CN108563828B - 一种道岔尖轨纵向裂纹扩展过程分析方法及养护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开道岔尖轨纵向裂纹扩展过程分析方法及养护方法。通过建立车轮‑基本轨‑直尖轨三维模型，有助于对道岔尖轨纵向裂纹产生和扩展的机理进行深入研究，并针对各影响因素提出科学、有效的预防建议，正确判断出钢轨探伤检测出的裂纹危险程度，及早发现、预测存在的问题，及时地采取必要的养护维修措施，避免安全事故的发生。

Description

一种道岔尖轨纵向裂纹扩展过程分析方法及养护方法

技术领域

本发明涉及高速铁路道岔裂纹扩展技术领域。更具体地，涉及一种道岔尖轨纵向裂纹扩展过程分析方法及养护方法。

背景技术

高速铁路以高速度、大容量、低污染、安全可靠、舒适方便等著称，是现代化铁路运输的必然选择和核心技术。随着高速铁路建设的开展，我国先后建成并运营了武广、郑西、京沪、哈大、石武、广深港、兰新、南广、贵广等高速铁路，开工建设了合福、宁安、长昆、郑徐等高速铁路。截止2016年底，我国高速铁路运营里程已经达到2.2万公里，占世界高速铁路总里程的60％以上，具备了全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，我国的高铁速度代表了世界高铁的速度。

随着列车运行速度越来越快，对轨道系统的平稳性、安全性及养护维修均提出了越来越高的要求。因此我国高速铁路全线采用跨区间无缝线路，铺设了多达五千组正线高速道岔(包括多种大号码道岔如18号、42号等)。但是由于道岔作为铁路薄弱环节之一，运营中出现了一系列问题，例如列车速度提高、轴重的加大、车流密度的增加，使得铁路钢轨的伤损失效问题正逐年增多，尤其是实现列车换线的高速道岔设备更换比较频繁，这些造成钢轨服役周期，增加铁路运营成本，降低乘客乘坐安全性及舒适性的主要原因之一。因此为满足高速铁路轨道结构具有高平顺性，高稳定性和高可靠性的要求，必须对高速铁路道岔区钢轨给予重视。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题至少之一，本发明采用下述技术方案：

一种道岔尖轨纵向裂纹扩展过程分析方法，包括：

根据现场实测的轨道物理参数，建立车轮-基本轨-直尖轨三维模型，将钢轨、车轮及扣件划分为各个单元进行模拟；

根据现场环境下的动力荷载幅值及分布，对轮轨接触模型施加不同工况的荷载，提取模型中应力集中区域等效塑性应变的最大值，并根据模型单元的大小，求得塑性变形；

根据所述最大值和塑性变形，结合有限元理论应力变形图，确定道岔尖轨纵向裂纹出现的起始区域及敏感部位；

根据道岔尖轨纵向裂纹出现的起始区域及敏感部位，利用ANSYS与FRANC3D对道岔尖轨非作用边裂纹扩展进行模拟，得到不同工况下尖轨内部应力以及裂纹尖端的扩展路径；

结合疲劳分析理论分析不同工况下道岔尖轨的疲劳寿命和不同工况对裂纹扩展特性的影响。

优选地，所述轨道物理参数包括轨道的几何尺寸、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、屈服应力以及切线刚度；

