城市轨道交通Ⅲ型弹条断裂原因分析

城市轨道交通Ⅲ型弹条断裂原因分析
发布时间：2021-06-22T07:47:46.701Z 来源：《防护工程》2021年5期作者：彭韬
[导读] ：随着我国城市化进程加快，城市人口剧增，在城市日常生活交通出行中，轨道交通承担了更加重要的作用。

因此对城市轨道交通的安全行驶有了更高的要求，轨道是列车安全运行的基础，而弹条是轨道的重要组成部件，有着非常重要的作用，但使用中最大的问题就是等效应力集中点是主要的受力部分，因此在实际的使用之中，经常会出现断裂的现象。

本文通过对弹条断裂的原因进行分析，找出维修养护中应该把控的重点工作，希望对相关从业者有一定的参考作用。

彭韬
长沙市轨道交通运营有限公司湖南长沙 410000
摘要：随着我国城市化进程加快，城市人口剧增，在城市日常生活交通出行中，轨道交通承担了更加重要的作用。

因此对城市轨道交通的安全行驶有了更高的要求，轨道是列车安全运行的基础，而弹条是轨道的重要组成部件，有着非常重要的作用，但使用中最大的问题就是等效应力集中点是主要的受力部分，因此在实际的使用之中，经常会出现断裂的现象。

本文通过对弹条断裂的原因进行分析，找出维修养护中应该把控的重点工作，希望对相关从业者有一定的参考作用。

关键词：城市轨道交通；Ⅲ型弹条；断裂原因分析
一、Ⅲ型弹条基本情况
Ⅲ型弹条早期主要使用在我国铁路交通线路上，也称国铁Ⅲ型弹条。

其特点是无挡肩，无固定螺栓，扣压力大，检修维护工作量少。

后引用到城市轨道线路中，弹条的生产、检验、使用维护等执行的规范标准均参照铁路行业规范。

但铁路与城市轨道从列车轴重、运行速度、使用环境、线路条件等因素差异较大，由于弹条受力情况复杂，影响因素众多，城市轨道使用国铁Ⅲ型弹条，是否可以对弹条进行优化改进，从设计、制造源头降低弹条断裂发生的机率，值得商榷。

二、Ⅲ型弹条断裂的原因分析
（一）平面位置
根据弹条断裂统计数据进行探究分析，弹条发生断裂地段主要集中在小半径曲线地段，能够达到65%左右。

弹条的主要作用是固定钢轨防止侧翻及限制钢轨纵向位移，车辆在通过曲线地段的时候，在离心力及曲线超高的影响下，钢轨需承受更大的横向应力，出现应力激增现象，该应力主要由弹条承担吸收，产生的应力不能导致弹条断裂，而更多是弹条断裂的一种诱因。

（二）钢轨波磨及高速运行
依据弹条折断研究资料表明：
1. 钢轨存在波磨时，弹条垂向振动加速度（与无波磨相比）约增加3-6倍，横向加速度（与无波磨相比）约增加50倍，表明车辆在钢轨发生波磨条件下运行时，会加剧弹条的振动频率，故会促进弹条的疲劳断裂，高速运行会使弹条的加速度加剧，并且随着速度的提高钢轨波磨对弹条的垂向加速度影响比较明显。

2. 弹条动态拉力过大将直接导致弹条破坏断裂。

钢轨波磨对扣件系统作用力影响明显。

弹条动态拉力及铁垫板动态作用力均有大幅度增加。

随着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。

3. 车辆速度分别为90km/h和120km/h，Ⅲ型弹条的垂向和横向振动频带为1100Hz左右时，Ⅲ型弹条的振动加速度突变。

因此，弹条的来自钢轨表面不平顺的激励频率与弹条固有频率一致，会产生共振；该振型中弹条中肢上抬并且与弹指运动方向相反，将弹条大圆弧拉展，弹条后端圆弧更小，对弹条中肢根部施加扭转作用，从而弹条振动加速度增大，促使弹条的疲劳损坏。

（三）弹条的安装位置
Ⅲ型弹条安装时，一般情况下弹条内圆弧与铁垫板空隙正常为 8～10mm，弹条中趾插入铁垫板的长度在70-75mm的范围内，一旦插入长度大于这个范围，弹条的中肢根部就会受到较大的等效应力，这种情况下，最大的拉应力和剪切应力都会增加，不仅如此，接触压力也会产生非常大的变化，同时在弹条的后端，圆弧处的最等效应力会出现转移的现象，从外侧的圆角转移到内侧的圆角处，弹条的中肢与铁垫板之间的基础分布由线接触转变为点接触，这样在挤压和扭转剪力的作用下，弹条后端的圆弧表面会出现应力集中的现象，而且这个过程中产生的应力，会直接达到Ⅲ型弹条能够承受的破坏极限，非常容易出现断裂的现象，这也是当前Ⅲ型弹条出现断裂的主要原因。

图一：弹条安装情况
（四）扣件系统轨下垫板
轨下垫板为扣件的重要组成部件，弹条安装后的扣压力与轨下垫板的厚度、静刚度密切相关。

轨道工程建设移交前或运营后应对现场弹条扣压力进行抽检，最大扣压力不得大于13.2kN。

扣压力过大弹条的弹程压缩，弹条最大的等效应力超过当前的材料强度极限，在列车运行的过程中，弹条提前到达使用的疲劳极限，直接破坏了当前的弹条在实际使用中的寿命，导致发生断裂。

