尖轨断裂监测仿真与试验分析

陈 强，王大志，张天赋，陈玉亮，马 韬

（大连理工大学辽宁省微纳米技术与系统重点实验室，辽宁大连 116024）

0 引言

尖轨是引导列车进入预定开行方向的关键，仅受到滑床板承托、根端固定和有限的牵引锁闭约束，加之道岔区固有不平顺、竖向和横向刚度变化大等特点，当列车通过时会承受较大的冲击，往往成为轨道的薄弱环节[1-2]。尖轨在疲劳载荷下可能诱发原始伤损、核伤或接触疲劳裂纹扩展甚至断轨，如未被及时发现，将严重危及列车安全。铁路方面现行的轨道伤损检测设备主要是大型轨检车和便携式轨检车，其采用超声技术对钢轨进行裂纹等缺陷的探测。由于特殊结构限制，现有的超声检测设备存在轨底盲区，且尖轨的渐变截面特点与基本轨不同，使得仪器设备偏离探伤区域容易产生伤损漏检。根据规定，尖轨定期探伤使用仪器探测与手工探测相结合的方式，只有轨顶宽度大于50 mm 的部分要求使用仪器[3]。目前针对尖轨通常采用手工方式进行检测，即周期性的人工“看敲照”巡查[4]并配合便携检测设备，存在经验主导、时效性差和可靠性低等问题，因此，研究实时的尖轨断裂监测技术对保障道岔区安全意义重大。

本文为探究便捷可靠的尖轨断裂监测方法，仿真分析了尖轨在轮载和转换动作下的力学特征，研究与尖轨断裂密切相关的纵向应力和变形规律，并对比了尖轨各部位有无裂纹时的差异，提出了使用长尺寸裂纹扩展计进行尖轨随机位置断裂的监测方案，最后通过仿真和试验验证了该方案的可行性。

1 尖轨的有限元仿真

1.1 尖轨轮载

使用Abaqus 软件建立图1所示的由车轮、6跨长度AT直尖轨和滑床板组成的轮载模型，均定义为线弹性材料，杨氏模量为210 GPa，泊松比为0.3。设置一端固定模拟尖轨根端约束，设置非工作边零位移模拟尖轨贴靠，在竖向建立滑床板与地的弹簧约束，刚度取100 kN/mm。模型整体设置为减缩积分单元（C3D8R），并在接触区域细化网格，轮轨间设置有摩擦的硬接触，参考轴重设定静轮载大小为85 kN，以耦合方式通过车轮作用于尖轨，考察不同轮载位置下尖轨各部位纵向应力和变形，仿真结果如图2和图3所示。

图1 尖轨轮载模型

图2 滑床板上轮载的尖轨仿真

图3 滑床板间轮载的尖轨仿真

尖轨轮载仿真结果表明：轮载位置差异的影响较小，在轮载作用点前后各一跨内尖轨呈上压下拉的应力状态，且在轮载作用点附近应力峰更明显，对应的轨头和轨底纵向变形达到极值，但在数值最大的轨头处仅约90 μm。轮载作用点前后各一跨之外的尖轨逐渐过渡为上拉下压应力状态，累积的纵向变形逐渐减小，而轨腰在全长范围内纵向应力和变形均趋于零值，因此，断裂分析的重点应放在载荷作用点附近。

1.2 预制裂纹尖轨轮载

常见的尖轨断裂起源有轨头横裂纹、轨头核伤裂纹、轨腰横裂纹、轨底角裂纹、轨底核伤裂纹，为此在Abaqus中向轮载模型中装配基于扩展有限元的各类型裂纹，设置基于最大主应力的破坏准则和基于位移的损伤演化，以尖轨材料抗拉强度880 MPa 作为最大主应力赋予断裂参数，提交并完成分析。

图4 轮载下预制裂纹尖轨轨底角的力学特征

图5 轮载下预制裂纹尖轨轨底中心的力学特征

由于区域压应力或低应力的影响，轨头或轨腰处预制裂纹的尖轨与健康尖轨在各考察部位力学特征基本一致（故未重复列出），而根据图4 和图5 所示的仿真结果，在轮载下预制了轨底角裂纹或轨底核伤裂纹的尖轨轨底会出现局部的应力释放和纵向变形不连续，但整体应力水平和纵向变形与健康尖轨基本一致，其他位置预制裂纹不影响尖轨轨底整体应力和变形。

1.3 尖轨转换

使用Abaqus软件建立18号直尖轨模型，断裂参数与预制裂纹尖轨轮载仿真相同，在尖轨根端施加固定约束，在3个牵引点位置作用斥离转换位移，重点考察轨底角有无预制裂纹时尖轨全长的纵向应力和变形，结果如图6所示。

图6 尖轨转换动作仿真

仿真结果表明，尖轨斥离动作下非工作边受拉应力而工作边受压应力，但尖轨全长范围内引起的两侧轨底角纵向应力水平较低，最大值仅约20 MPa，全长范围的尖轨轨底角纵向变形量十分微小，仅约1.5 mm。当在尖轨第3 牵引点附近非工作边轨底角预制一定深度的横向裂纹时，仅在拉应力侧裂纹处出现局部应力释放，而整体纵向应力和变形与健康尖轨转换动作下仿真结果一致。

综合轮载和转换分析，与尖轨断裂密切相关的横向裂纹并不影响尖轨整体应力和变形，仅当裂纹处于拉应力时才出现局部的应力释放和纵向变形不连续。考虑到断裂位置的随机性，尖轨整体纵向应力与变形不能作为断裂监测指标，但裂纹扩展演化可以作为断裂伤损的重要识别特征。

