）
Vol． 38 No. 6 Dec． 2013
doi： 10． 3969 / j． issn． 1007 － 855x． 2013． 06． 007
Effect of Fretting Wear on Fracture of Type II Fastener Elastic Bar
2 WU Zeng1， ，LI Jieqing1 ，HUANG Wei1 ，TAO Zhong1
（ 1． Faculty of Civil Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500 ，China； 2． MOE Key Laboratory of High － speed Ｒailway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 ，China）
44
昆明理工大学学报（ 自然科学版）
第 38 卷
0 引 言
－8 －4 微动指两构件接触表面之间幅值很小 （ 一般介于 10 ～ 10 m 之间） 、 反复的相对移动， 近年来研究 肉眼很难观测到， 所以微动宏观 表明纳米级的相对位移也能造成接触面的损伤 ． 因为相对移动幅值很小，
第6 期
伍
曾， 李洁青， 黄
伟， 等： 微动磨损对弹条 II 型扣件弹条断裂的影响分析
45
大值（ 绝对值） 在弹条肢端 A 点， 为 72. 3 μm， 但 τ 较小， 为 46. 7 MPa； τ · δ 最大值在尾部靠近中部的圆弧 处 C 点， τ 为 493. 6 MPa， δ 为 7. 4 μm． 见表 1 及图 4． B 点与 C 点相距很近， 都位于弹条尾部与轨距挡板接 触表面的附近．
3 扣件疲劳试验与分析
3． 1 试验过程 为了验证理论计算分析的正确性， 根据理论分析和无砟轨道扣件实际工作状态， 并借鉴规范“TB / T2491 － 94 ” 中的扣件组装疲劳试验方法， 设计无砟轨道扣件微动磨损、 微动疲劳试验方案． 根据轨道谱反 演成的时域信号确定疲劳试验机的激振频率和激振力 ， 从而准确模拟车速和荷载， 通过电镜扫描和显微镜 进行微动损伤的金相观察． 以无砟轨道扣件的弹性下降值为标准 ， 试验不同条件下的扣件弹性下降值所对 应的加载次数、 频率、 振幅、 激振力以及微动损伤的程度等（ 见图 5 ） ． 通过加载装置以反演生成的频率和荷载幅值向组装好的轨道加载 ， 直到弹条断裂． 进行 2 组试验， 试 验荷载约为 22 ～ 26 kN（ 约在扣件肢端加载 9 ～ 10 kN） ． 3． 2 试验结果及分析 从图 6 弹条的疲劳断裂位置可以看也， 弹条两处断裂位置基本沿着弹条中部对称 ， 处于理论计算的 B 点（ τ 最大） 与 C 点（ τ·δ 最大） 之间， 但更靠近 C 点， 说明微动磨损对弹条的疲劳断裂起较大作用 ．
Abstract： The function of type II fastener is mainly achieved by the elastic bar． The traditional methods for the study of fatigue dealing with stress or strain do not reflect the true situation because the contact surface between the elastic bar at work and other with other components leads to tiny mutual movement，namely fretting． The shear stress（ τ） ，relative displacement（ δ ） and the product of them （ τ · δ ） of the elastic bar are calculated by application of the nonlinear contact theory and the Coulomb friction model． A discrete crack model is then used to simulate the fastener crack generation and propagation． It is shown through theoretical analysis that the fatigue fracture should be located in a section close to the maximum value of the τ·δ if the fretting wear plays a major role． Fastener fatigue tests indicate that，a fracture is found at the tail of elastic bar and baffle