魚尾板的失效原因及分析
魚尾板裂紋的形成與魚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尾板間的磨耗而造成的擰緊力的下降，將造成或加劇魚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:魚尾板與鋼軌之間相互作用的狀況、魚尾板實(shí)際承受的載荷與魚尾板的材質(zhì)決定魚尾板傷損的位置、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)對魚尾板的失效來說也是一個(gè)重要因素。從現(xiàn)場使用的情況來看，冬季魚尾板折損較其它季節(jié)明顯增多。通過對魚尾板冷脆溫度的測定可以看到，國內(nèi)廣泛應(yīng)用的B7材質(zhì)魚尾板在-60℃至室溫范圍內(nèi)其沖擊值已在測定的下平臺(tái)，因此可以認(rèn)為材料的冷脆溫度不是造成冬季魚尾板大批斷裂的主要原因。進(jìn)一步的分析認(rèn)為，冬季魚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魚尾板壽命的威脅程度由于沒有系統(tǒng)的資料，還無法得出進(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尾板，如異型魚尾板、岔趾處魚尾板或在隧道內(nèi)使用的魚尾板，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尾板，而且對線路造成的危害也更大，應(yīng)引起足夠的重視[2]  。
魚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)對魚尾板的裂紋起源作過一些初步的探討，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”，二次因子只有通過一次因子才能對激動(dòng)過程產(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)過程的一次因子，其中最重要的是摩擦系數(shù)。
具體分析魚尾板與鋼軌這對摩擦付，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。
一切加劇魚尾板與鋼軌接觸表面間相互作用的因素都將促使魚尾板產(chǎn)生裂紋，魚尾板與鋼軌的表面狀態(tài)，包括宏觀與微觀狀態(tài)，魚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。從對魚尾板的失效研究來看，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的附加沖擊載荷和其它形式的外力作用。例如緊固螺栓沒有達(dá)到規(guī)定擰緊力，或由于魚尾板磨耗增加，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)，如晶粒度級別在1級左右的魚尾板當(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)狀況與魚尾板的綜合受力狀況是決定魚尾板裂紋擴(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)。這可以通過多方面的渠道來實(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。即是減小鋼軌與魚尾板間相對作用的幅度?？梢酝ㄟ^鋼軌與魚尾板間緊固力的調(diào)整減小滑移振幅，也可以通過改善接頭狀況，減小沖擊作用來減小滑移振幅。據(jù)觀察，膠接魚尾板很少發(fā)生斷裂現(xiàn)象，這也表明了控制滑移振幅對魚尾板壽命的影響。
(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，鋼軌與魚尾板配合面的兒何形狀也將影響到接觸壓力的大小。
魚尾板達(dá)到正常使用壽命的基本保證
根據(jù)魚尾板裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展的過程，也從我們失效魚尾板的粗略統(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，從魚尾板復(fù)雜的使用條件來看，保證其生產(chǎn)質(zhì)量也是最見成效的安全措施之一[3]  。
總結(jié)
對魚尾板的失效分析可以看到，引起魚尾板裂紋最重要的原因之一就是鋼軌與魚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)尚待研究解決的問題。另外，近年來，有人在研究鋼軌螺栓孔裂紋的同時(shí)注意到了魚尾板對鋼板的作用，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)用魚尾板上下斜面的支承形式，即楔型支承對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、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]  。