單趾彈簧扣件的彈簧強度分析

肖 飛，王 平，陳小平

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

單趾彈簧扣件在生產(chǎn)前作過大量的試驗(包括組裝疲勞試驗和有限元分析等)，是一個成熟的產(chǎn)品，但在某地鐵高架橋彎道上試運行階段有少量的斷裂。本文運用有限單元法對扣軌彈簧進行強度分析，并得出相關(guān)結(jié)論和建議。

1 單趾彈簧扣件結(jié)構(gòu)形式

單趾彈簧扣件為彈性分開式扣件，主要用于60 kg/m鋼軌線路。它主要由 PR彈條、軌下膠墊、軌距塊、鐵墊板、板下膠墊、雙頭螺栓、螺母、預(yù)埋套管等部件組成?？奂ㄟ^PR彈條實現(xiàn)對鋼軌的扣壓，一組扣件的扣壓力不小于13～15 kN;通過軌距塊、預(yù)埋套管和絕緣套等部件保證扣件的絕緣性能>100 MΩ。

PR彈條的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，設(shè)計彈程為14.1 mm，安裝時彈條穿入鐵墊板插孔的長度 >72 mm，但不允許外露。

圖1 PR彈條結(jié)構(gòu)形式示意

單趾彈簧扣件在在該地鐵線高架橋彎道上使用一段時間后，出現(xiàn)少量扣軌彈簧(以下簡稱PR彈條)斷裂的情況。斷裂部位均在彈條中肢尾部，斷口處有點接觸的壓痕(圖2)，斷肢與鐵墊板插孔的接觸狀態(tài)為兩點接觸(圖3中亮點所示位置)。出現(xiàn)PR彈條斷裂地段的線路情況為:列車速度80 km/h，軸重13 t，曲線半徑600 m，外軌超高120 mm。

為了明確PR彈條在該地鐵線上各種工作狀態(tài)下的應(yīng)力水平，本文采用三維實體有限單元法對其進行了受力分析。

圖2 PR彈條斷裂位置

圖3 斷裂中肢兩點接觸

2 計算模型及參數(shù)

PR彈條為一復(fù)雜的空間三維結(jié)構(gòu)，在工作狀態(tài)下除了承受彎、扭、剪相互作用外，還與鐵墊板插孔、軌距塊發(fā)生擠壓作用，因而用三維空間有限梁單元理論無法綜合考慮這些作用對彈條應(yīng)力的影響，需要采用三維實體有限單元法分析彈條的受力。為此，采用20節(jié)點等參數(shù)三維實體單元對PR彈條進行結(jié)構(gòu)離散，圖4為離散后的彈條有限單元模型，模型共有15 146個節(jié)點和9 247個單元，每個節(jié)點有3個方向的平動自由度。

PR彈條的制造材料為60Si2Mn，60Si2Mn的屈服強度為1 200 MPa，極限強度為1 300 MPa。計算中材料的彈性模量取為 2.06×1011Pa，泊松比取為 0.3[1]。

3 荷載工況

圖4 PR彈條有限元模型

圖5 彈條與鐵墊板插孔的正確接觸狀態(tài)(單位:mm)

設(shè)計工作狀態(tài)下，扣件安裝就位后，PR彈條跟端扣壓在軌距塊上;彈條趾端扣壓在鐵墊板插孔座上，彈條趾端的垂向位移達(dá)到設(shè)計彈程14.1 mm;中肢穿入鐵墊板插孔內(nèi)的長度 >72 mm，且 <76 mm，保證中肢不外露，并與插孔呈線性接觸狀態(tài)(圖5)。

圖6 現(xiàn)場安裝狀態(tài)

圖7 中肢穿入插孔長度

在彈條斷裂地段，扣件實際安裝狀態(tài)與設(shè)計存在差異，彈條中肢外露于插孔(圖6)，中肢穿入插孔長度達(dá)82 mm(圖7)，超過設(shè)計允許的76 mm。由于彈條穿入鐵墊板插孔內(nèi)過長，中肢伸出鐵墊板插孔，導(dǎo)致彈條與鐵墊板插孔的接觸狀態(tài)及其彈程發(fā)生變化。

如圖8所示，彈條中肢平直段只有部分在插孔內(nèi)，中肢與跟端連接小圓弧也有部分伸入插孔內(nèi)，若鐵墊板插孔兩端無R=6 mm的圓弧，將導(dǎo)致彈條與插孔的接觸狀態(tài)從線接觸變成兩點接觸，兩個接觸點分別位于插孔的兩端。

結(jié)構(gòu)裝配分析表明，彈條插入長度過長后，其中肢下沉，處于超限安裝狀態(tài)。如圖9所示，彈條插入鐵墊板插孔長度為82 mm時，中肢下沉量為0.70 mm。由于鐵墊板插孔尺寸固定，中肢下沉?xí)?dǎo)致扣件彈程增大，其增大量為0.7×(42+55)/42=1.62 mm。彈程增大后，彈條的受力狀態(tài)將惡化。

為了明確各使用狀態(tài)下的彈條受力，分析表1所列的5種工況下的彈條應(yīng)力分布。

表1 荷載工況

4 結(jié)果分析

表2是在第四強度理論下，所計算出的各工況下的最大等效應(yīng)力。

表2 各工況最大等效應(yīng)力對比 MPa

圖8 中肢穿入鐵墊板插孔過長(單位:mm)

