CN113705051B - 一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，包括如下步骤：选取钢轨波磨检测区间进行检测，得到钢轨表面不平顺数据；建立车辆轨道耦合动力学模型和扣件系统精细化有限元模型，将钢轨表面不平顺数据输入到两个模型中，计算扣件弹条危险点的应力时间历程曲线；对应力时程曲线进行计数，得到扣件弹条的应力幅值直方图；将应力幅值输入扣件弹条材料的S‑N曲线，计算出扣件弹条的总疲劳寿命；计算扣件弹条的剩余疲劳寿命；设定寿命预警限值，当扣件弹条的剩余疲劳寿命小于寿命预警限值时，进行钢轨波磨打磨操作。本发明旨在提供一种引入扣件弹条剩余疲劳寿命的钢轨波磨评价指标，指导钢轨波磨的打磨方法。
Description
技术领域
本发明涉及钢轨波磨打磨技术领域，尤其涉及一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法。
背景技术
钢轨波浪形磨耗，简称钢轨波磨，是指钢轨顶面纵向规律性的起伏不平的磨耗现象。近年来，各城市地铁线路飞速发展，长期的运营带来了日益严重的钢轨波磨问题。钢轨波磨缩短了钢轨自身寿命，降低了车辆运行品质和旅客舒适度，同时对车辆-轨道系统零部件的服役寿命产生影响，严重时甚至影响列车运行的安全性。严重的钢轨波磨导致车辆及轨道系统的异常振动增大，对扣件弹条的振动能量输入过多，同时钢轨波磨激振频率与弹条固有频率相耦合引起弹条共振，导致弹条动应力变化幅值过大，是弹条断裂的主要原因。对钢轨波磨进行打磨，是避免弹条断裂，保证列车行车安全的重要措施。
然而制订合理的钢轨波磨打磨方法，控制钢轨波磨的发生发展速率，提升地铁运营安全水平，却一直是地铁维修部门遇到的重难点问题。国内地铁领域主要使用铁运[2006]146号《铁路线路修理规则》对钢轨波磨进行评价，以波长、波深等参数作为评价指标。该规范依据钢轨波磨程度、钢轨头部磨耗程度将钢轨伤损分为轻伤和重伤2类。当钢轨波磨波深超过0.5mm，即认为达到钢轨轻伤标准，应及时进行打磨维护。钢轨打磨完成后钢轨表面不平度不应大于0.2mm，但该评价指标过于单一，打磨验收标准比较宽松，对钢轨波磨的分析和养护维修计划的制定不利。因此，现亟需一种引入扣件弹条剩余疲劳寿命的钢轨波磨评价指标，指导钢轨波磨的打磨方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种引入扣件弹条剩余疲劳寿命的钢轨波磨评价指标，指导钢轨波磨的打磨方法。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：
一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，包括如下步骤：
a、选取钢轨波磨检测区间，分段对区间内的钢轨表面波磨进行检测，得到钢轨表面不平顺数据，对钢轨波磨检测的频率进行动态调整；
b、建立车辆-轨道耦合动力学模型和扣件系统精细化有限元模型，将钢轨表面不平顺数据输入到两个模型中，计算扣件弹条危险点的应力时间历程曲线；
c、利用雨流计数法对应力时程曲线进行计数，得到扣件弹条的应力幅值直方图，同时采用Goodman曲线对扣件弹条进行应力幅值修正；
d、将应力幅值直方图中的应力幅值输入扣件弹条材料的S-N曲线，计算出实测钢轨表面不平顺数据下的弹条疲劳损伤，再结合Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论，计算出扣件弹条的总疲劳寿命；
e、通过列车运行数据计算扣件弹条已有的服役寿命，用扣件弹条的总疲劳寿命减去已服役寿命，得到扣件弹条的剩余疲劳寿命；
f、设定寿命预警限值，当扣件弹条的剩余疲劳寿命小于寿命预警限值时，进行钢轨波磨打磨操作。