2 裂纹扩展监测仿真与试验

裂纹扩展计是断裂力学中常用于检测裂纹扩展的传感器，使用COMSOL 软件建立裂纹扩展计模型模拟金属栅断裂过程得到图7 所示的传感信号，可清晰反映结构裂纹扩展过程。然而常规裂纹扩展计尺寸较小，主要用于已知裂纹位置或局部区域的裂纹扩展与断裂试验，考虑到尖轨断裂位置在较大范围内的随机性，本文提出使用长尺寸裂纹扩展计进行尖轨裂纹扩展监测。为了讨论该方案的可行性，对此进行建模仿真和试验分析。

图7 裂纹扩展计的传感信号

2.1 模型建立

使用Abaqus 软件建立图8 所示的由待测结构、瞬干胶黏剂和裂纹扩展计的主要部分（即有机绝缘层、热固胶粘层和敏感金属层）组成的裂纹扩展监测模型。在待测结构中部侧边预制裂纹，按照表1 为模型各层结构赋予材料属性，将胶粘层设置为cohesive 单元并定义基于最大正应力的破坏准则，将其他层设置为3D应力单元并定义基于最大主应力的破坏准则，各层均定义基于位移的损伤演化规律，各层间施加绑定约束。

图8 结构裂纹扩展监测模型

表1 结构裂纹扩展监测模型材料参数

2.2 应变传递

固定待测结构一端，另一端施加面载荷，仿真得到预制裂纹侧各层应变如图9 所示。结构裂纹监测的应变传递仿真结果表明：靠近裂纹扩展计边缘存在不足2 mm 应变过渡区，而其他区域各层应变一致。当待测结构出现裂纹伤损时，由于非边缘区域应变的完全匹配，拉应力条件下裂缝的张开会导致裂纹扩展计各层在裂纹伤损位置形成明显的应变峰，且越靠近待测结构层，应变峰值越高。

图9 裂纹扩展监测模型的应变传递

2.3 监测仿真

为进一步探索结构裂纹扩展监测的细节，对监测仿真模型进行裂纹扩展分析，具体操作模拟3 点弯曲裂纹扩展，即定义待测结构两端位移约束但保留转动自由度，在预制裂纹的对侧施加位移载荷直至裂纹扩展计金属层出现一段的开裂。

图10 裂纹扩展监测仿真模型各层应力和伤损

裂纹扩展监测仿真模型各层结果如图10所示，位移载荷下待测结构预制裂纹的裂缝区域局部应力释放而裂尖呈应力集中状态，且裂纹随位移载荷的增加持续扩展。结合裂纹扩展监测仿真的应变传递特点，位移载荷下裂纹扩展计各层在待测结构裂纹处将产生明显的应变峰，但由于弹性模量差异，胶粘层和绝缘层的应力水平较低，而敏感金属层应力水平较高，当应力达到断裂伤损阈值时敏感金属层即出现裂纹，并随待测结构裂纹的扩展而扩展。参考仿真结果和仿真模型网格密度可知，敏感金属层比待测结构断裂超前0.25～0.75 mm，与某型商业裂纹扩展计断裂滞后（超前）小于或等于0.5 mm的指标基本相当；此外，根据图中瞬干胶粘层刚度退化区域可知，裂纹扩展引起附近的瞬干胶层失效宽度仅2～3 mm，表明粘贴了裂纹扩展计的待测结构区域任意位置出现的裂纹均可反映到敏感金属层，初步论证使用长尺寸裂纹扩展计进行长尖轨断裂监测的有效性。

2.4 监测试验

鉴于尖轨断裂常源于疲劳载荷下的裂纹扩展，参考GB/T 6398-2017 从尖轨取得SEN B3 试件用于疲劳裂纹扩展试验并监测其演化过程。试件材料为U71Mn，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，裂纹扩展门槛值为2.2 MPa·m1/2，断裂韧度为47 MPa·m1/2，以线切割方式沿试件横向加工直通型缺口作为预制裂纹起点。设计制作长尺寸裂纹扩展计样品，保持敏感栅垂直于裂纹线粘贴于标准试件预制裂纹起点附近。疲劳裂纹扩展试验在图11（a）所示的MTS Landmark 370.25 kN 液压伺服疲劳测试系统上进行，轴向施加最大载荷为50 kN，载荷比R=0.1，试验频率f=10 Hz。裂纹扩展传感信号通过Avago（Agilent）34401A六位半精密数字万用表搭配测试软件进行实时记录，测试结果如图11（b）所示。

图11 疲劳裂纹扩展监测试验

疲劳裂纹扩展监测试验结果显示：裂纹扩展计输出的传感信号随疲劳载荷频次增加呈阶跃变化，该结果与COMSOL软件仿真裂纹扩展计工作的传感信号一致，表明设计制作的裂纹扩展计的金属栅能够随试件疲劳裂纹扩展而逐根断裂。此外，试件裂纹位置瞬干胶层破坏区域宽度约3 mm，其他区域仍粘贴可靠，与仿真结果一致。

3 结束语

本文针对当前尖轨断裂伤损检测手段的不足，运用有限元方法进行预制裂纹尖轨的轮载和转换仿真，鉴于尖轨预制裂纹不影响整体应力和变形但存在裂缝应力释放和裂尖应力集中的典型特征，提出使用长尺寸裂纹扩展计进行尖轨随机位置断裂监测的方案，通过有限元仿真和试验发现裂纹扩展计裂纹与结构裂纹同步性较好，裂纹区胶层失效区域较小，满足尖轨断裂监测需要，验证了所提方案的可行性。