铁路I型弹条高频疲劳测试方法与流程

本发明涉及铁路设备测试领域，具体而言涉及一种铁路i型弹条高频疲劳测试方法。

背景技术：

近些年我国铁路行业日益壮大，我国高铁运行里程越来越长、行驶速度越越快、重载铁路轴重越来越重，对铁路下部基础的性能要求越来越高。钢轨扣件弹条系统是铁路下部基础非常重要的一个部分，扣件弹条通常使用螺栓将弹条按压在轨距挡板或钢轨上。弹条可以通过其本身的弹性扣压住钢轨，给钢轨提供一定的刚度和阻尼，并提供足够的扣压力。钢轨轨距、高低不平顺、轨向不平顺等都跟扣件扣压力有一定关系。因此，扣件弹条系统的疲劳性能非常重要。

铁路弹条的疲劳性能测试，传统的方式是采用液压疲劳试验机进行16hz以下频率的加载。但这种低频的疲劳测试并不能够反应现有高铁运行系统中弹条的应力情况。由于现在高铁运行速度更高，其钢轨振动频率也较以前更高，扣件弹条也相应的需要经受更高频率的振动。因此，针对现有铁路系统，进行弹条的高频疲劳的测试更为重要。

国内很多学者在对弹条进行分析和研究时，使用的三维模型均与实际模型出入较大。现有对弹条结构的分析过程中，由于使用各种投影方法进行绘制，使得现有分析所基于的三维模型在应力最为集中的位置，即跟趾处，其三维模型非常不圆滑。模型偏差会对分析结果造成非常大的偏差，其分析结果往往超过材料屈服极限。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供一种能够提高铁路i型弹条高频疲劳测试准确性的铁路i型弹条高频疲劳测试方法、测试夹具及测试系统。

首先，为实现上述目的，提出一种铁路i型弹条高频疲劳测试方法，其步骤包括：第一步，根据国家铁标中关于待测试的弹条的尺寸参数建立该待测试的弹条的三维模型；所述三维模型中，所述待测试的弹条的根趾处的切线角度符合所述国家铁标中关于待测试的弹条的主视图尺寸；所述三维模型的坐标轴以所述弹条的根趾处的切线为x-y平面基准线；该弹条的根趾处的切线角度的垂直方向为三维模型的z轴；所述三维模型的坐标系符合右手定则；第二步，利用所述待测试的弹条的三维模型进行有限元分析，以获得待测试的弹条所对应的高频疲劳测试下的预压力的大小fn；所述有限元分析具体包括如下步骤：步骤201，对所述待测试的弹条的三维模型进行网格划分；步骤202，设置所述待测试的弹条的根趾与规矩挡板或垫块完全固定，设置所述测试的弹条的根趾与规矩挡板之间或测试的弹条的根趾与垫块之间为金属间接触；步骤203，对所述待测试的弹条的三维模型中的根趾受力位置施加集中力，所述集中力逐渐递增，直至将所述弹条的三维模型下压直至正确安装位置；步骤204，对处于正确安装位置的所述弹条的三维模型中的各网格进行有限元分析，计算获得此时所述集中力的大小作为所述高频疲劳测试下的预压力fn；第三步，将所述待测试的弹条固定于测试夹具的底座上：保持所述待测试的弹条的后趾抵住所述测试夹具中的后趾挡块，设置所述待测试的弹条的前趾搭在所述测试夹具中的前趾垫块上，通过限位板限制所述待测试的弹条在测试夹具中水平移动；第四步，将所述测试夹具固定于高频疲劳试验机的安装座上，将所述高频疲劳试验机的压头设置于所述待测试的弹条中的根趾受力位置以对所述待测试的弹条施加所述预压力fn进行疲劳性能测试以获得所述待测试的弹条的疲劳性能，测试中，所述预压力的共振频率为100hz以上。

