CN108277702B - 一种低应力高阻尼铁路扣件弹条 - Google Patents

一种低应力高阻尼铁路扣件弹条 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，该弹条为沿中心线方向为变截面的弹条，所述的弹条的变截面系数为1～3，即弹条最大截面面积与最小截面面积之比为1～3:1，与现有技术相比，本发明具有降低了现有弹条最大应力幅值，提高了弹条的安全系数等优点。

Description

一种低应力高阻尼铁路扣件弹条
技术领域
本发明涉及一种铁路轨道技术，尤其是涉及一种低应力高阻尼铁路扣件弹条。
背景技术
铁路扣件弹条是使用最广泛的钢轨固定关键零件之一，扣件弹条不仅为轨道钢轨提供一定的扣压力和轨道纵向爬行阻力来保证车辆运行中钢轨的变形在其安全范围内，而且提供对钢轨在车辆车轮动载荷条件下产生的相对交变动态变形的疲劳寿命。现有铁路扣件弹条大多由等截面圆形弹簧钢制成，目前常用的弹条主要为“ω”形状弹条，“e”形状弹条及
Figure BDA0001570943510000011
形状的FC快速弹等，弹条的设计一般为三点受力设计，即扣压点、支承点和约束点。根据虎克定律，弹条的扣压力是弹条的刚度与弹程的乘积，弹条的刚度则取决于弹条的材料、弹臂的等效长度及弹条截面。由于等截面设计弹条沿弹臂的应力呈不均匀分布，往往弹条在支承位置的应力较大；另外弹条结构本身的模态频率范围也在“车辆-轨道”激励频率范围内，由于弹条材料多选择低阻尼弹簧钢，弹条在使用过程中在“车辆-轨道”***的高频激励条件下产生高幅值振动，特别在弹条高应力区域的共振模态频率附近会形成远远高于车轮通过频率的高频交变高应力，导致扣件弹条疲劳寿命大大缩短，在实际使用中出现了弹条疲劳断裂的情况，直接危害轨道交通运营安全及维护保养工作。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低应力高阻尼铁路扣件弹条。
在本发明中，首先设计了一种变截面的弹条结构，以此降低弹条支承区域的最大应力，同时考虑弹条制造工艺合理分布弹条沿弹臂的应力分布，同时充分发挥弹条不同区域的材料特性和作用，降低弹条材料成本，提出新的低应力弹条截面形状及沿弹臂的变化形状；采用复合截面设计同时满足低阻尼弹性层的弹条疲劳寿命要求和高结构阻尼的低共振响应要求，从而大大地提高扣件弹条疲劳寿命，解决弹条疲劳断裂问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，该弹条为沿中心线方向为变截面的弹条。所述的弹条的变截面系数为1～3，即弹条最大截面面积与最小截面面积之比为1～3:1。沿弹条中心线方向的变截面廓形是直线或波浪形，对应弹条在铁路轨道扣件安装及工作状态载荷条件下的应力在弹条不同位置均匀分布。所述的弹条包括弹趾，弹臂，弹跟和弹锁依次连接一体成型，其中弹跟处的截面面积大于弹趾和弹锁处的截面面积。
进一步地，所述的弹条为空心结构，形成弹条内腔。
进一步地，所述的弹条为中空的弹条母体弹性材料层，所述的弹条内腔是截面小于弹条母体弹性材料层的孔道，由此在弹条上形成了等截面或变截面的通孔或盲孔。
进一步地，所述的弹条内腔内设有阻尼弹性材料层，其内侧还设有约束质量层。
所述的阻尼弹性材料层的阻尼层弹性杨氏模量小于弹条母体弹性材料层的母体层弹性杨氏模量和约束质量层的约束层弹性杨氏模量。阻尼弹性材料层的阻尼层材料阻尼损耗因子大于弹条母体弹性材料层的母体层材料阻尼损耗因子和约束质量层的约束层材料阻尼损耗因子。
进一步地，阻尼弹性材料层和约束质量层组成多层复合体，该多层复合体为多阶“质量-弹簧”谐振阻尼***，谐振频率范围为200-2000Hz。
所述的多层复合体是单层或多层的自由层或约束层，阻尼弹性材料层和约束质量层之间采用胶粘剂或硫化工艺或机械粘接复合成一体，或者采用流体形式灌注固化制成。