（五）材质原因
Ⅲ型弹条材质为60Si2Mn热轧弹簧钢，屈服强度σs =1200MPa，抗拉强度σb =1300Mpa,弹条的表面硬度为HRC41-46。

从弹条断裂口分析，弹条断口呈明显的疲劳断裂特征, 可分为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区三个部分, 疲劳源区位于弹条表面, 呈扇形形状。

由弹条断口宏观可知，弹条表面的扇形小台阶是疲劳核心。

断裂口1 断裂口2
图二：弹条断裂面
弹条在单向交变弯曲载荷和扭转载荷共同作用下工作的, 弹条表面的应力最大，疲劳核心易在表面循环应力最大处或在材料薄弱处（缺陷处）形成。

当材料局部区域存在缺陷时, 会使缺陷处的强度大幅度降低, 此处最易成为裂纹的起源位置。

弹条表面质量好坏严重影响到疲劳裂纹萌生寿命，其次弹条金相组织的缺陷也会降低弹簧的疲劳极限，导致在较少的疲劳循环周次下产生了疲劳裂纹, 造成弹条过早断裂。

因此需要对弹条材质进行检测，分析是否符合相关要求，以确定弹条的断裂性质及失效原因。

(六)从道床减振形式分析
扣件的横向刚度对轮轨系统的不稳定振动影响较小，垂向刚度的影响较为明显，并且随着垂向刚度的增加，系统的最小等效阻尼比呈现先减小后增大的趋势。

在曲线轨道上，当扣件的垂向支撑刚度约为 20 KN/mm 时，对应的负等效阻尼比最小，即此时波磨最容易发生。

因此轨道参数（扣件刚度、道床减振形式）选取也是对振动产生影响,从现场调查分析发现减振道床区段断裂比高于普通道床。

三、主要的应对措施
根据当前Ⅲ型弹条在使用过程中，找出的几点主要的断裂原因，可以采用以下几个方面的措施，降低弹条断裂的几率，减轻弹条断裂产生的后果。

第一，弹条安装时严格按技术要求规范安装，避免出现应力集中现象，防止弹条过安装的情况，保证弹条的扣压状态符合使用需求，并且需要定期不定期进行检查，发现存在问题，及时进行调整，发现损坏弹条，立即更换。

第二，控制钢轨波磨，确保轨面平顺。

根据现场实际情况及时对钢轨波磨（尤其是短波30-40mm波磨）进行合理的打磨处理，减缓弹条断裂，对全线波磨地段进行持续调查分析，研究钢轨波磨对扣件弹条断裂的影响，对波磨工况且弹条断裂频率较高地段钢轨开展预防性打磨。

第三，针对弹条断裂，应对弹条安装状态、轨下垫板刚度、弹条扣压力等进行现场测试，避免出现弹条扣压力过大或同一地段弹条扣压力不均衡现象，对不符合要求的及时整改。

第四，更换弹条。

一是对使用超过一定年限的弹条进行评估测试，制定合理更换计划，对折断频繁区段的弹条通过弹条断裂统计分析，及时更换；二是更换重点部位弹条，考虑周边弹条与断裂弹条所处工况一致，对已断裂弹条位置进行扩大范围更换，即对断裂弹条附近一定范围内的弹条进行同步更换，规避同种工况下弹条频繁断裂的情况。

针对前期部分弹条断裂频发地段，考虑成段更换，消除成段频发断裂的安全隐患。

第五，加强防范措施，鉴于道岔前后弹条断裂崩飞可能产生的严重危害，对正线道岔来车方向一定范围内的弹条进行绑扎加固，确保弹条断裂不崩飞，不落入岔心或转辙部分造成行车事故。

同时为避免或降低弹条断裂击打列车，对列车重要设备造成损害，影响行车安全，建议考虑对列车关键、重点及薄弱处所加装防护装置。

第六，增加减震设备（安装钢轨吸振器），改变钢轨的震动频率来减缓钢轨振动，选取试验段后期持续观察和统计。

四、结束语
综上所述，根据当前的弹条断裂情况分析，可以找出弹条断裂的主要原因。

并且针对原因做出合理的应对措施，保证弹条的正常使用，减少断裂几率。

设计、产品厂商、施工及后期运营单位都应严格执行相关规范标准，同时应积极探索研究，优化弹条的设计参数、制造工艺、原材料等相关因素，制定更适用于城市轨道的产品或规范标准，对于城市轨道交通来说有着非常重要的意义。

参考文献：
[1]吴海骏,王东哲,何淼君.e型弹条疲劳试验对其使用性能的影响[J].中国金属通报,2019(08):291-292.
[2]杨程亮. DT-Ⅲ型扣件弹条断裂原因分析[D].中国铁道科学研究院,2019.
[3]周素霞,郭子豪,周大军,徐鹏,白小玉.基于Isight集成平台的轨道弹条扣件优化设计[J].中国科技论文,2019,14(02):145-149.。