可选的，上述的铁路i型弹条高频疲劳测试方法中，所述第一步中，所述三维模型按照如下的方式建立：步骤101，按照国家铁标中关于待测试的弹条的主视图当中的尺寸，计算出所述待测试的弹条的根趾处的切线角度；步骤102，以所述弹条的根趾处的切线为x-y平面基准线，以该弹条的根趾处的切线角度的垂直方向为三维模型的z轴，建立符合右手定则的三维模型坐标系；步骤103，在所述x-y平面上按照国家铁标中关于待测试的弹条的平面展开图建立其中中肢部分的平面展开曲线；步骤104，按照国家铁标中关于待测试的弹条的主视图中的中肢弯折曲线，在上述所建立的坐标系的y-z平面中建立对应的中肢弯折曲线；在中肢部分的平面展开曲线当中，建立一条直线，该直线用于参考上述曲线的弯折情况；将中肢部分的平面展开曲线以所述直线为参考，沿所述中肢弯折曲线流动；步骤105，按照国家铁标中关于待测试的弹条的尺寸参数，在上述所建立的坐标系的x-y平面当中建立右肢平面展开曲线；在上述所建立的坐标系的y-z平面当中建立右肢弯折曲线；在所述右肢平面展开曲线当中，建立一条右肢弯折参考直线；将所述右肢平面展开曲线以所述右肢弯折参考直线为参考，沿右肢弯折曲线流动；步骤106，在步骤105所获得的右肢曲线的终点处，建立前趾直线；步骤107，将所述右肢曲线以及所述前趾直线沿所述坐标系的y-z面建立对称图形，获得左肢曲线以及其所连接的前趾直线；步骤108，合并上述中肢部分的曲线、左肢曲线、右肢曲线、以及所述左肢曲线和右肢曲线所分别连接的前趾直线；步骤109，在所述前趾直线的端点处按照所述国家铁标中关于待测试的弹条的尺寸参数建立草绘截面，将所述草绘截面沿合并后的所述曲线进行拉伸，获得所述待测试的弹条的三维模型。

可选的，上述的铁路i型弹条高频疲劳测试方法中，所述步骤104以及所述步骤105中，进行沿相应的曲线流动的步骤时，设置所述右肢平面展开曲线或所述中肢部分的平面展开曲线为不允许拉伸。

可选的，上述的铁路i型弹条高频疲劳测试方法中，所述步骤201中，对所述待测试的弹条的三维模型进行网格划分具体为：通过三维六面体8节点单元网格对所述待测试的弹条的三维模型进行划分；所述网格中，相邻单元之间的接触面的边缘重合，相邻单元之间的接触面的顶点重合。

可选的，上述的铁路i型弹条高频疲劳测试方法中，所述步骤203中，所述待测试的弹条的三维模型中的根趾受力位置为所述根趾前40mm位置；所述集中力通过直径为25mm的垫片施加于所述待测试的弹条的三维模型中的根趾受力位置；所述第四步中，所述高频疲劳试验机的压头的直径对应为25mm。

其次，为实现上述目的，还提出一种铁路i型弹条高频疲劳测试夹具，以供上述铁路i型弹条高频疲劳测试方法使用。其包括：底座，其表面设置有底座固定孔，其两宽度侧分别设置有两个侧挡板，其长度侧设置有前挡板；所述底座固定孔用于通过m12螺栓将所述待测试的弹条固定于测试夹具的底座上；前趾垫块，设置于所述底座表面靠近所述前挡板的一侧，所述前趾垫块突出于所述底座表面并与所述前挡板的下部连接，所述前趾垫块的上表面与所述测试的弹条的前趾接触；后趾挡块设置于所述底座表面远离所述前挡板的一侧，所述后趾挡块突出于所述底座表面，所述后趾挡块的上表面与所述测试的弹条的后趾抵接；限位板，为由水平连接部与垂直限位部所构成的“l”形结构，所述限位板包括至少2块分别对所述待测试的弹条的左肢和右肢进行水平限位；所述水平连接部通过m6螺栓固定于所述后趾挡块的上表面，所述垂直限位部将所述待测试的弹条的左肢或右肢夹持在其与所述后趾挡块的前侧端面之间。