contact，which is between points of the τ value and the maximum τ·δ value，while being a little closer to the latter one． The fretting wear between the tail elastic bar and baffle results in cracks，which are then propagated repeatedly and leads to the eventual fracture． The correctness of the fretting wear theory is proved by the experiment，which provides scientific basis for improving the fastener design and enhancing its wearability． Key words： fastener； elastic bar； non － linear contact theory； fretting wear； fatigue； fracture
根据疲 劳 理 论， 弹条肢端由于没有达到使弹条材料 60Si2CrA 产生疲劳的最低应力， 因此不会发生疲劳现象， 弹条 会在剪切应力 τ 最大的 B 点发生疲劳断裂； 而根据微动磨损 如果微动磨损在构件断裂过程中起主导作 与微动疲劳理论， 用， 则弹条应在 C 点断裂． 本文认为， 如果最大应力和微动磨 则断裂点应位于 B 点与 C 点之间， 微动磨损起的作用大， 则断裂点应 损都在弹条疲劳断裂过程中起作用 ， 更靠近 C 点， 反之若最大应力起主要作用， 则应更靠近 B 点． 因为 B 点与 C 点剪切应力相差不大， 但B点 没有接触， 而 C 点有接触， 因此疲劳断裂点应更靠近 C 点．
1 计算模型与边界的确定
弹条 II 型扣件的弹条体积小、 形状复杂， 而工作时的变形及边界条件更复杂 ． 传统弹条的力学计算方 法是将弹条与周围部件接触部位的边界加以约束 ， 并解除某一约束点或面代之以外力 ． 这种计算模型不能 真实地反映弹条安装及工作过程中的受力情况 ， 因为弹条在安装及工作时， 弹条中部与平垫圈、 弹条尾部 和肢端与轨距挡板的接触部位是逐渐变化的 ， 弹条的受力支撑点或面在受力过程中也是变化的 ， 属于非线 性接触问题． 建立无砟轨道扣件微动模型的关键点有两个 ， 一是接触界面的处理； 二是微动裂纹生成及扩 展的模拟． 扣件工作时， 扣件各部分接触表面之间、 扣件各部分与其它构件的接触表面之间均存在微小的 变形， 也即两个接触体都是变形体（ 尽管变形很小） ， 因此， 扣件各部分接触表面以及扣件各部分与其它构 件的接触表面均采用柔体 － 柔体接触方式， 应用库仑摩擦接触模型进行建模 ； 由于微动裂纹在接触界面之 间的生成是随机的， 因此采用离散裂缝模型来模拟扣件裂纹的生成及扩展 ； 扣件其它部分应用体单元建模 （ 见图 2 ） ． 为了与后面试验加载时间一致， 加载时间为 0. 25 s， 按图 3 加载历程加载， 采用 ANSYS 软件中的接触 模块进行计算分析．
2 应力与微动分析
1 － 3］ 文献［ 认为： 微动磨损量随着接触面的剪切应力 τ 的增加而增大， 在其它条件不变的情况下， 当 接触面相对位移 δ 在 25 ～ 250 μm 之间时， 磨损量随着相对位移的增加而增加． 为了较全面分析 τ 和 δ 对 弹条工作时的影响， 除分别计算 τ 和 δ 外， 还计算二者的乘积 τ · δ 的值． 通过有限元计算， 弹条 τ 最大值 （ 绝对值） 在尾部远离中部的圆弧起弯处 B 点， 达 542. 4 MPa， 但因 B 点未与轨距挡板接触， 故 δ 为 0； δ 最
“静止” ． 弹条 II 型扣件（ 见图 1 ） 广泛应用于既有线路和提速线路中， 在无砟轨道及地铁中也有 上表现为 应用． 弹条 II 型扣件将钢轨与轨枕组合成轨排结构， 抵抗纵、 横向力， 弹条是一个利用自身的弹性变形产 也是实现扣件功能的主要元件． 在温度和轮轨动态荷载交互作用下 ， 弹条有拉 － 压、 生扣压力的弹性元件， 弯曲和扭转变形， 弹条中部与它接触的平垫圈、 尾部和肢端与它接触的轨距挡板之间存在微动． 国内外文 献大多从应力的角度研究扣件的疲劳及断裂 ， 很少涉及微动． 本文应用非线性接触理论对弹条进行应力计 算， 并进行微动磨损分析， 设计扣件疲劳试验， 用试验结果来印证扣件的微动磨损分析理论分析的正确性 ．
微动磨损对弹条 II 型扣件弹条断裂的影响分析
伍
1， 2 1 曾 ， 李洁青 ， 黄 1 伟， 陶
忠
1
（ 1． 昆明理工大学 土木工程学院 ， 云南 昆明 650500 ； 2． 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室 ， 四川 成都 610031 ）
