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跨座式单轨轨道梁支座螺栓断裂分析

发表时间：2020/9/24 来源：《基层建设》2020年第17期作者：刘进章罗秋清

[导读] 摘要：用于固定轨道梁支座的螺栓长度约为975毫米，由14Cr17Ni2钢制成，已多次断裂。

        柳州东方工程橡胶制品有限公司广西柳州 545005
        摘要：用于固定轨道梁支座的螺栓长度约为975毫米，由14Cr17Ni2钢制成，已多次断裂。通过宏观分析、金相检验等试验，分析了螺栓断裂的原因。结果表明，螺栓硬度过高，冲击强度过低，存在夹杂物等冶金缺陷，断裂是由于应力腐蚀裂纹的扩展造成的。
        关键词：跨座式轨道；锚固；螺栓；断裂；分析研究
        前言：
        某城市轨道交通3号线采用单轨结构，轨道梁主要安装在轨道梁支座上。一个轨道梁支座由四个螺栓固定在支座垫石的锚箱上。螺栓的总长度约为975毫米，两端螺纹的尺寸为M36×2，长度约为90毫米，杆直径约为36毫米。螺纹部分的一端通过焊接连接到球螺母上。自3号线建成以来，钢轨支护螺栓多次断裂。分析了螺栓断裂的原因。
        1跨座式单轨交通的现状
        1.1现状
        我们现在所使用的的跨座式轨道交通期初发祥于日本。其是第一个采用单轨交通作为城市交通运输方式的国家。2004年，中日双方就在中国引进跨座式轨道交通生产技术进行了谈判，使中国成为世界上第二个拥有大型跨座式轨道交通生产技术的国家。目前，我国已有很多城市正在使用这种技术，比如重庆、上海、芜湖、吉林等城市。某市的3号线就是一条单轨交通，这条单轨交通的总长度现在是98.45公里，是全国第一。其所在城市是一个地势复杂、地质条件恶劣的城市。单轨交通的使用减少了城市的拥挤，使它们更容易发展。
        1.2跨座式单轨交通的优点
        与地铁相比，跨座式轨道通常位于高处，不需要地下或大型地下挖掘。从建筑的角度来看，它没有地铁那么困难，运行时间也更短。根据已完成项目的统计数字，建造一条跨座式轨道每公里的费用约为四亿元，而建造一条地铁每公里的费用约为八亿元。与此同时，跨座式轨道允许在主干道的绿带上铺设桩，从而大大降低了拆除成本。轨道交通一般由国家投资建设，因此降低成本也是节约资源。
        2轨道梁支座种类
        根据变形应力，简单的PC轨道梁可分为两种类型：直线梁和曲线梁。根据曲线半径R=∽、R=500m、R=100m，根据直线条件将轨道梁支座分为两类。根据材料的不同，轨道梁支座可分为两种类型：铸钢支座和橡胶支座。在上段，主要使用铸钢支座，在隧道中使用橡胶支座。PC单轨交通的支座不是标准的，其特殊结构是专门设计的，有特殊的技术要求。该支座适用于城市轻轨列车预应力混凝土梁的支护，满足车辆、轨道梁、建筑边界及其在顶梁上的布置的要求。支座应能承受最不利的垂直、水平和扭转载荷，并具有良好的旋转、移动性和疲劳性能。轨道梁的支座应能承受压力、拉力、水平力和大扭矩，并能承受一定的变形协调。轨道梁的支座应具有足够的抗侧翻能力，以确保列车运行过程中轨道的横向稳定性。轨道梁支座具有垂直、水平和垂直调整功能，以确保轨道的调整。
        3分析
        3.1宏观检验