此外，所述的阻尼弹性材料层与约束质量层可为同一材料复合的颗粒状碰撞体，颗粒状碰撞体填入弹条母体弹性材料层的弹条内腔内，外侧有封口盖。
所述的阻尼弹性材料层与约束质量层组成的多层复合体设置在弹条母体弹性材料层的外侧，构成“约束质量层-阻尼弹性材料层-弹条母体弹性材料层”的弹条结构，多层复合体的分布位置设在相关弹条母体弹性材料层振动模态幅值高的局部位置，或者沿弹条截面中心线方向的不同分段或全段。
与现有技术相比，本发明降低了现有弹条最大应力幅值，提高了弹条的安全系数，同时大幅度提高了弹条的结构阻尼，降低弹条共振响应幅值，大大地提高扣件弹条疲劳寿命，解决弹条疲劳断裂问题。变截面低应力弹条设计可以使原来高应力区域的最大应力降低到原来的三分之二以下；高阻尼设计将弹条共振响应幅值降低到原来的共振响应幅值的十分之一以下，大大地提高弹条的动态疲劳寿命；低应力高阻尼弹条与现有弹条安装接口一致，不改变原有相关零部件设计使用，便于现有轨道维修保养，具有可互换性、安装方便等特点。
附图说明
图1为本发明中弹条结构及截面示意图；
图2a为本发明中弹条沿弹臂截面曲线变化形状示意图；
图2b是本发明中弹条沿弹臂截面锥形变化示意图；
图3是本发明中动力阻尼设计原理图；
图4是本发明中多层动力阻尼弹条截面图；
图5a是本发明中碰撞式动力阻尼弹条剖面图；
图5b是本发明中碰撞式动力阻尼弹条图5a的A-A截面图；
图6是本发明中弹条内盲孔示意图；
图7是本发明中低应力高阻尼“ω”形弹条设计示意图；
图8是本发明中低应力高阻尼“e”形弹条设计示意图；
图9是本发明中低应力高阻尼
Figure BDA0001570943510000031
形弹条设计示意图；
图10是本发明中外设式低应力高阻尼弹条截面示意图。
图中：1、扣件弹条，2、弹条母体弹性材料层，3、阻尼弹性材料层，4、约束质量层，5、多层复合体，6、弹性材料层截面，7、变截面廓形，8、多阶“质量-弹簧”谐振阻尼***，9、弹性阻尼层“弹簧-阻尼”模型，10、封口盖，11、颗粒状碰撞体，12、弹条内腔，21、弹趾，22、弹跟，23、弹锁，24、弹臂，61、弹跟截面，62、弹趾截面，63、弹锁截面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，扣件弹条1由弹条母体弹性材料层2(该材料层为弹簧钢弹性材料层)，阻尼弹性材料层3及约束质量层4组成，其中弹条母体弹性材料层2为一空心弹条，阻尼弹性材料层3及约束质量层4依次设置在空心弹条的弹条内腔12内(如图2a-2b所示)，弹条母体弹性材料层2与阻尼弹性材料层3及约束质量层4通过灌注型阻尼材料固化前粘结性能连接成一起。
所述的弹条包括弹趾21，弹臂24，弹跟22和弹锁23依次连接一体成型，弹条母体弹性材料层2的弹性材料层截面6沿弹条中心线方向为变截面廓形7，如图2a-2b所示，变截面系数在弹条的弹跟22的弹跟截面61与弹趾21的弹趾截面62为1.5(即弹跟截面61的面积与弹趾截面62的面积比为1.5:1)，弹跟截面61通过弹条弹臂24与弹趾截面62两截面线性过渡。变截面系数在弹跟22的弹跟截面61与弹锁23的弹锁截面63为1.3(即弹跟截面61的面积与弹锁截面63的面积比为1.3:1)，弹跟截面61与弹趾截面63两截面线性过渡。弹条母体弹性材料层2可选择60Si2MnA，或60Si2CrVA或同等物理性能的弹簧钢材料。弹条母体弹性材料层2的弹性杨氏模量为1×1011～1×1012N/m2；弹条母体弹性材料层2在最大截面面积处的截面惯性矩大于现有实体弹条截面惯性矩。
