铁路I型弹条高频疲劳测试方法技术

一种铁路I型弹条高频疲劳测试方法。本发明专利技术提出了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，本发明专利技术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。

High Frequency Fatigue Testing Method for Railway Type I Spring Bar

A high frequency fatigue test method for type I elastic strip of railway is presented. The invention provides a complete set of three-dimensional model building method of the elastic strip. Based on the method, the three-dimensional model of the elastic strip to be tested is constructed, and the pre-pressure Fn required for the downward pressure of the elastic strip to be tested to the correct installation position is obtained by means of finite element mechanical property analysis. Therefore, the present invention can simulate and test the actual performance of the spring more realistically when carrying out the high frequency fatigue test of the spring, and can speed up the test progress and provide guarantee for the service performance of the key railway equipment.

【技术实现步骤摘要】
铁路I型弹条高频疲劳测试方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术还提出一种铁路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。其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁路I型弹条高频疲劳测试方法，其特征在于，步骤包括：第一步，建立该待测试的弹条的三维模型；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；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（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。...

【技术特征摘要】
1.一种铁路I型弹条高频疲劳测试方法，其特征在于，步骤包括：第一步，建立该待测试的弹条的三维模型；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；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（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。2.如权利要求1所述的铁路I型弹条高频疲劳测试方法，其特征在于，所述第一步中，所述三维模型按照如下的方式建立：步骤101，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，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建伟，姚德臣，刘传，杨玉青，赵悦，白堂博，李欣，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京,11