魚(yú)尾板的失效原因及分析
魚(yú)尾板裂紋的形成與魚(yú)尾板和鋼軌表面之間的相互作用密切相關(guān)。螺栓聯(lián)接的魚(yú)尾板與鋼軌接頭在實(shí)際工作狀態(tài)下并非一個(gè)剛性的整體，車輪的沖擊作用、軌縫的存在、尤其是由于鋼軌與魚(yú)尾板間的磨耗而造成的擰緊力的下降，將造成或加劇魚(yú)尾板與鋼軌間的相互輾壓，導(dǎo)致表層變形，這種變形的積累為魚(yú)尾板表面裂紋的萌生提供了極大的機(jī)會(huì)。因此，可以得出這樣的結(jié)論:魚(yú)尾板與鋼軌之間相互作用的狀況、魚(yú)尾板實(shí)際承受的載荷與魚(yú)尾板的材質(zhì)決定魚(yú)尾板傷損的位置、時(shí)間、方式與速率，其中相互作用狀況主要影響著裂紋起源的位置與時(shí)間，載荷條件與材料狀況則更多地決定著裂紋擴(kuò)展的方式與速率。當(dāng)裂紋從魚(yú)尾板上口起裂時(shí)，由于受到的拉應(yīng)力較小，因此起裂和擴(kuò)展受材質(zhì)影響更大些;當(dāng)魚(yú)尾板從下口起裂時(shí)，受到的拉應(yīng)力較大，起裂與擴(kuò)展受載荷影響更大些。
季節(jié)對(duì)魚(yú)尾板的失效來(lái)說(shuō)也是一個(gè)重要因素。從現(xiàn)場(chǎng)使用的情況來(lái)看，冬季魚(yú)尾板折損較其它季節(jié)明顯增多。通過(guò)對(duì)魚(yú)尾板冷脆溫度的測(cè)定可以看到，國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的B7材質(zhì)魚(yú)尾板在-60℃至室溫范圍內(nèi)其沖擊值已在測(cè)定的下平臺(tái)，因此可以認(rèn)為材料的冷脆溫度不是造成冬季魚(yú)尾板大批斷裂的主要原因。進(jìn)一步的分析認(rèn)為，冬季魚(yú)尾板的斷裂可能與冬季軌縫的變化有關(guān)，冬季軌縫的增加會(huì)加大魚(yú)尾板尤其是第三、四螺栓孔中部的拉應(yīng)力，此附加應(yīng)力將造成魚(yú)尾板失效數(shù)量的增加。但此附加應(yīng)力的大小以及影響因素和對(duì)魚(yú)尾板壽命的威脅程度由于沒(méi)有系統(tǒng)的資料，還無(wú)法得出進(jìn)一步的結(jié)論。
此外，值得一提的是一些特殊用途或用于特殊部位的魚(yú)尾板，如異型魚(yú)尾板、岔趾處魚(yú)尾板或在隧道內(nèi)使用的魚(yú)尾板，由于受力狀態(tài)更為復(fù)雜，養(yǎng)護(hù)更為困難，還往往受到一些腐蝕性空氣的作用，所以失效率往往高于普通魚(yú)尾板，而且對(duì)線路造成的危害也更大，應(yīng)引起足夠的重視[2] 。
魚(yú)尾板失效的理論分析
一個(gè)構(gòu)件的斷裂失效分為裂紋發(fā)生和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)過(guò)程，裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展決定著構(gòu)件以何種形式在何時(shí)發(fā)生怎樣的失效，因此，可以把魚(yú)尾板的失效分為兩個(gè)部分討論，一是裂紋的起源，二是裂紋的擴(kuò)展。
裂紋的起源
已經(jīng)對(duì)魚(yú)尾板的裂紋起源作過(guò)一些初步的探討，認(rèn)為其斷裂失效的物理本質(zhì)是微動(dòng)疲勞磨損，魚(yú)尾板與鋼軌接觸表面微小的輾壓、摩擦等相互作用是引起裂紋產(chǎn)生的主要原因。