可选的，上述的铁路i型弹条高频疲劳测试夹具中，所述底座的总宽度为166mm，总长度为135mm；所述侧挡板或所述前挡板的厚度均为10mm，所述前趾垫块的厚度为10mm，所述后趾挡块的厚度为15mm。

同时，本发明还提出一种铁路i型弹条高频疲劳测试系统，包括高频疲劳试验机以及如上所述的测试夹具。其中，所述测试夹具，通过四个m12螺栓固定有待测试的弹条，所述待测试的弹条的根趾处的切线角度为55.5°，所述待测试的弹条的截面的直径为13mm；所述测试夹具被固定于高频疲劳试验机的安装座上；所述高频疲劳试验机压头设置于所述待测试的弹条中的根趾受力位置以对所述待测试的弹条施加所述预压力fn进行疲劳性能测试最终获得所述待测试的弹条的疲劳性能；测试中，所述预压力的共振频率为100hz以上；所述预压力fn按照如下的步骤获得：步骤t1，根据待测试的弹条的尺寸参数建立该待测试的弹条的三维模型；步骤t2，对所述待测试的弹条的三维模型进行六面体8节点单元网格划分；步骤t3，在所述三维模型中设置所述待测试的弹条的根趾与规矩挡板或垫块完全固定，设置所述测试的弹条的根趾与规矩挡板之间或测试的弹条的根趾与垫块之间为金属间接触；其中，所述规矩挡板的厚度与所述测试夹具的后趾挡块厚度相同，所述垫块的厚度与所述测试夹具的前趾垫块厚度相同；步骤t4，对所述待测试的弹条的三维模型中的根趾受力位置施加集中力，所述集中力逐渐递增，直至将所述弹条的三维模型下压直至正确安装位置；步骤t5，对处于正确安装位置的所述弹条的三维模型中的各单元网格进行有限元分析，计算获得此时所述集中力的大小作为所述高频疲劳测试下的预压力fn。

可选的，上述的铁路i型弹条高频疲劳测试系统中，所述待测试的弹条的根趾受力位置为所述根趾前40mm位置。

有益效果

本发明，提出一整套完整的弹条三维模型构建方法，基于该方法构建待测试的弹条的三维模型，并依托有限元力学性能分析获得待测试的弹条下压直至正确安装位置所需的预压力fn。由此，本发明在进行弹条高频疲劳试验测试时，能够更为真实的模拟测试出弹条实际性能，并且可以加快试验进度，为铁路关键设备的服役性能提供保障。

通过本发明针对高频疲劳测试的要求设计有专门用于固定待测试的弹条的夹具。该夹具能够将所述弹条稳定的固定于高频疲劳试验机的安装座上，通过其中的限位板对所述待测试的弹条的左肢和右肢进行水平限位，便于高频疲劳试验机对弹条的根趾受力位置持续施加高频振动，以更为真实的模拟测试出弹条实际性能，提高对扣件弹条的疲劳性能测试的精度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的待测试的弹条固定于测试夹具上的示意图；

图2是本发明的待测试的弹条进行网格划分之后的结构示意图；

图3是本发明的待测试的弹条进行有限元分析所得到的受力情况的示意图；

图4是本发明的测试夹具的俯视图；

图5是本发明的测试夹具的主视图；

图6是本发明的测试夹具中限位板的结构示意图；

图7是本发明的铁路i型弹条高频疲劳测试系统中压头结构的示意图。

图中，1表示测试夹具的底座；1-1表示前趾垫块；1-2表示后趾挡块；2表示底座固定孔；3表示侧挡板；4表示待测试的弹条；5表示前挡板；6表示限位板；7表示限位板的安装孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“前、后”的含义指的是使用者正对弹条时，接近使用者的一侧即为前，远离使用者的一侧即为后，而非对本发明的特定限定。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于弹条安装座本身而言，指向安装于其上弹条的中心的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是使用者正对弹条时，使用者的左边即为左，使用者的右边即为右，而非对本发明的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