如图3所示，阻尼弹性材料层3同时提供弹性阻尼层“弹簧-阻尼”模型9的弹性刚度及阻尼，其刚度和约束质量层4构成的“质量-弹簧”谐振***，弹条母体弹性材料层2，阻尼弹性材料层3及约束质量层4构成的多层复合体5为多阶“质量-弹簧”谐振阻尼***8，该谐振阻尼***的谐振频率范围为200-2000Hz。所述的阻尼弹性材料层3的阻尼层弹性杨氏模量为1×105～1×108N/m2，阻尼弹性材料层3的阻尼层材料阻尼损耗因子大于0.1，可以采用阻尼橡胶或粘弹阻尼材料。粘弹阻尼材料例如国产的PD-1，ML-SD15及GW-1等，PD-1为洛阳船舶材料研究所研制生产的灌注型阻尼材料，由弹条母体弹性材料层2的低应力阻尼弹条带有弹条内腔12和约束质量层4的截面尺寸及壁厚的设计和低应力阻尼扣件弹条1的模态及PD-1灌注型阻尼材料弹性匹配，各阶等效质量和等效刚度满足动力吸振的各阶频率及吸振指标，PD-1灌注型阻尼材料被灌注在弹条内腔12和约束质量层4之间提供弹性。
如图7所示，将本发明中低应力高阻尼铁路扣件弹条应用于ω弹条中，通过约束阻尼及谐振动力阻尼器二合一设计，使弹条在各共振模态响应峰值大大降低，同时采用变截面设计降低弹条高应力区的应力，大大地提高了弹条的疲劳寿命。低应力高阻尼弹条与现有弹条安装接口一致，不改变原有相关零部件设计使用，便于现有轨道维修保养，具有可互换性、安装方便等特点。
实施例2
如图2a所示，区别于实施例1中沿弹条中心线方向的变截面廓形7，本实施例将该变截面廓形设为波浪形，对应弹条在铁路轨道扣件安装及工作状态载荷条件下的应力在弹条不同位置均匀分布，但变截面系数为1～3:1。
实施例3
如图6所示，区别于实施例1中沿弹条中心线方向的变截面廓形7，本实施例中该变截面系数为1，弹条弹性材料层截面6的截面面积与现有弹条相同，弹条母体弹性材料层2的截面惯性矩大于现有实体弹条截面惯性矩。所述的弹条母体弹性材料层2的弹条内腔12并不是一个通孔，而是一个实心弹条内设置一个不贯通的腔体。
实施例4
如图5a与5b所示，区别于实施例1，本实施例中阻尼弹性材料层3与约束质量层4为同一材料复合的颗粒状碰撞体11，颗粒状碰撞体11填入弹条母体弹性材料层2的弹条内腔12内，外侧有封口盖10。此时弹条母体弹性材料层2的弹条内腔12为等截面的盲孔。颗粒状碰撞体11在弹条内腔12内部形成碰撞式动力减振器，弹条母体弹性材料层2因轨道振动激励的振动能量，从而降低弹条高应力峰值。
实施例5
如图10所示是外设式约束阻尼层的低应力高阻尼弹条示意图，所述的阻尼弹性材料层3与约束质量层4组成的多层复合体5设置在弹条母体弹性材料层2的外侧，构成“约束质量层4-阻尼弹性材料层3-弹条母体弹性材料层2”的弹条结构，弹条内腔12的内孔直径为0mm。
实施例6
本实施例案是实施例5和实施例1的组合，弹条母体弹性材料层2的弹条内腔12内置阻尼弹性材料层3及约束质量层4的多层复合体5，同时弹条母体弹性材料层2的外侧也设置阻尼弹性材料层3及约束质量层4的多层复合体5。
实施例7
如图8所示，区别于实施例1中的ω弹条，将本发明中低应力高阻尼铁路扣件应用于潘得路的“e”形弹条中，扣件弹条1由弹条母体弹性材料层2，阻尼弹性材料层3及约束质量层4组成。
实施例8
如图9所示，区别于实施例1中的ω弹条，将本发明中低应力高阻尼铁路扣件应用于潘得路的
Figure BDA0001570943510000061
形FC快速弹条中，扣件弹条1由弹条母体弹性材料层2，阻尼弹性材料层3及约束质量层4组成。
实施例9
如图4所示，阻尼弹性材料层3和约束质量层4组成多层复合体5，所述的多层复合体5设置在弹条母体弹性材料层2外侧，同时弹条母体弹性材料层2的内腔还设有多层的阻尼弹性材料层3和约束质量层4组成多层复合体5，阻尼弹性材料层3和约束质量层4之间采用胶粘剂或硫化工艺或机械粘接复合成一体，或者采用流体形式灌注固化制成。
实施例10
扣件弹条1与普通弹条基本相同，区别在于本发明扣件弹条1截面为变截面，即在应力集中的地方管径比较大，在端头等尽力小的地方管径比较小。
实施例11
扣件弹条1与普通弹条基本相同，区别在于本发明扣件弹条1为空心结构。
实施例12
扣件弹条1与普通弹条基本相同，区别在于本发明扣件弹条1为空心结构，且其空心内腔内设置阻尼材料。
实施例13