1)當(dāng)彈條穿入鐵墊板插孔中的長度為72～76 mm時，二者為線接觸，彈條處于設(shè)計工作狀態(tài)，最大等效應(yīng)力為1 127 MPa，小于材料的屈服強度1 200 MPa。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在彈條中肢尾部與鐵墊板接觸點處，彈條中肢與跟端連接小圓弧的應(yīng)力也較大，約為753～877 MPa。斷裂截面的應(yīng)力四周大，中間小，為扭轉(zhuǎn)受力，彈條表面與鐵墊板插孔接觸點的應(yīng)力又稍大于其它周邊，表明在該點存在一個較小的擠壓作用。

圖9 超限安裝變形圖(單位:mm)

2)當(dāng)彈條穿入鐵墊板插孔的長度為82 mm時，若不考慮中肢下沉對其彈程的影響，彈條的工作彈程為14.1 mm，此時彈條最大等效應(yīng)力為1 213 MPa，大于材料的屈服強度1 200 MPa，小于材料的極限強度1 300 MPa，彈條在與鐵墊板插孔接觸位置將產(chǎn)生塑性變形(圖10中箭頭所指部位)，但不會斷裂。彈條最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在中肢尾部與鐵墊板接觸點，中肢頭部與鐵墊板接觸點的應(yīng)力接近最大等效應(yīng)力，與工況A相比彈條中肢與跟端連接小圓弧的應(yīng)力水平大幅降低，僅為271～540 MPa。斷裂截面的應(yīng)力接觸點最大，從接觸點向下快速減小，整個截面應(yīng)力分布表現(xiàn)為擠壓應(yīng)力特征，并有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖10 彈條與鐵墊板接觸點的塑性變形

3)當(dāng)PR彈條穿入鐵墊板插孔中的長度為82 mm時，二者為兩點接觸，彈條的工作彈程增大至15.72 mm，彈條最大等效應(yīng)力為1 294 MPa，大于材料的屈服強度1 200 MPa，接近材料的極限強度1 300 MPa，彈條出現(xiàn)塑性變形，但不會斷裂。彈條應(yīng)力分布與工況B類似。

4)在該地鐵線高架橋PR彈條斷裂的彎道上，考慮列車曲線通過時的最不利橫向作用，彈條工作彈程將增大0.93 mm，若彈條安裝正確，與鐵墊板插孔線性接觸，彈條的最大等效應(yīng)力為1 198 MPa，小于材料的屈服強度1 200 MPa。彈條應(yīng)力分布特征與工況 A相似。

5)在該地鐵線高架橋PR彈條斷裂的彎道上，彈條安裝位置不正確(穿入鐵墊板插孔長度達(dá)到82 mm)，與鐵墊板插孔呈兩點接觸，同時考慮列車曲線通過時的最不利橫向作用，彈條工作彈程增大0.93 mm后，彈條的最大等效應(yīng)力為1 363 MPa，大于材料的極限強度1 300 MPa，彈條在接觸點出現(xiàn)裂紋，隨著列車的反復(fù)通過，裂紋逐漸擴大，最終發(fā)生疲勞破壞。彈條整體和斷裂截面的應(yīng)力分布與工況B和工況C相似，表現(xiàn)出擠壓應(yīng)力特征，并有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

5 結(jié)論與建議

通過三維實體有限單元法對PR彈條在各種工況下的應(yīng)力仿真分析后，可得出以下結(jié)論:

1)設(shè)計工作狀態(tài)下，PR彈條與鐵墊板插孔線接觸，彈程為14.1 mm，最大等效應(yīng)力為1 127 MPa，小于材料的屈服強度，彈條為彈性工作狀態(tài)。

2)PR彈條穿入鐵墊板插孔的長度為82 mm時，一方面工作彈程增大，另一方面與鐵墊板插孔的接觸從線接觸變?yōu)閮牲c接觸，彈條的最大等效應(yīng)力為1 294 MPa，超過材料的屈服強度，并接近材料的極限強度，彈條的應(yīng)力儲備很小，疲勞壽命降低，在有輪軌橫向力作用時，彈條可能出現(xiàn)斷裂。

3)若PR彈條穿入鐵墊板插孔長度為82 mm，彈條外露，其最大等效應(yīng)力為1 363 MPa，大于材料的極限強度，彈條中肢尾部與鐵墊板插孔接觸點處將出現(xiàn)裂紋，隨著列車的反復(fù)通過，裂紋逐漸發(fā)展，彈條最終斷裂。

建議在運營維護過程中，將PR彈條插入鐵墊板插孔的長度嚴(yán)格控制在72～76 mm范圍內(nèi)，保證彈條的安裝位置符合設(shè)計要求，以避免彈條的工作彈程和應(yīng)力超過設(shè)計狀態(tài)。嚴(yán)格控制PR彈條的生產(chǎn)質(zhì)量，保證其材質(zhì)、形式尺寸及表面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求，特別是表面不得有裂紋、毛刺等缺陷，以免出現(xiàn)應(yīng)力集中。

[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T1222—1984 鋼簧鋼［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1984.

[2] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB3098—92 緊固件機械性能［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[3] 弗里德曼R A(蘇).金屬機械性能［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1982.