本发明中所述的“上、下”的含义是使用者正对弹条时，使用者的上方即为上，使用者的下方即为下，而非对本发明的特定限定。

图1为根据本发明的一种用于铁路i型弹条高频疲劳测试的夹具。结合图图4、图5所示，其包括：

底座1，其表面设置有底座固定孔2，其两宽度侧分别设置有两个侧挡板3，其长度侧设置有前挡板5；所述底座固定孔2用于通过m12螺栓将所述待测试的弹条4固定于测试夹具的底座1上；

前趾垫块1-1，设置于所述底座1表面靠近所述前挡板5的一侧，所述前趾垫块1-1突出于所述底座1表面并与所述前挡板5的下部连接，所述前趾垫块1-1的上表面与所述测试的弹条的前趾接触；

后趾挡块1-2设置于所述底座1表面远离所述前挡板5的一侧，所述后趾挡块1-2突出于所述底座1表面，所述后趾挡块1-2的上表面与所述测试的弹条的后趾抵接；

参考图6，上述夹具还包括限位板6，其为由水平连接部与垂直限位部所构成的“l”形结构，所述限位板6包括至少2块分别对所述待测试的弹条4的左肢和右肢进行水平限位；所述水平连接部通过m6螺栓固定于所述后趾挡块1-2的上表面，所述垂直限位部将所述待测试的弹条4的左肢或右肢夹持在其与所述后趾挡块1-2的前侧端面之间。

为配合国家铁标tb/t1495-1992所规定的弹条结构，上述的用于铁路i型弹条高频疲劳测试的夹具具体可按照如下尺寸进行设计以获得更为准确的测试数据：

底座总宽度166mm，总长度135mm；底座固定孔2横向间距50mm，纵向间距44mm；侧挡板3及前挡板5厚度均为10mm；前趾垫块1-1厚度为10mm，后趾挡块1-2厚度为15mm。

弹条4用两个限位板6限制其在水平平面内的移动，限位板6的安装孔7横向中心距84mm，纵向中心距15mm，使用m6螺栓。

上述的测试用夹具被设置在高频疲劳试验机上构成用于测试铁路i型弹条高频疲劳性能的系统。该系统中，所述测试夹具，通过四个m12螺栓固定有待测试的弹条4，所述待测试的弹条4的根趾处的切线角度为55.5°，所述待测试的弹条4的截面的直径为13mm；所述测试夹具被固定于高频疲劳试验机的安装座上。

系统中，所述高频疲劳试验机压头设置于所述待测试的弹条4中的根趾受力位置以对所述待测试的弹条4施加所述预压力fn进行疲劳性能测试最终获得所述待测试的弹条4的疲劳性能。

具体而言，基于上述系统，所述待测试的弹条4的疲劳性能可通过如下的方式获得：

第一步，根据国家铁标中关于待测试的弹条的尺寸参数建立该待测试的弹条的三维模型；所述三维模型中，所述待测试的弹条的根趾处的切线角度符合所述国家铁标中关于待测试的弹条的主视图尺寸；所述三维模型的坐标轴以所述弹条的根趾处的切线为x-y平面基准线；该弹条的根趾处的切线角度的垂直方向为三维模型的z轴；所述三维模型的坐标系符合右手定则；