进一步的，步骤(a)中选取的钢轨波磨检测区间为扣件弹条出现异常断裂超过10个/公里的地段，分段长度为100m，检测钢轨波磨的仪器为检测波长能达到10mm，波深精度能达到微米级的波磨小车，钢轨波磨检测的频率的动态调整为每月1次或每周1次。
进一步的，步骤(b)中应力时间历程曲线的计算方式为基于车辆-轨道耦合动力学模型的动力学分析，获取不平顺数据输入下得出的钢轨位移，然后将钢轨位移输入到扣件系统精细化有限元模型中，通过时域瞬态分析，计算得出扣件弹条的应力响应，扣件系统精细化有限元模型采用三维实体单元模拟，利用有限元软件ANSYS进行仿真计算。
进一步的，步骤(b)中所述的建立车辆-轨道耦合动力学模型，包括车辆系统和轨道结构，车辆系统包括车体、转向架、轮对以及一系、二系悬挂，将车体、转向架以及轮对考虑为刚体，不考虑它们的弹性变形，一系弹簧、二系弹簧及轮轨接触的赫兹弹簧的刚度均考虑为线性，并且假设车辆系统沿着铁路线路纵向作匀速的运动，车辆的自由度分为车体和转向架的横向、垂向、侧滚、摇头、点头各5个自由度，四个轮对模型的横向、垂向、摇头及侧滚各4个自由度。
轨道结构包括钢轨、扣件、双块式轨枕以及道床板，钢轨模拟时选取为考虑剪切变形的Timoshenko梁模型，扣件采用Bushing力元进行模拟，道床板选用实体单元，道床板与地基通过定义力元进行联接。
轮轨接触采用轮轨多点非赫兹接触理论来计算，基于弹性半空间假设，选取Kik-Piotrowski接触模型，并且考虑车轮和钢轨之间的虚拟穿透，同时引入接触刚度、接触斑形状以及尺寸修正系数，选取迭代平滑算法来求解轮轨多点非赫兹接触问题，对于切向接触，采用FASTSIM算法求解。
进一步的，步骤(b)中所述的扣件系统精细化有限元模型，扣件系统中的部件应按照设计尺寸进行建模，采用三维实体单元模拟，使用有限元软件对其进行仿真计算，扣件系统零部件包括弹条、螺栓、绝缘垫片、轨距挡板、轨下垫板、板下垫板和铁垫板，在模型中对轨距挡板、绝缘垫片及螺栓进行去除圆角等适当的形状简化。
进一步的，步骤(e)所述的列车运行数据包括列车每日开行对数、每列车包含的轮对数、列车运行天数。
进一步的，步骤(f)所述的寿命预警限值设定为100万次。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明引入扣件弹条剩余疲劳寿命的钢轨波磨评价指标，基于实测的钢轨波磨不平顺数据，可综合考虑长波、短波的影响，对整个实际的线路进行精确的估算，能够精细化的制定钢轨波磨计划。还引入扣件弹条断裂的原因，引入扣件弹条的疲劳寿命，作为钢轨波磨的评价指标，指导钢轨波磨的打磨。根据计算出的列车剩余疲劳寿命，以及设定的寿命预警限值，来规定超于预警限值即打磨，指标简单可靠，易于实施。
附图说明
图1为本发明的打磨方法步骤示意图；
图2为本发明实施例中的钢轨表面不平顺幅值数据分布示意图；
图3为本发明实施例中的车辆-轨道耦合动力学模型图；
图4为本发明实施例中的扣件系统精细化有限元模型图；
图5为本发明实施例中的扣件弹条危险点应力时程曲线图；
图6为本发明实施例中的弹条应力幅值直方图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图6所示，一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，包括如下步骤：
a、选取钢轨波磨检测区间，钢轨波磨检测区间为扣件弹条出现异常断裂超过10个/公里的地段，分段对区间内的钢轨表面波磨进行检测，分段长度为100m，检测钢轨波磨的仪器为检测波长能达到10mm，波深精度能达到微米级的波磨小车，得到钢轨表面不平顺数据，对钢轨波磨检测的频率进行动态调整，钢轨波磨检测的频率的动态调整为早期可每月1次，当钢轨波磨发展较快时可每周1次。