其中，所述轨道几何尺寸包括钢轨尺寸和车轮尺寸。

优选地，所述工况由道岔尖轨的类型、断面轨头宽以及耦合效应确定。

优选地，所述疲劳分析理论分析不同工况下道岔尖轨的疲劳寿命包括：

对所述道岔尖轨进行强度分析，得出应力应变结果；

在后处理器中定义载荷事件和循环材料特性；

根据疲劳准则对每一个载荷事件进行寿命计算；

根据累计损伤理论判断道岔尖轨是否开始破坏。

优选地，将钢轨、车轮及扣件划分为各个单元包括：

将钢轨和车轮划分为实体单元；

将扣件划分为弹簧单元。

优选地，所述动力荷载包括车轮轴重、动力荷载分配。

本发明还提供一种道岔尖轨的养护方法，包括：

利用如上所述分析方法，计算道岔裂纹纵向尖轨宽度、深度随加载经时性变化的发生发展情况，与规范中规定的纵向裂纹宽度、离缝深度等管理标准进行对比，得出伤损等级；

基于所述等级，确定尖轨纵向裂纹幅度限值及其所对应时间节点合理的养护维修时机。

本发明的有益效果如下：

本发明提出的一种道岔尖轨纵向裂纹拓展过程分析方法，建立了车轮-基本轨-直尖轨三维模型，有助于对道岔尖轨纵向裂纹产生和扩展的机理进行深入研究，并针对各影响因素提出科学、有效的预防建议，正确判断出钢轨探伤检测出的裂纹危险程度，及早发现、预测存在的问题，及时地采取必要的养护维修措施，避免安全事故的发生。

此外，本发明还提供一种道岔尖轨的养护方法，通过上述养护方法，使得工作人员能够及时地采取必要的养护维修措施，避免安全事故的发生，并且能够对针对性地配置养护维修的成本，节约养护费用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明一个实施方式提供的一种道岔尖轨纵向裂纹拓展过程分析方法的方法流程示意图。

图2示出图1中S1具体方法流程示意图。

图3示出图1中S5具体方法流程示意图。

图4示出本发明一个实施方式提供的一种道岔尖轨养护方法流程示意图。

图5示出本发明一个实施例的不同断面直尖轨的细部示意图。

图6示出本发明一个实施例的不同断面直尖轨的轮轨接触状态示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

随着列车运行速度越来越快，对轨道系统的平稳性、安全性及养护维修均提出了越来越高的要求。因此我国高速铁路全线采用跨区间无缝线路，铺设了多达五千组正线高速道岔(包括多种大号码道岔如18号、42号等)。但是由于道岔作为铁路薄弱环节之一，运营中出现了一系列问题，例如列车速度提高、轴重的加大、车流密度的增加，使得铁路钢轨的伤损失效问题正逐年增多，尤其是实现列车换线的高速道岔设备更换比较频繁，这些造成钢轨服役周期，增加铁路运营成本，降低乘客乘坐安全性及舒适性的主要原因之一。因此为满足高速铁路轨道结构具有高平顺性，高稳定性和高可靠性的要求，必须对高速铁路道岔区钢轨给予重视。

目前，国内研究已提出一些裂纹分析方法，但是其建立的模型多为二维平面模型，甚少采用三维有限元模型进行裂纹分析；对特殊断面的裂纹扩展过程的研究也较少，通常只针对一种标准钢轨的裂纹拓展过程进行分析；而且也几乎没有关于钢轨裂纹扩展预测方法的研究。

有鉴于此，本发明进行了必要的改进。

具体的，本发明的一个实施例中提供一种道岔尖轨纵向裂纹扩展过程分析方法，如图1所示，包括：

S1：根据现场实测的轨道物理参数，建立车轮-基本轨-直尖轨三维模型，将钢轨、车轮及扣件划分为各个单元进行模拟；

具体的，所述轨道物理参数包括轨道的几何尺寸、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、屈服应力以及切线刚度；

其中，所述轨道几何尺寸包括钢轨尺寸和车轮尺寸。

可选的，请结合图2，将钢轨、车轮及扣件划分为各个单元包括：

S101：将钢轨和车轮划分为实体单元；

S102：将扣件划分为弹簧单元。

该模型采用ANSYS软件建立，对三种不同类型的道岔直尖轨进行动力响应分析；计算在车轮垂直荷载作用下，不同直尖轨轨头宽度断面的动力响应，并进行了模型验证；利用ANSYS对轮轨模型进行了接触应力仿真分析，研究道岔尖轨纵向裂纹的成因规律。

S2：根据现场环境下的动力荷载幅值及分布，对轮轨接触模型施加不同工况的荷载，提取模型中应力集中区域等效塑性应变的最大值，并根据模型单元的大小，求得塑性变形。

具体的，测量现场环境条件下动力荷载幅值及分布，对轮轨接触模型施加不同工况的荷载，提取模型中应力集中区域等效塑性应变的最大值，并根据所划分的单元，求得塑性变形。

可选的，所述工况由道岔尖轨的类型、断面轨头宽以及耦合效应确定。

可选的，所述动力荷载包括车轮轴重、动力荷载分配。

S3：根据所述最大值和塑性变形，结合有限元理论应力变形图，确定道岔尖轨纵向裂纹出现的起始区域及敏感部位。

具体的，根据计算出的道岔尖轨受力及变形结果，结合根据有限元理论应力变形图中累计塑性变形最大的区域的位置，确定道岔尖轨纵向裂纹出现的起始区域及敏感部位。

S4：根据道岔尖轨纵向裂纹出现的起始区域及敏感部位，利用ANSYS与FRANC3D对道岔尖轨非作用边裂纹扩展进行模拟，得到不同工况下尖轨内部应力以及裂纹尖端的扩展路径。