摘要： 弹条是实现弹条 II 型扣件功能的主要元件， 传统的疲劳分析方法主要从弹条的应力 、 应变 这并不能反映真实情况， 因为弹条在工作中与其它构件接触面表面之间存在微小的相互移 入手， 动， 即微动． 应用非线性接触理论， 采用库仑摩擦模型模拟弹条与周围接触元件之间的摩擦接触 情况， 计算出弹条各点的剪切应力 τ、 相对位移 δ 及二者乘积 τ · δ 的值； 并采用离散裂缝模型来 模拟扣件裂纹的生成及扩展． 理论分析表明， 若微动磨损在弹条疲劳断裂过程中起主要作用， 则 弹条断口处位于弹条尾部与轨 断口处应位于弹条中 τ·δ 值最大的点附件． 扣件疲劳试验表明， 距挡板接触处， 处于 τ 及 τ·δ 最大的点之间且更靠近 τ·δ 值最大的点． 弹条尾部与轨距挡板之 间由于微动磨损产生裂纹， 形成污染源， 反复作用下， 裂纹扩展， 最终导致弹条断裂． 试验证明了 弹条微动磨损理论分析的正确性 ， 为改进弹条设计， 提高其疲劳寿命提供科学依据． 关键词： 扣件； 弹条； 非线性接触理论； 微动磨损； 疲劳； 断裂 中图分类号： U213. 5 文献标识码： A 文章编号： 1007 － 855X（ 2013 ） 06 － 0043 － 05
表1 Tab. 1 位置 A B C 弹条各处 τ、 δ值 The value of τ， δ and at each 备注 δ 最大 τ 最大 τδ 最大
position τ － δ of elastic bar τ / MPa 46． 7 542． 4 493． 6 δ / μm 72． 3 0 7． 4
收稿日期： 2012 － 11 － 26． 基 金 项 目： 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 项 目 （ 51208240 ） ； 云 南 省 人 才 培 养 项 目 （ 14118469） ； 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室开放研究基金资助项目（ 2012 － HＲE － 03） ． 作者简介： 伍曾（ 1979 － ） ， 男， 博士， 副教授． 主要研究方向： 高速铁路轨道结构与力学 ． E － mail： 11856658@ qq． com
昆明理工大学学报（ 自然科学版） Journal of Kunming University of Science and Technology （ Natural Science Edition）
Vol． 38 No. 6 Dec． 2013
doi： 10． 3969 / j． issn． 1007 － 855x． 2013． 06． 007
Effect of Fretting Wear on Fracture of Type II Fastener Elastic Bar
2 WU Zeng1， ，LI Jieqing1 ，HUANG Wei1 ，TAO Zhong1
（ 1． Faculty of Civil Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500 ，China； 2． MOE Key Laboratory of High － speed Ｒailway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 ，China）
44
昆明理工大学学报（ 自然科学版）
第 38 卷
0 引 言
－8 －4 微动指两构件接触表面之间幅值很小 （ 一般介于 10 ～ 10 m 之间） 、 反复的相对移动， 近年来研究 肉眼很难观测到， 所以微动宏观 表明纳米级的相对位移也能造成接触面的损伤 ． 因为相对移动幅值很小，
第6 期
伍
曾， 李洁青， 黄
伟， 等： 微动磨损对弹条 II 型扣件弹条断裂的影响分析
45
大值（ 绝对值） 在弹条肢端 A 点， 为 72. 3 μm， 但 τ 较小， 为 46. 7 MPa； τ · δ 最大值在尾部靠近中部的圆弧 处 C 点， τ 为 493. 6 MPa， δ 为 7. 4 μm． 见表 1 及图 4． B 点与 C 点相距很近， 都位于弹条尾部与轨距挡板接 触表面的附近．
3 扣件疲劳试验与分析
3． 1 试验过程 为了验证理论计算分析的正确性， 根据理论分析和无砟轨道扣件实际工作状态， 并借鉴规范“TB / T2491 － 94 ” 中的扣件组装疲劳试验方法， 设计无砟轨道扣件微动磨损、 微动疲劳试验方案． 根据轨道谱反 演成的时域信号确定疲劳试验机的激振频率和激振力 ， 从而准确模拟车速和荷载， 通过电镜扫描和显微镜 进行微动损伤的金相观察． 以无砟轨道扣件的弹性下降值为标准 ， 试验不同条件下的扣件弹性下降值所对 应的加载次数、 频率、 振幅、 激振力以及微动损伤的程度等（ 见图 5 ） ． 通过加载装置以反演生成的频率和荷载幅值向组装好的轨道加载 ， 直到弹条断裂． 进行 2 组试验， 试 验荷载约为 22 ～ 26 kN（ 约在扣件肢端加载 9 ～ 10 kN） ． 3． 2 试验结果及分析 从图 6 弹条的疲劳断裂位置可以看也， 弹条两处断裂位置基本沿着弹条中部对称 ， 处于理论计算的 B 点（ τ 最大） 与 C 点（ τ·δ 最大） 之间， 但更靠近 C 点， 说明微动磨损对弹条的疲劳断裂起较大作用 ．