b、建立车辆-轨道耦合动力学模型和扣件系统精细化有限元模型。
如图3所示为车辆-轨道耦合动力学模型：包括车辆系统和轨道结构，车辆系统包括车体、转向架、轮对以及一系、二系悬挂，将车体、转向架以及轮对考虑为刚体，不考虑它们的弹性变形，一系弹簧、二系弹簧及轮轨接触的赫兹弹簧的刚度均考虑为线性，并且假设车辆系统沿着铁路线路纵向作匀速的运动，整车共有31个自由度，分别为车体和转向架的横向、垂向、侧滚、摇头、点头各5个自由度，四个轮对模型的横向、垂向、摇头及侧滚各4个自由度，其中轮对的旋转不考虑。
轨道结构类型为CRTS I型双块式无砟轨道，位于隧道区段，轨道结构包括钢轨、扣件、双块式轨枕以及道床板，钢轨模拟时选取为考虑剪切变形的Timoshenko梁模型，扣件采用Bushing力元进行模拟，道床板选用实体单元，道床板与地基通过定义力元进行联接。
轮轨接触的作用为将车辆系统和轨道结构两个子系统联结起来，轮轨接触采用轮轨多点非赫兹接触理论来计算，基于弹性半空间假设，选取Kik-Piotrowski接触模型，并且考虑车轮和钢轨之间的虚拟穿透，同时引入接触刚度、接触斑形状以及尺寸修正系数，选取迭代平滑算法来求解轮轨多点非赫兹接触问题，对于切向接触，采用FASTSIM算法求解。
如图4所示为扣件系统精细化有限元模型：为了全面考虑扣件系统其它零部件对弹条振动的影响，扣件系统中的部件应按照设计尺寸进行建模，采用三维实体单元模拟，使用有限元软件对其进行仿真计算，扣件系统零部件包括弹条、螺栓、绝缘垫片、轨距挡板、轨下垫板、板下垫板和铁垫板，在有限元模型中不影响力学的情况下，为了计算方便，对轨距挡板、绝缘垫片及螺栓进行去除圆角等适当的形状简化。
将钢轨表面不平顺数据输入到两个模型中，计算扣件弹条危险点的应力时间历程曲线。应力时间历程曲线的计算方式为基于车辆-轨道耦合动力学模型的动力学分析，获取不平顺数据输入下得出的钢轨位移，然后将钢轨位移输入到扣件系统精细化有限元模型中，通过时域瞬态分析，计算得出扣件弹条的应力响应，扣件系统精细化有限元模型采用三维实体单元模拟，利用有限元软件ANSYS进行仿真计算。
c、利用雨流计数法对应力时程曲线进行计数，得到扣件弹条的应力幅值直方图，由于扣件弹条具有初始应力，同时采用Goodman曲线对扣件弹条进行应力幅值修正。
d、将应力幅值直方图中的应力幅值输入扣件弹条材料的S-N曲线，计算出实测钢轨表面不平顺数据下的弹条疲劳损伤，再结合Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论，得到扣件弹条的疲劳寿命，该疲劳寿命为扣件弹条在当前钢轨波磨作用下的总疲劳寿命。
e、通过列车运行数据计算扣件弹条已有的服役寿命，列车运行数据包括列车每日开行对数、每列车包含的轮对数、列车运行天数，用实测钢轨表面不平顺数据下的扣件弹条总疲劳寿命减去已服役寿命，得到扣件弹条的剩余疲劳寿命；
f、设定寿命预警限值，寿命预警限值设定为100万次，当扣件弹条的剩余疲劳寿命小于寿命预警限值时，进行钢轨波磨打磨操作。
本实施例选取扣件弹条断裂严重的曲线区间地段，将选取的区间分段，100m为一段，采用精度高的波磨小车对钢轨表面波磨进行检测，通过波磨小车对波磨区段进行测量，得到实测的钢轨表面不平顺数据。如图2所示为钢轨表面不平顺幅值数据分布示意图，可知该区段钢轨波磨的波深约为0.06mm，主波长为40mm的短波。将钢轨波磨检测的频率动态调整，早期每月1次，当钢轨波磨发展较快时每周1次。
如图3和图4所示，建立车辆-轨道耦合动力学模型和扣件系统精细化有限元模型。将钢轨表面不平顺数据输入到两个模型中，计算扣件弹条危险点的应力时间历程曲线。