具体的，利用ANSYS与FRANC3D对高速道岔尖轨非作用边裂纹扩展进行模拟，得到不同工况下尖轨内部应力以及裂纹尖端的扩展路径。首先利用ANSYS对轮轨模型进行了接触应力仿真分析，得到了剪切应力最大的位置，该位置即可确定为初始裂纹位置；基于等效静力法，将动力响应作为输入荷载，将带有边界条件的有限元模型导入FRANC3D中，选取初始裂纹几何形状和尺寸以后，将该初始裂纹嵌入到仿真分析得到的危险位置，模拟整个裂纹扩展过程进行断裂参数的变化规律。

S5：结合疲劳分析理论分析不同工况下道岔尖轨的疲劳寿命和不同工况对裂纹扩展特性的影响。

此外，本发明还提供一种利用上述分析方法养护道岔尖轨的方法，请结合图5，包括：

S11：利用上述分析方法，计算道岔裂纹纵向尖轨宽度、深度随加载经时性变化的发生发展情况，与规范中规定的纵向裂纹宽度、离缝深度等管理标准进行对比，得出伤损等级；

S12：基于所述等级，确定尖轨纵向裂纹幅度限值及其所对应时间节点合理的养护维修时机。

通过上述养护方法，使得工作人员能够及时地采取必要的养护维修措施，避免安全事故的发生，并且能够对针对性地配置养护维修的成本，节约养护费用。

其中，请结合图4，所述疲劳分析理论分析不同工况下道岔尖轨的疲劳寿命包括：

S501：对所述道岔尖轨进行强度分析，得出应力应变结果；

S502：在后处理器中定义载荷事件和循环材料特性；

S503：根据疲劳准则对每一个载荷事件进行寿命计算；

S504：根据累计损伤理论判断道岔尖轨是否开始破坏。

在一个可实现的实施例中，通过对道岔尖轨物理属性和几何尺寸的测量，可以将某一个道岔尖轨的参数记录下来，比如在某一个国内的道岔尖轨中，七参数为：

车轮参数：车辆轴重70t，弹性模量206GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m^3，屈服应力550MPa。

钢轨参数：基本轨类型60kg/m钢轨，直尖轨类型18号道岔，弹性模量210GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m^3，屈服应力615MPa，切线刚度17.25GPa。

在该实施例中，请具体结合图3以及图5、图6，该方法的具体步骤为：

1、建立真三维轮轨滚动接触的完整有限元模型

根据现场实测的轨道结构几何尺寸和物理属性，采用ANSYS软件建立能考虑尖轨特殊断面的真三维轮轨接触模型，该模型钢轨和车轮均采用实体单元进行模拟，扣件采用弹簧单元进行模拟。

计算工况包括：道岔尖轨类型、断面轨头宽以及耦合效应。

2、基于实测钢轨廓形的道岔轮轨系统模型的成因规律分析

测量现场环境条件下动力荷载幅值及分布，对轮轨接触模型施加不同工况的荷载，提取模型中应力集中区域等效塑性应变的最大值，并根据所划分的单元，求得塑性变形；根据计算出的道岔尖轨受力及变形结果，结合根据有限元理论应力变形图中累计塑性变形最大的区域的位置，确定道岔尖轨纵向裂纹出现的起始区域及敏感部位。

3、基于实测钢轨廓形的道岔轮轨系统模型的扩展过程分析

利用ANSYS与FRANC3D对高速道岔尖轨非作用边裂纹扩展进行模拟，得到不同工况下尖轨内部应力以及裂纹尖端的扩展路径。首先利用ANSYS对轮轨模型进行了接触应力仿真分析，得到了剪切应力最大的位置，该位置即可确定为初始裂纹位置；基于等效静力法，将动力响应作为输入荷载，将带有边界条件的有限元模型导入FRANC3D中，选取初始裂纹几何形状和尺寸以后，将该初始裂纹嵌入到仿真分析得到的危险位置，模拟整个裂纹扩展过程进行断裂参数的变化规律。

