近年来，高速铁路运行速度的提高和使用频率的增加，使弹条的断裂问题表现得更为突出。作为高速铁路轨道的重要组成部分之一，轨道扣件系统利用弹条弹性变形时储存的能量，对轨道起到缓解机械振动和冲击的作用。但是，弹条在服役过程中承受着多次周期性的交变应力作用，因而有必要关注其在长期荷载作用下的性能。本文在现有研究结果的基础上，通过建立较为弹条扣件系统有限元模型，对弹跳在扣压力作用下的模态进行研究，得出弹条的变化规律。调研结果表明，隧道、路基、桥梁上均有弹条断裂发生，隧道内偏多。
1 计算模型
1.1 扣件模型
高速轨道常采用弹条Ⅰ型扣件作为轨道扣件。弹条Ⅰ型扣件是目前国内轨道交通线路钢轨扣件常用的类型之一。现以弹条Ⅰ型扣件作为研究模型，其材料属性见表1。
表1 扣件材料属性
| 材料名称 | 弹性模量/MPa | 泊松比 | 屈服强度/MPa | 密度（×1/03kg·m-3） |
| 60Si2MnA | 2.05×105 | 0.3 | 1600 | 7.85 |
弹条Ⅰ型扣件三维模型尺寸是根据GB/T1495.1-1992设计出来的，如图1所示。弹条的实物安装工作状态下，弹条与螺栓、弹条与绝缘块、弹条与铁垫板之间均有接触作用。为了反映弹条实际受力情况，在弹条上施加了螺栓、铁垫板、绝缘块对弹条扣件的作用力进行约束，如图2所示。通过在螺栓上表面施加均布压力模拟扣压力，扣压力为16kN时为标准安装。
图1 弹条扣件三维图 图2 弹条约束分析图
通过有限元软件对弹条模型施加螺栓、绝缘块、铁垫板的约束条件，计算弹条在预应力下的模态分析，得出前6阶模态数值，分别为：566.57Hz、1008.6Hz、1794.4Hz、1857.9Hz、1900.6Hz、2216.8Hz，图3为模态分析的第一阶模态数值。对弹条施加载荷后得到弹条扣件的应力图，最大数值为13908MPa，弹条断裂大部分发生在弹条尾部跟端支承位置，与仿真应力最大位置相同，如图4所示。
图3 应力图 图4 弹条第一阶模态数值
2 试验分析
2.1 动车组车轮多边形分析
车轮多边形是指车轮圆周方向存在规则的波浪形。工程常采用阶次图表示。
图5 理论上的车轮 图6 实际中的车轮 图7 出现了多边形的车轮
18阶多边形车轮安装在高铁动车组试验列车的第8车2轴，直径850mm，其他车厢轮对的车轮无明显多边形。图8是安装在试验列车的8车2轴的轮对多边形视图，图9反映了试验列车在以300km/h速度通过检测点时的垂向加速度激励数值。
图8 8车2轴轮对多边形视图
图9 试验动车组垂向加速度图
试验列车以300km/h速度通过时，直径为850mm的18阶多边形车轮产生的激励频率为562Hz，与弹条的模态数值分析接近：
2.2 钢轨波磨分析
钢轨波磨是指钢轨上表面出现规则的波浪形磨耗，表现为一高一低或一明一暗的光带。图10表示钢轨的理想表面视图，图11为钢轨的实际表面，存在一高一低的峰谷视图，图12为经过一段时间的磨耗产生波磨的钢轨视图。
图10 理论上的钢轨 图11 实际上的钢轨 图12 出现波磨的钢轨
轮轨高频共振的产生条件主要为：轮和轨系统存在相同或相近的固有频率；车轮多边形波长与钢轨波磨波长相同或相近；车轮圆周与波磨波长的比为整数。钢轨高频激励在动车组运行速度达到250km/h时，激励在440～580Hz之间；当动车组的运行速度达到300km/h，激励在530～700之间，同时弹条的频率范围在500～700之间。表2为动车组高速运行时，存在波磨钢轨对动车组的激励，容易产生共振，引起弹条的疲劳断裂。
表2 钢轨对动车组激励数值表
| 波长/mm | 120 | 130 | 140 | 150 | 160 |
| 250km/h | 579 | 534 | 496 | 463 | 448 |
| 300km/h | 694 | 641 | 595 | 556 | 538 |
2.3 弹条试验分析
理论分析和室内试验表明：300-1型扣件弹条的固有频率在550～650Hz之间，且弹条在共振时的最大应力出现在弹条尾部支承位置，与现场断裂位置基本一致。
图13 弹条断裂过程分析图
对弹条断口存在裂纹源区、疲劳扩展区和瞬时断裂区3个区域。除1根断裂弹条发现裂纹外，其余弹条未发现表面裂纹，部分断裂弹条局部有不同范围不同程度的锈点；已断和未断弹条的表面检测结果无明显差异；已断和未断弹条的硬度、脱碳层和金相组织均在标准要求范围内。
3 结论
绝大部分弹条断裂发生在弹条跟端支承位置，与一般弹条疲劳试验中的典型断裂位置不同；断口均存在裂纹源区、疲劳扩展区和瞬时断裂区3个区域。与2011年京沪高铁弹条伤损现象相同。
（1）现场测试表明，部分动车组车轮存在18阶多边形情况，以300km/h通过时产生高频激励，与弹条固有频率接近，弹条发生共振，加速度幅值显著增大。弹条在共振时，最大应力出现在弹条尾部支承位置，长期作用产生疲劳裂纹，进而导致应力集中、裂纹扩展，最终发生瞬时脆断。
（2）具有多边形磨耗车轮的动车组高速运行时产生高频激励与弹条的固有频率接近，导致弹条发生共振，加之前期钢轨表面可能存在波磨，加剧弹条共振，是武广高铁弹条伤损的主要原因。
（3）动车组车轮一旦出现多边形磨耗，应及时处理。现场钢轨出现周期波磨，应及时打磨。
（作者费玉坤系唐山轨道客车有限责任公司工程师）
