郎福权
晋亿实业股份有限公司 浙江省 嘉兴市 314100
摘要：扣件是轨道系统重要组成部件，是钢轨与轨枕联结的关键，起到固定钢轨正确位置的作用．扣件的工作状态，影响着轨道系统整体结构的稳定性和行车安全性，预防扣件失效的基础是要找出导致扣件失效的主要因素．W型扣件扣压力与弹程、硬度和残余变形之间的关系．得出弹程一定时，在荷载作用下，随着硬度的增大，弹条扣压力增大，其塑性和韧性下降，弹条最大应力在弹条跟端圆弧处，此处易发生断裂的结论．鉴于此，本文对轨道扣件失效故障树分析方法进行分析，以供参考。
关键词：扣件；故障树分析；最小割集；结构重要度
引言
通常，疲劳切割由三个阶段组成:裂缝分割过程、裂缝拉伸过程和最终断裂。研究表明，在低应力幅的作用下，疲劳裂纹的萌生阶段甚至可占到疲劳寿命的90%左右。疲劳现象通常出现在曲面或附属曲面上。材料的表面状态、应力、存储程度等会影响材料的寿命。失效弹条表面有褶皱缺陷，在疲劳载荷下导致褶皱应力集中，导致疲劳现象，并缩短疲劳寿命。这会导致弹簧的整体疲劳强度降低，并导致弹簧过早疲劳。
1扣件常见失效类型
扣件常见失效大体上有七类，分别为：弹条失效、Ｔ型螺栓失效、轨距块失效、轨下垫板失效、扣件铁垫板、锚固螺栓失效及绝缘缓冲垫板失效．弹条失效表现为弹条断裂、弹条锈蚀等；螺栓失效表现为螺栓断裂、螺栓松动等；轨下垫板失效表现为轨下胶垫窜出、轨下胶垫压溃，等等．在某铁路线路现场调查发现，ｅ型扣件铁垫板在铁垫板凸台与绝缘块的交接处出现裂纹；在国内某线路上发现FSL公司３００型扣件主要伤损类型是弹条部件的损伤；在上海某线路发现，ｗ型扣件绝缘块有损坏现象；在某地铁线路铺设的轨道减振器存在橡胶层和垫板之间开裂的现象；在国内某地铁区段调查发现，在其下行线有轨下垫板窜出的现象发生．扣件常见失效以弹条断裂事故所占比例最大．
2失效模型及计算参数
地铁列车采用两编组B型车。其中，钢轨计算长度为325m，扣件类型为DTVI2?1型，间隔为0.625m，共计520个扣件。依据《桩基工程手册》中桩周土反力系数的计算方法并结合Novak平面应变可确定地基参数。轨道系统计算参数如表1所示。
3故障树定性分析
3.1最小割集
在故障树中，最小割集是使顶事件发生的集合，该集合由一个或多个底事件组成，若高阶最小割集中所有底事件均发生，则故障发生．本文运用上行法对故障树进行定性分析．自下而上写出各底事件的逻辑表达式
运用事件逻辑运算中的幂等律将上述表达式进行简化，再运用吸收律得出顶事件的表达式为
由上述求解过程可知ｗ型扣件失效故障树模型的最小割集见表2．
3.2底事件的结构重要度分析
结构重要度有两种分析方法：①按结构重要度系数由大到小排序，需计算出各底事件的结构重要度系数；②根据最小割集近似判断各底事件的结构重要度大小，进行排序．结构重要度越大，则其对顶事件的影响就越大．本文基于所求最小割集，采用最小割集判断系数的方法对底事件的结构重要度进行排序，即
式中：Ｉ（ｉ）为底事件ｘｉ的结构重要度的近似判别值；ｘｉ（Ｋｊ为底事件ｘｉ属于最小割集Ｋｊ；ｎｊ为底事件ｘｉ所在最小割集Ｋｊ中所含有的底事件个数．由式（１）对ｗ型扣件失效故障树的底事件结构重要度大小进行排序为
由式（１）可得，弹条偏转、弹条残余变形过大、预紧力不足、安装应力集中等底事件的结构重要度为１．００．这说明只要此类底事件发生便会导致ｗ型扣件失效．其故障主要集中在由预紧力不足、安装应力集中等促使弹条断裂导致扣件失效．
4扣件失效对系统振动特性的影响