4、基于实测钢轨廓形的道岔轮轨系统模型的疲劳寿命分析

结合疲劳分析理论分析不同工况下道岔尖轨的疲劳寿命，模型考虑材料伤损及加工硬化效应，能够模拟单次荷载作用下的塑性变形及反复荷载作用下的累计塑性变形。拟合了裂纹存在情形下轮轨接触系统的扩展速率参数，以此计算含裂纹时的疲劳寿命，并且分析了不同工况对裂纹扩展特性的影响。

5、指导养护维修工作

计算分析道岔裂纹纵向尖轨宽度、深度随加载经时性变化的发生发展情况，与规范中规定的纵向裂纹宽度、离缝深度等管理标准进行对比，得出伤损等级；基于上述伤损等级，确定尖轨纵向裂纹幅度限值及其所对应时间节点合理的养护维修时机。

本发明提出的道岔尖轨纵向裂纹拓展过程分析方法，建立了车轮-基本轨-直尖轨三维模型，有助于对道岔尖轨纵向裂纹产生和扩展的机理进行深入研究，并针对各影响因素提出科学、有效的预防建议，正确判断出钢轨探伤检测出的裂纹危险程度，及早发现、预测存在的问题，及时地采取必要的养护维修措施，避免安全事故的发生；同时，对于节约轨道养护维修成本，合理使用尖轨和延长尖轨使用寿命等具有重要意义。

结合疲劳分析理论分析不同工况下道岔尖轨的疲劳寿命，模型考虑材料伤损及加工硬化效应，能够模拟单次荷载作用下的塑性变形及反复荷载作用下的累计塑性变形。拟合了裂纹存在情形下轮轨接触系统的扩展速率参数，以此计算含裂纹时的疲劳寿命，并且分析了不同工况对裂纹扩展特性的影响。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种道岔尖轨纵向裂纹扩展过程分析方法，其特征在于，包括：

根据现场实测的轨道物理参数，建立车轮-基本轨-直尖轨三维模型，将钢轨、车轮及扣件划分为各个单元进行模拟；

其中，将钢轨和车轮划分为实体单元；将扣件划分为弹簧单元；

所述轨道物理参数包括轨道的几何尺寸、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、密度、屈服应力以及切线刚度；

其中，所述轨道几何尺寸包括钢轨尺寸和车轮尺寸；

根据现场环境下的动力荷载幅值及分布，对轮轨接触模型施加不同工况的荷载，提取模型中应力集中区域等效塑性应变的最大值，并根据模型单元的大小，求得塑性变形；

根据所述最大值和塑性变形，结合有限元理论应力变形图，确定道岔尖轨纵向裂纹出现的起始区域及敏感部位；

根据道岔尖轨纵向裂纹出现的起始区域及敏感部位，利用ANSYS与FRANC3D对道岔尖轨非作用边裂纹扩展进行模拟，得到不同工况下尖轨内部应力以及裂纹尖端的扩展路径；

结合疲劳分析理论分析不同工况下道岔尖轨的疲劳寿命和不同工况对裂纹扩展特性的影响。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述工况由道岔尖轨的类型、断面轨头宽以及耦合效应确定。

3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述疲劳分析理论分析不同工况下道岔尖轨的疲劳寿命包括：

对所述道岔尖轨进行强度分析，得出应力应变结果；

在后处理器中定义载荷事件和循环材料特性；

根据疲劳准则对每一个载荷事件进行寿命计算；

根据累计损伤理论判断道岔尖轨是否开始破坏。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述动力荷载包括车轮轴重、动力荷载分配。

5.一种道岔尖轨的养护方法，其特征在于，包括：

利用如权利要求1-4任一项所述分析方法，计算道岔裂纹纵向尖轨宽度、深度随加载经时性变化的发生发展情况，与规范中规定的纵向裂纹宽度、离缝深度管理标准进行对比，得出伤损等级；

基于所述等级，确定尖轨纵向裂纹幅度限值及其所对应时间节点合理的养护维修时机。

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