第二步，利用所述待测试的弹条的三维模型进行有限元分析，以获得待测试的弹条所对应的高频疲劳测试下的预压力的大小fn；所述有限元分析具体包括如下步骤：

步骤201，对所述待测试的弹条的三维模型进行图2所示的网格划分；

步骤202，设置所述待测试的弹条的根趾与规矩挡板或垫块完全固定，设置所述测试的弹条的根趾与规矩挡板之间或测试的弹条的根趾与垫块之间为金属间接触；

步骤203，对所述待测试的弹条的三维模型中的根趾受力位置施加集中力，所述集中力逐渐递增，直至将所述弹条的三维模型下压直至正确安装位置；

步骤204，对处于正确安装位置的所述弹条的三维模型中的各网格进行有限元分析，得到图3所示的受力弹条的状况，计算获得此时所述集中力的大小作为所述高频疲劳测试下的预压力fn；

第三步，将所述待测试的弹条4固定于测试夹具的底座1上：保持所述待测试的弹条的后趾抵住所述测试夹具中的后趾挡块1-2，设置所述待测试的弹条的前趾搭在所述测试夹具中的前趾垫块1-1上，通过限位板6限制所述待测试的弹条4在测试夹具中水平移动；

第四步，将所述测试夹具固定于高频疲劳试验机的安装座上，将所述高频疲劳试验机的压头设置于所述待测试的弹条4中的根趾受力位置以对所述待测试的弹条4施加所述预压力fn进行疲劳性能测试以获得所述待测试的弹条4的疲劳性能，测试中，所述预压力的共振频率为100hz以上。所述高频疲劳试验机的压头结构参考图7所示，为一个直径对应为25mm的柱体，其套设于高频疲劳试验机的测试部件之上。

图2所示的待测试的弹条的三维模型可通过如下的步骤建立：

(1)首先按照待测试的弹条的图纸，将弹条按其展开图画成三维同水平线的模型；

(2)将展开图按照主视图和侧视图弯折成实物图外形，如弹条4所示；

(3)对弹条进行连续实体三维六面体8节点单元网格划分，如图1所示，使用该类型网格可以在保证高精度的同时，减少网格数量以及节点数量，加快计算速度以及减少计算成本；

(4)将弹条与垫块整体装配后，固定后趾，如图3所示；

(5)逐渐改变螺栓下压力，直到弹条达到正确安装状态，如图3所示。至此，可以得到螺栓下压力fn，单位为kn。得到该数值以后，即可在高频疲劳试验机加载预压力时达到合理安装状态，简化测试步骤。