Abstract： The function of type II fastener is mainly achieved by the elastic bar． The traditional methods for the study of fatigue dealing with stress or strain do not reflect the true situation because the contact surface between the elastic bar at work and other with other components leads to tiny mutual movement，namely fretting． The shear stress（ τ） ，relative displacement（ δ ） and the product of them （ τ · δ ） of the elastic bar are calculated by application of the nonlinear contact theory and the Coulomb friction model． A discrete crack model is then used to simulate the fastener crack generation and propagation． It is shown through theoretical analysis that the fatigue fracture should be located in a section close to the maximum value of the τ·δ if the fretting wear plays a major role． Fastener fatigue tests indicate that，a fracture is found at the tail of elastic bar and baffle contact，which is between points of the τ value and the maximum τ·δ value，while being a little closer to the latter one． The fretting wear between the tail elastic bar and baffle results in cracks，which are then propagated repeatedly and leads to the eventual fracture． The correctness of the fretting wear theory is proved by the experiment，which provides scientific basis for improving the fastener design and enhancing its wearability． Key words： fastener； elastic bar； non － linear contact theory； fretting wear； fatigue； fracture
根据疲 劳 理 论， 弹条肢端由于没有达到使弹条材料 60Si2CrA 产生疲劳的最低应力， 因此不会发生疲劳现象， 弹条 会在剪切应力 τ 最大的 B 点发生疲劳断裂； 而根据微动磨损 如果微动磨损在构件断裂过程中起主导作 与微动疲劳理论， 用， 则弹条应在 C 点断裂． 本文认为， 如果最大应力和微动磨 则断裂点应位于 B 点与 C 点之间， 微动磨损起的作用大， 则断裂点应 损都在弹条疲劳断裂过程中起作用 ， 更靠近 C 点， 反之若最大应力起主要作用， 则应更靠近 B 点． 因为 B 点与 C 点剪切应力相差不大， 但B点 没有接触， 而 C 点有接触， 因此疲劳断裂点应更靠近 C 点．
1 计算模型与边界的确定