应力时间历程曲线的计算方式为基于车辆-轨道耦合动力学模型的动力学分析，获取不平顺数据输入下得出的钢轨位移，然后将钢轨位移输入到扣件系统精细化有限元模型中，通过时域瞬态分析，计算得出扣件弹条的应力响应。其中，为了全面考虑扣件系统其它零部件对扣件弹条振动的影响，扣件系统有限元模型中的部件按照设计尺寸进行建模，采用三维实体单元模拟，利用有限元软件ANSYS进行仿真计算。
如图5所示，获得扣件弹条危险点的应力时程曲线图。利用雨流计数法对应力时程曲线进行计数，得到如图6所示的扣件弹条的应力幅值直方图，由于扣件弹条具有初始应力，同时采用Goodman曲线对扣件弹条进行应力幅值修正。
将应力幅值直方图中的应力幅值输入扣件弹条材料的S-N曲线，计算出实测钢轨表面不平顺数据下的弹条疲劳损伤，再结合Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论，得到扣件弹条的疲劳寿命。此疲劳寿命为扣件弹条在当前钢轨波磨作用下的总疲劳寿命，计算得到实测钢轨表面不平顺数据的弹条疲劳寿命为128万次，无钢轨波磨时总疲劳寿命一般大于500万次，有严重钢轨波磨时，疲劳寿命仅有几十万次或几万次，扣件弹条很快会发生疲劳断裂。
通过列车运行数据计算扣件弹条已有的服役寿命，列车运行数据包括列车每日开行对数、每列车包含的轮对数、列车运行天数。本实施例中列车每日开50辆，一辆车8节编组共32轮对，经过一年的运营扣件弹条的已服役达584000次。用实测钢轨表面不平顺数据下的扣件弹条疲劳寿命减去已服役寿命，得到扣件弹条的剩余疲劳寿命，设定扣件弹条预警限值为100万次时，当剩余疲劳寿命较低，达到预警限值，可进行钢轨波磨打磨操作，确保扣件弹条仍能长时间的正常服役，保证列车行车安全，计算可知扣件弹条剩余疲劳寿命约为70万次，处于较危险的状态，应立即进行钢轨波磨打磨。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、选取钢轨波磨检测区间，分段对区间内的钢轨表面波磨进行检测，得到钢轨表面不平顺数据，对钢轨波磨检测的频率进行动态调整；
b、建立车辆-轨道耦合动力学模型和扣件系统精细化有限元模型，扣件系统精细化有限元模型，扣件系统中的部件应按照设计尺寸进行建模，采用三维实体单元模拟，使用有限元软件对其进行仿真计算，扣件系统零部件包括弹条、螺栓、绝缘垫片、轨距挡板、轨下垫板、板下垫板和铁垫板，在模型中对轨距挡板、绝缘垫片及螺栓进行去除圆角的形状简化，将钢轨表面不平顺数据输入到两个模型中，计算扣件弹条危险点的应力时间历程曲线；
c、利用雨流计数法对应力时间历程曲线进行计数，得到扣件弹条的应力幅值直方图，同时采用Goodman曲线对扣件弹条进行应力幅值修正；
d、将应力幅值直方图中的应力幅值输入扣件弹条材料的S-N曲线，计算出实测钢轨表面不平顺数据下的弹条疲劳损伤，再结合Palmgren-Miner线性疲劳累积损伤理论，计算出扣件弹条的总疲劳寿命；
e、通过列车运行数据计算扣件弹条已有的服役寿命，用扣件弹条的总疲劳寿命减去已服役寿命，得到扣件弹条的剩余疲劳寿命；
f、设定寿命预警限值，当扣件弹条的剩余疲劳寿命小于寿命预警限值时，进行钢轨波磨打磨操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，其特征在于：步骤(a)中选取的钢轨波磨检测区间为扣件弹条出现异常断裂超过10个/公里的地段，分段长度为100m，检测钢轨波磨的仪器为检测波长能达到10mm，波深精度能达到微米级的波磨小车，钢轨波磨检测的频率的动态调整为每月1次或每周1次。
3.根据权利要求1所述的一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，其特征在于：步骤(b)中应力时间历程曲线的计算方式为基于车辆-轨道耦合动力学模型的动力学分析，获取不平顺数据输入下得出的钢轨位移，然后将钢轨位移输入到扣件系统精细化有限元模型中，通过时域瞬态分析，计算得出扣件弹条的应力响应，扣件系统精细化有限元模型采用三维实体单元模拟，利用有限元软件ANSYS进行仿真计算。