4.1单个扣件失效
图1(b)所示为地铁整体道床轨道的局部图，扣件按位置顺序进行编号。首先考虑单个扣件失效情况。假设第260号扣件弹条断裂，此时，该扣件的刚度和阻尼系数全部为0。为避免其他因素的干扰，此处不考虑轨道不平顺的影响。假设地铁列车速度为72km/h，分别计算扣件失效前后地铁车轨系统的振动响应。
图2所示为扣件失效对车轨振动的影响。由图2(b)可见：当列车到达162.188m(即编号为260的失效扣件位置)附近，相较于完好轨道系统，地铁车轨系统各项动力响应都显著增大，且首个峰值出现的位置与失效扣件位置有良好的对应关系。从扣件失效的影响区域来看，钢轨位移、钢轨加速度和轮轨接触力受扣件失效的影响范围较小，只在失效扣件附近有振动变化，但对车体竖向加速度的影响范围较大。
4.2车速的影响
为研究扣件失效情况下地铁车速对车轨系统振动的影响，选取10，20，25和40m/s这4种车速进行计算和分析。图3所示为列车速度对钢轨位移的影响，图7所示为列车速度对不同位置扣件反力的影响，由图3和图4可知列车速度对位移和反力的影响很小。
图4列车速度对不同位置扣件反力的影响
4.3失效扣件数量的影响
扣件失效会导致邻近扣件反力大幅增加，若不及时维修，将导致二次灾害。图5所示为扣件失效数量分别为1，2和3个时地铁车轨系统的振动响应，列车速度取72km/h。由图5(a)和(b)可见：钢轨位移和邻近扣件反力随着失效扣件数量增加而大幅增加；当3个扣件同时失效时，钢轨位移是单个扣件失效时的位移2.63倍；邻近扣件反力的增幅则为54.9%。由图5(c)和(d)可见：首车车体竖向加速度由0.006m/s2增大到0.028m/s2，增幅接近3.7倍；轮轨接触力也有较大增加。因此，扣件失效数量会显著影响乘客舒适度，加剧轮轨磨损和钢轨失效，应及时排查和更换。
图5扣件失效数量对车轨振动的影响
5失效件的观察与分析
5.1失效件的宏观分析
图6显示了由图6中的黑色箭头表示的破裂(部分)墨盒插槽。将横截面放在主体显微镜下，可以看到横截面的整体形状是扁平的，如图7所示，横截面边缘只有一个高度变形的区域。断裂面上有两个平行弧，如图7中的白色箭头所示，断裂面表面具有径向纹理，从而将失效形状标记为疲劳回路。径向纹理收敛于横截面边上的区域，表明它是横截面的疲劳源(在图7中以a标记)。疲劳极限从疲劳源向外延伸，疲劳弧线和径向纹理位于栏b(图7)和ca中的区域内。占打断总面积的85%。横截面边缘处的塑性变形可见区域是唇的剪切部分(图7中标记为c)。这是最终断裂，仅占横截面总面积的10%左右。
图7断口的宏观形貌
5.2失效件的金相组织分析
从金相切片下面切割切口，图8显示试样的金属形状，图8 a显示疲劳源处的金属外观，表面开口处可见疲劳源处的裂纹(如图中的白色箭头所示)，裂纹两侧均有明显的氧化材料痕迹(如图中的黑色虚线所示)。图8 b是样品的金属轮廓，从组织为较均匀的回火索氏体组织，未发现异常组织及明显的冶金缺陷。
结束语
本文建立扣件失效情况下的地铁整体道床模型，考虑地铁列车?整体道床(隧道衬砌)的耦合振动，综合分析单扣件失效、多扣件失效、列车速度以及轨道不平顺等因素对于车轨振动的影响，并提出对扣件失效最为敏感的车轨振动指标，为地铁振动监测和运营维护提供参考，并为高速铁路扣件失效故障树分析方法提供参考。
参考文献
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