微動(dòng)理論是近年來(lái)頗為人們關(guān)注的理論，很多事故的發(fā)生都是由于微動(dòng)作用引起的。航空界人士早就注意到經(jīng)典的材料S-N曲線與構(gòu)件在實(shí)際使用的結(jié)果并不相符，構(gòu)件在使用時(shí)期的壽命往往達(dá)不到S-N曲線上相對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)，這是因?yàn)闃?gòu)件的接觸面之間存在著微動(dòng)作用。國(guó)外早期進(jìn)行的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微動(dòng)作用表面有明顯損傷，致使疲勞強(qiáng)度下降，后來(lái)的研究證實(shí)了這個(gè)結(jié)果，并提出了微動(dòng)疲勞強(qiáng)度計(jì)算的表達(dá)式，還指出了影響微動(dòng)疲勞過(guò)程的主要因子為：摩擦系數(shù)、接觸壓力和滑移振幅。雖然在微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中涉及許許多多的因子，有人舉出的因子多達(dá)50個(gè)，但這些因子均可劃分為“一次因子”和“二次因子”，二次因子只有通過(guò)一次因子才能對(duì)激動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生影響，即上述因子中只有3個(gè)因子“摩擦系數(shù)”、“接觸壓力”及“滑移振幅”才是影響微動(dòng)過(guò)程的一次因子，其中最重要的是摩擦系數(shù)。
具體分析魚(yú)尾板與鋼軌這對(duì)摩擦付，其裂紋起源最直接的原因就是兩者接觸表面的相互作用，如接頭沖擊力、線路整體的振動(dòng)、摩擦引起磨耗使擰緊力下降、螺栓松動(dòng)等一切使魚(yú)尾板與鋼軌表面間產(chǎn)生相互作用的因素都是產(chǎn)生微動(dòng)磨損的條件。宏觀上可以看到傷損魚(yú)尾板表面由鋼軌造成的表面擠壓變形與擦傷；斷口金相上可以觀察到變形與擦傷表面處已形成細(xì)微裂紋并向其縱深方向發(fā)展；上口起裂的魚(yú)尾板現(xiàn)象尤為明顯。另外，宏觀斷口裂紋起源區(qū)存在黑色氧化區(qū)也表明了其起裂時(shí)摩擦生熱并產(chǎn)生氧化的作用。
一切加劇魚(yú)尾板與鋼軌接觸表面間相互作用的因素都將促使魚(yú)尾板產(chǎn)生裂紋，魚(yú)尾板與鋼軌的表面狀態(tài)，包括宏觀與微觀狀態(tài)，魚(yú)尾板與鋼軌之間緊固力的大小、配合的幾何形狀，輪載與行車速度，接頭的基本狀況等都是影響魚(yú)尾板裂紋的因素。
裂紋的擴(kuò)展
裂紋產(chǎn)生后，在一定的交變載荷作用下開(kāi)始時(shí)是緩慢地?cái)U(kuò)展，此為裂紋緩慢擴(kuò)展區(qū)，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度，構(gòu)件的剩余截面積不足以承受交變載荷的作用時(shí)，構(gòu)件產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂形成速斷區(qū)，這2個(gè)區(qū)域一般都有明顯的特征。從對(duì)魚(yú)尾板的失效研究來(lái)看，影響其裂紋擴(kuò)展的因素主要是載荷狀況和材質(zhì)狀況，其中載荷狀況包括的內(nèi)容較多，它不僅包括載荷本身的大小，同時(shí)包括不良的工況條件和一定的輪載車速、車型等給鋼軌接頭帶來(lái)的附加沖擊載荷和其它形式的外力作用。例如緊固螺栓沒(méi)有達(dá)到規(guī)定擰緊力，或由于魚(yú)尾板磨耗增加，使擰緊力下降，都將使接頭處附加沖擊力增大；輪載的增加，車速的增加，接頭的不平順也會(huì)使接頭應(yīng)力增加。材質(zhì)的狀況則表現(xiàn)得十分明顯，優(yōu)良的材質(zhì)可以保證裂紋緩慢擴(kuò)展，深度可占整個(gè)構(gòu)件的近5000，而不良材質(zhì)，如晶粒度級(jí)別在1級(jí)左右的魚(yú)尾板當(dāng)裂紋僅5-10mm深時(shí)即發(fā)生全斷面脆斷，造成的危害極大。