弹条 II 型扣件的弹条体积小、 形状复杂， 而工作时的变形及边界条件更复杂 ． 传统弹条的力学计算方 法是将弹条与周围部件接触部位的边界加以约束 ， 并解除某一约束点或面代之以外力 ． 这种计算模型不能 真实地反映弹条安装及工作过程中的受力情况 ， 因为弹条在安装及工作时， 弹条中部与平垫圈、 弹条尾部 和肢端与轨距挡板的接触部位是逐渐变化的 ， 弹条的受力支撑点或面在受力过程中也是变化的 ， 属于非线 性接触问题． 建立无砟轨道扣件微动模型的关键点有两个 ， 一是接触界面的处理； 二是微动裂纹生成及扩 展的模拟． 扣件工作时， 扣件各部分接触表面之间、 扣件各部分与其它构件的接触表面之间均存在微小的 变形， 也即两个接触体都是变形体（ 尽管变形很小） ， 因此， 扣件各部分接触表面以及扣件各部分与其它构 件的接触表面均采用柔体 － 柔体接触方式， 应用库仑摩擦接触模型进行建模 ； 由于微动裂纹在接触界面之 间的生成是随机的， 因此采用离散裂缝模型来模拟扣件裂纹的生成及扩展 ； 扣件其它部分应用体单元建模 （ 见图 2 ） ． 为了与后面试验加载时间一致， 加载时间为 0. 25 s， 按图 3 加载历程加载， 采用 ANSYS 软件中的接触 模块进行计算分析．
2 应力与微动分析
1 － 3］ 文献［ 认为： 微动磨损量随着接触面的剪切应力 τ 的增加而增大， 在其它条件不变的情况下， 当 接触面相对位移 δ 在 25 ～ 250 μm 之间时， 磨损量随着相对位移的增加而增加． 为了较全面分析 τ 和 δ 对 弹条工作时的影响， 除分别计算 τ 和 δ 外， 还计算二者的乘积 τ · δ 的值． 通过有限元计算， 弹条 τ 最大值 （ 绝对值） 在尾部远离中部的圆弧起弯处 B 点， 达 542. 4 MPa， 但因 B 点未与轨距挡板接触， 故 δ 为 0； δ 最
“静止” ． 弹条 II 型扣件（ 见图 1 ） 广泛应用于既有线路和提速线路中， 在无砟轨道及地铁中也有 上表现为 应用． 弹条 II 型扣件将钢轨与轨枕组合成轨排结构， 抵抗纵、 横向力， 弹条是一个利用自身的弹性变形产 也是实现扣件功能的主要元件． 在温度和轮轨动态荷载交互作用下 ， 弹条有拉 － 压、 生扣压力的弹性元件， 弯曲和扭转变形， 弹条中部与它接触的平垫圈、 尾部和肢端与它接触的轨距挡板之间存在微动． 国内外文 献大多从应力的角度研究扣件的疲劳及断裂 ， 很少涉及微动． 本文应用非线性接触理论对弹条进行应力计 算， 并进行微动磨损分析， 设计扣件疲劳试验， 用试验结果来印证扣件的微动磨损分析理论分析的正确性 ．
微动磨损对弹条 II 型扣件弹条断裂的影响分析
伍
1， 2 1 曾 ， 李洁青 ， 黄 1 伟， 陶
忠
1
（ 1． 昆明理工大学 土木工程学院 ， 云南 昆明 650500 ； 2． 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室 ， 四川 成都 610031 ）
摘要： 弹条是实现弹条 II 型扣件功能的主要元件， 传统的疲劳分析方法主要从弹条的应力 、 应变 这并不能反映真实情况， 因为弹条在工作中与其它构件接触面表面之间存在微小的相互移 入手， 动， 即微动． 应用非线性接触理论， 采用库仑摩擦模型模拟弹条与周围接触元件之间的摩擦接触 情况， 计算出弹条各点的剪切应力 τ、 相对位移 δ 及二者乘积 τ · δ 的值； 并采用离散裂缝模型来 模拟扣件裂纹的生成及扩展． 理论分析表明， 若微动磨损在弹条疲劳断裂过程中起主要作用， 则 弹条断口处位于弹条尾部与轨 断口处应位于弹条中 τ·δ 值最大的点附件． 扣件疲劳试验表明， 距挡板接触处， 处于 τ 及 τ·δ 最大的点之间且更靠近 τ·δ 值最大的点． 弹条尾部与轨距挡板之 间由于微动磨损产生裂纹， 形成污染源， 反复作用下， 裂纹扩展， 最终导致弹条断裂． 试验证明了 弹条微动磨损理论分析的正确性 ， 为改进弹条设计， 提高其疲劳寿命提供科学依据． 关键词： 扣件； 弹条； 非线性接触理论； 微动磨损； 疲劳； 断裂 中图分类号： U213. 5 文献标识码： A 文章编号： 1007 － 855X（ 2013 ） 06 － 0043 － 05
表1 Tab. 1 位置 A B C 弹条各处 τ、 δ值 The value of τ， δ and at each 备注 δ 最大 τ 最大 τδ 最大
position τ － δ of elastic bar τ / MPa 46． 7 542． 4 493． 6 δ / μm 72． 3 0 7． 4
收稿日期： 2012 － 11 － 26． 基 金 项 目： 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 项 目 （ 51208240 ） ； 云 南 省 人 才 培 养 项 目 （ 14118469） ； 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室开放研究基金资助项目（ 2012 － HＲE － 03） ． 作者简介： 伍曾（ 1979 － ） ， 男， 博士， 副教授． 主要研究方向： 高速铁路轨道结构与力学 ． E － mail： 11856658@ qq． com