具体而言，针对符合国家铁标tb/t1495-1992图纸待测试的弹条，其三维模型可通过如下的步骤建立：

步骤1：按照铁路i型弹条主视图当中的尺寸，计算出弹条根趾处的切线角度。

步骤2：在犀牛软件当中以该角度为x-y平面基准线，其垂直方向为z轴，调整符合右手定则的三维坐标系。

步骤3：在该平面上按照铁路i型弹条绘制平面展开图中肢部分的平面展开曲线。

步骤4：按照主视图中的中肢弯折曲线，在坐标系y-z平面当中绘制一条曲线。

步骤5：在中肢平面展开曲线当中，绘制一条弯折参考直线。

步骤6：使用沿曲线流动命令，将中肢平面展开曲线以参考直线为参考，沿中肢弯折曲线流动。

步骤7：在x-y平面内，绘制右肢平面展开曲线。

步骤8：在y-z平面中绘制右肢弯折曲线。

步骤9：在右肢平面展开曲线当中，绘制一条弯折参考直线。

步骤10：使用沿曲线流动命令，将右肢平面展开曲线以参考直线为参考，沿右肢弯折曲线流动。

步骤11：在弯折好的右肢曲线终点处，绘制前趾直线。

步骤12：将右肢曲线以及前趾直线沿y-z面对称。

步骤13：合并5条曲线。

步骤14：在前趾端点处绘制直径为13mm的草绘截面。

步骤15：将草绘截面沿合并后的一条曲线进行拉伸，保存为x_t格式文件。

其中：步骤1中所述的角度为55.5°。

其中：步骤3中所述中肢平面展开曲线y轴坐标范围在(-42,42)范围内。

其中：步骤5中所述参考直线端点坐标分别为(0,0)，(80.9,0)。

其中：步骤6中所述沿曲线流动，需要选择不允许拉伸选项。

其中：步骤7中所述右肢平面展开曲线为三段曲线，r22.5+42.6+r19.5曲线。

其中：步骤9中所述参考直线端点坐标分别为(0,42)，(80.9,42)。

其中：步骤10中所述沿曲线流动，需要选择不允许拉伸选项。

与上述弹条的三维模型相配合，所述第二步中，利用所述待测试的弹条的三维模型进行有限元分析，以获得待测试的弹条所对应的高频疲劳测试下的预压力的大小fn可具体通过abaqus软件实现：

步骤1：将犀牛软件绘制好的x_t文件导入到abaqus软件当中。

步骤2：对弹条进行六面体网格划分。使用该类型网格可以在保证高精度的同时，减少网格数量以及节点数量，加快计算速度以及减少计算成本。

步骤3：完全固定弹条根趾，完全固定规矩挡板或垫块，设置金属间接触。

步骤4：使用直径为25mm垫片，施加集中力，下压弹条根趾前40mm位置。

步骤5：逐渐增加下压力大小，在后处理当中找到22.5kn的下压力刚好可以达到正确安装位置。得到该数值以后，即可在高频疲劳试验机加载预压力时达到合理安装状态，简化测试步骤。

步骤6：该力即为高频疲劳试验机预压力的大小fn。

随后进行的第四步中，疲劳性能测试可选择通过如下的方式进行对待测试的弹条的安装与固定：

步骤1：使用四个m12螺栓，将底座固定在高频疲劳试验机安装座上，将前挡板面向实验者放置；

步骤2：将扣件弹条放置在底座中间位置，后趾抵住后趾挡块，前趾搭在前趾垫块上，中肢对准直径为25mm的圆柱压头即可；

步骤3：使用四个m6螺栓，将两个限位板安装在正确位置，固定住弹条水平位置；

步骤4：将圆柱型压头安装到测试机作动器上，将压头下压弹条中肢，预压力为用有限元计算得到的fn的大小，以此来保证弹条在测试时的状态为其在提到上安装时的正确安装状态，并加载fn的预压力即完成测试的正确装配。

其中：所述m12螺栓孔纵向中心距44mm，横向中心距50mm；

其中：所述m6螺栓孔纵向中心距15mm，横向中心距84mm；

其中：所述底座总长135mm，总宽166mm，总高60mm。

其中：所述底座、左右侧挡板、前挡板厚度10mm；

其中：所述后趾挡块厚15mm，前趾垫块厚10mm。

在测试当中，高频振动试验机使用直径为25mm压头，加载位置在根趾前40mm处。根据步骤5逐渐增加下压力大小，在后处理当中找到22.5kn的下压力刚好可以达到正确安装位置而首先加载22.5kn的预压力，再通过共振方式进行100hz以上的频率进行疲劳测试。

由此，本发明提供了一种铁路i型弹条在高频振动下的疲劳测试方法及其夹具设计，利用犀牛软件对i型弹条三维实体进行精确建模，并使用有限元软件abaqus对i型弹条进行正确安装力学性能分析，得到可以应用在高频疲劳试验机上使用的参数，利用设计出的夹具以及高频疲劳实验机对i型弹条对高频振动下的响应进行测试，得到更贴近实际情况下的高频疲劳损伤特性。

本发明具有如下优点：

1、弹条三维模型建立精度高，准确性好。

2、使用本发明方法绘制出的弹条易于划分六面体网格，网格数量以及网格质量可以较好的控制。

3、使用本发明中绘制的弹条模型进行有限元计算时，计算精度高，计算成本低，可以良好的模拟实际工况。

4、弹条安装方便，固定牢靠。

5、弹条测试预压力准确，可以非常准确达到实际正确安装状态。

6、可通过简单参数调整以适用于不同尺寸弹条以及不同疲劳试验机使用。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。