4.根据权利要求1所述的一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，其特征在于：步骤(b)中所述的建立车辆-轨道耦合动力学模型，包括车辆系统和轨道结构，车辆系统包括车体、转向架、轮对以及一系、二系悬挂，将车体、转向架以及轮对考虑为刚体，不考虑它们的弹性变形，一系弹簧、二系弹簧及轮轨接触的赫兹弹簧的刚度均考虑为线性，并且假设车辆系统沿着铁路线路纵向作匀速的运动，车辆的自由度分为车体和转向架的横向、垂向、侧滚、摇头、点头各5个自由度，四个轮对模型的横向、垂向、摇头及侧滚各4个自由度；
轨道结构包括钢轨、扣件、双块式轨枕以及道床板，钢轨模拟时选取为考虑剪切变形的Timoshenko梁模型，扣件采用Bushing力元进行模拟，道床板选用实体单元，道床板与地基通过定义力元进行联接；
轮轨接触采用轮轨多点非赫兹接触理论来计算，基于弹性半空间假设，选取Kik-Piotrowski接触模型，并且考虑车轮和钢轨之间的虚拟穿透，同时引入接触刚度、接触斑形状以及尺寸修正系数，选取迭代平滑算法来求解轮轨多点非赫兹接触问题，对于切向接触，采用FASTSIM算法求解。
5.根据权利要求1所述的一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，其特征在于：步骤(e)所述的列车运行数据包括列车每日开行对数、每列车包含的轮对数、列车运行天数。
6.根据权利要求1所述的一种基于扣件弹条服役寿命的钢轨波磨打磨方法，其特征在于：步骤(f)所述的寿命预警限值设定为100万次。
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| CN113252778A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-08-13 | 西南交通大学 | 一种基于加速度的弹条疲劳损伤监测方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120271566A1 (en) * | 2011-04-21 | 2012-10-25 | Vinayak Deshmukh | Method for the prediction of fatigue life for structures |
-
2021
- 2021-08-26 CN CN202110991825.4A patent/CN113705051B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113252778A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-08-13 | 西南交通大学 | 一种基于加速度的弹条疲劳损伤监测方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 城市轨道交通钢轨波磨智能管理研究;吴宗臻;王文斌;王小锁;;现代城市轨道交通(第08期);全文 * |
| 基于车轨耦合和扣件精细模型的弹条疲劳分析;辛涛;杨学敏;肖宏;张琦;;中南大学学报(自然科学版)(第12期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113705051A (zh) | 2021-11-26 |
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