                                 图1
        螺栓断裂的一端发生从茎到滚珠螺母焊接，离上半部分130毫米左右，紧邻板表面，断裂的一个小刮擦和变形，也并没有显示出外观异常机械损坏。图中显示了螺栓断裂的宏观形态，没有明显的截面收缩。大约三分之一的下半身是平的，颜色是黄色的。在“5小时”方向有一个出发区，在“7小时”方向有一个出发区。大约三分之二的上部是粗糙的，呈放射状，从平面向上延伸。根据上述试验结果，断裂螺栓截面从“5h”方向和“7h”方向延伸至“12h”方向。（图1）
        3.2扫描电镜分析
        采用扫描电镜对锚固螺栓断裂情况进行了分析。下部靠近地面，截面相对平坦，可以看到边缘带向上延伸。在高放大倍数下，截面表面的一部分沿晶体表面呈现出挤压和氧化磨损的特征。螺栓截面的断裂区域为结晶区，有少量的坑和撕裂的边缘。如上面图中可以看到，水面方向螺栓是九点方向与圆形裂纹和带孔洞的裂缝，可以看到夹杂自己的分支沿裂缝。
        3.3金相分析及能谱分析
        对断裂截面进行了金相分析。初始裂纹区域由裂纹的右表面和上表面组成。剖面相对平坦。截面的下表面与截面平行，裂纹长度约为1.5mm。截面下部的裂纹张开区为结晶状，裂纹扩展区为二次枝晶裂纹。螺栓的结构由马氏体和铁氧体组成，它们呈条状分布。位于断面初始截面附近的表面也有一些类似于孔洞的缺陷，孔隙中有夹杂物。光谱分析表明，包裹体可分为：O，Al，Cr，Mn，Fe。
        3.4分析与讨论
        断裂锚的化学成分符合相关要求，表明断裂与材料成分无关。螺栓结构不均匀，铁素体带较多。断裂区域存在硫夹杂物、渣夹杂物等冶金缺陷，以及剥落形成的空腔。这些缺陷暴露在表面介质中，容易吸附和保留，导致局部腐蚀，使其成为腐蚀敏感区和应力集中区。螺栓的抗拉强度和断裂伸长率符合有关技术要求，但冲击强度不符合要求;核心硬度高，主要是由于热处理不当，其他因素也可能与来源结构不均匀有关。应力腐蚀破坏是一种应力和介质对材料的破坏现象。
        4锚固螺栓断裂原因浅析
        4.1部件缺陷
        结构设计。根据基础螺栓的结构特点，螺杆根的圆齿尖锋利，而反向缺口直径的减小结构较弱。这些锐角和直径减小会产生应力并形成潜在的微裂纹。热成形过程中螺栓的褶皱和空心是开裂的主要原因。处理技术。生产工艺对螺栓的疲劳强度有很大的影响。车削是螺栓的螺纹部分。如果处理不当，螺纹底部，特别是螺纹末端可能会出现刀痕，这可能是潜在的缺陷。热处理。高强度材料的热处理是一个非常重要的过程。在回火过程中，硫、磷等杂质容易在高温回火区形成。杂质容易在晶粒边缘堆积，导致脆性断裂，特别是当硬度大于HRC35时。主管部门对断裂螺栓进行的硬度试验也说明了这一点。试验结果表明，对于HRC35以上的螺栓硬度，有很强的脆性倾向。硬件故障。氢脆化是螺栓的致命缺陷，在外力作用下容易断裂。的两个主要原因是导致氢脆：对方是外部表面处理时，主要的螺丝钉。氢原子内基底中插入和传播自由，从而打乱了原有的平衡，导致晶格扭曲和外力的作用下导致断裂。
        4.2疲劳损坏
        螺栓损伤主要是因为疲劳造成。疲劳造成损害的主要失效形式是螺旋结构。还有后期的根部应力集中，减少导线的直径和休息的凹槽，这是危险的，特别是在萌芽的，因为拉紧螺栓螺纹，折叠的压力和剪切力并不统一，从而造成弯曲应力。
        4.3安装原因
        螺丝松。当转弯力矩太小，事前附着力过小时，由于振动或工作状态下附着力不足，容易松动。但是，如果旋转的力矩过大，甚至超过规定的数值，萨德就会在超负荷下工作。组合不同应力时，容易发生拉伸或折断现象，失去效力。在固定螺母侧向力量饮水伏特的过程中，由于指压伏特不符合垂直，导致拉力不均匀，有可能引发问题。
        4.4使用条件
        影响在于列车运行过程中，在曲线区间的运行时间内，由于圆心力的作用，偏心力矩增大，在螺丝钉弯曲力矩的作用下形成的周期性应力螺栓交流应力疲劳。对支架的螺栓张力强度分析实验结果显示，螺栓的近1000kn（970kn）的牵引力下，螺栓的应对极限的平均强度为1081.49mpa。使用中锚链在动力作用下，力的作用都是100kn左右，比极限张力小很多。正常情况下螺栓不易断裂。锚具由于收缩槽的局部缺陷，造成收缩槽尖端局部应力的集中和疲劳度，有折断锚具的危险。
        结束语
        通过以上综合分析和测量结果，螺栓断裂的情况如下：一方面热处理的硬度过高，材料的单层韧性降低，脆性截断阻力降低，会导致低应力脆性截断。另一种是收缩，以凹槽的局部缺陷集中应力，锚柱发生小裂纹和断裂而失效。因此在实际运营中，维修人员需要注意到以上方面，保证螺栓不再轻易断裂；增加后期维护保养投入，增加轨道交通安全性。
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