扣件弹条1截面为变截面，且为空心结构。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，无需经过创造性劳动就能够联想到的技术特征，还可以做出若干变型和改进，这些变化显然都应视为等同特征，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，其特征在于，该弹条为沿中心线方向为变截面的弹条，所述的弹条为空心结构，形成弹条内腔(12)，所述的弹条内腔(12)内设有阻尼弹性材料层(3)，所述的阻尼弹性材料层(3)内侧还设有约束质量层(4)，阻尼弹性材料层(3)和约束质量层(4)组成多层复合体(5)；
所述的阻尼弹性材料层(3)的阻尼层弹性杨氏模量小于弹条母体弹性材料层(2)的母体层弹性杨氏模量和约束质量层(4)的约束层弹性杨氏模量；
所述的阻尼弹性材料层(3)的阻尼层材料阻尼损耗因子大于弹条母体弹性材料层(2)的母体层材料阻尼损耗因子和约束质量层(4)的约束层材料阻尼损耗因子；
所述的多层复合体(5)为多阶“质量-弹簧”谐振阻尼***(8)，谐振频率范围为200-2000Hz；
或者，阻尼弹性材料层(3)与约束质量层(4)为同一材料复合的颗粒状碰撞体(11)，颗粒状碰撞体(11)填入弹条内腔(12)内，外侧有封口盖(10)；弹条母体弹性材料层(2)的弹条内腔(12)为盲孔，颗粒状碰撞体(11)在弹条内腔(12)内部形成碰撞式动力减振器，弹条母体弹性材料层(2)因轨道振动激励的振动能量，从而降低弹条高应力峰值。
2.根据权利要求1所述的一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，其特征在于，所述的弹条的变截面系数为1～3，即弹条最大截面面积与最小截面面积之比为1～3:1。
3.根据权利要求1所述的一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，其特征在于，沿弹条中心线方向的变截面廓形(7)是直线或波浪形，对应弹条在铁路轨道扣件安装及工作状态载荷条件下的应力在弹条不同位置均匀分布。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，其特征在于，所述的弹条包括弹趾(21)，弹臂(24)，弹跟(22)和弹锁(23)依次连接一体成型，其中弹跟(22)处的截面面积大于弹趾(21)和弹锁(23)处的截面面积。
5.根据权利要求1所述的一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，其特征在于，所述的弹条为中空的弹条母体弹性材料层(2)，所述的弹条内腔(12)是截面小于弹条母体弹性材料层(2)的孔道。
6.根据权利要求1所述的一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，其特征在于，所述的多层复合体(5)是单层或多层的自由层或约束层，阻尼弹性材料层(3)和约束质量层(4)之间采用胶粘剂或硫化工艺或机械粘接复合成一体，或者采用流体形式灌注固化制成。
7.根据权利要求1所述的一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，其特征在于，所述的阻尼弹性材料层(3)与约束质量层(4)组成的多层复合体(5)设置在弹条母体弹性材料层(2)的外侧，构成“约束质量层(4)-阻尼弹性材料层(3)-弹条母体弹性材料层(2)”的弹条结构，多层复合体(5)的分布位置设在相关弹条母体弹性材料层(2)振动模态幅值高的局部位置，或者沿弹条截面中心线方向的不同分段或全段。
8.根据权利要求1所述的一种低应力高阻尼铁路扣件弹条，其特征在于，所述的弹条上设有等截面或变截面的通孔或盲孔。
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