因此，材質(zhì)狀況與魚(yú)尾板的綜合受力狀況是決定魚(yú)尾板裂紋擴(kuò)展壽命的主要原因[3] 。
改進(jìn)與提高
減少裂紋產(chǎn)生的機(jī)率
根據(jù)魚(yú)尾板裂紋發(fā)生與發(fā)展的機(jī)理和微動(dòng)疲勞的理論，首先可以從影響裂紋產(chǎn)生的3個(gè)重要因子，即摩擦系數(shù)、滑移振幅及接觸壓力來(lái)考慮，以減少裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。
(1)降低摩擦系數(shù)。這可以通過(guò)多方面的渠道來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如進(jìn)行表面處理，改善表面質(zhì)量或在材料接觸表面加入某種形式的中介物等。
(2)減小滑移振幅。即是減小鋼軌與魚(yú)尾板間相對(duì)作用的幅度。可以通過(guò)鋼軌與魚(yú)尾板間緊固力的調(diào)整減小滑移振幅，也可以通過(guò)改善接頭狀況，減小沖擊作用來(lái)減小滑移振幅。據(jù)觀察，膠接魚(yú)尾板很少發(fā)生斷裂現(xiàn)象，這也表明了控制滑移振幅對(duì)魚(yú)尾板壽命的影響。
(3)減小接觸壓力。影響接觸壓力的因素比較多，減小接觸壓力將減小鋼軌與魚(yú)尾板間相互作用力的強(qiáng)度。工況條件、軸重、車速等都會(huì)對(duì)其有較大的影響，其中有些是在工作條件下必須承受的，如載荷、車速等，有些是可以通過(guò)改善工況條件加以調(diào)整的，如保持適當(dāng)?shù)能壙p、良好的接頭養(yǎng)護(hù)等。另外，鋼軌與魚(yú)尾板配合面的兒何形狀也將影響到接觸壓力的大小。
魚(yú)尾板達(dá)到正常使用壽命的基本保證
根據(jù)魚(yú)尾板裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展的過(guò)程，也從我們失效魚(yú)尾板的粗略統(tǒng)計(jì)看，由于材質(zhì)原因造成的早期失效占有相當(dāng)大的比例，尤其是晶粒粗大或嚴(yán)重混晶造成的材質(zhì)脆性增加的情況。另外，材料的表面脫碳間題也應(yīng)該引起足夠的重視。因此，魚(yú)尾板生產(chǎn)中必須嚴(yán)格按生產(chǎn)工藝及規(guī)定的熱處理制度進(jìn)行，同時(shí)把好質(zhì)量檢驗(yàn)關(guān)，以減少由于材質(zhì)原因造成的早期失效。而且，從魚(yú)尾板復(fù)雜的使用條件來(lái)看，保證其生產(chǎn)質(zhì)量也是最見(jiàn)成效的安全措施之一[3] 。
總結(jié)
對(duì)魚(yú)尾板的失效分析可以看到，引起魚(yú)尾板裂紋最重要的原因之一就是鋼軌與魚(yú)尾板之間的相互作用。因此如何將這種作用的不利影響降至最小，是一個(gè)尚待研究解決的問(wèn)題。另外，近年來(lái)，有人在研究鋼軌螺栓孔裂紋的同時(shí)注意到了魚(yú)尾板對(duì)鋼板的作用，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)用魚(yú)尾板上下斜面的支承形式，即楔型支承對(duì)鋼軌軌腰造成了豎向拉應(yīng)力，此應(yīng)力加劇了鋼軌螺栓孔裂紋的產(chǎn)生，因此建議使用美國(guó)、蘇聯(lián)等廣泛應(yīng)用的鉸型支承結(jié)構(gòu)。同時(shí)，只有把魚(yú)尾板與鋼軌作為一個(gè)不可分割的系統(tǒng)考慮，研究其間相互作用情況，才能保證整個(gè)線路有良好的接頭狀態(tài)，提高線路運(yùn)行安全性[3] 。
