WJ-7型無砟軌道扣件扣壓力損失的室溫蠕變試驗研究

伍 曾,李潔青,黃 偉,陶 忠

(1.昆明理工大學土木工程學院,昆明 650500;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

WJ-7型無砟軌道扣件扣壓力損失的室溫蠕變試驗研究

伍 曾1,2,李潔青1,黃 偉1,陶 忠1

(1.昆明理工大學土木工程學院,昆明 650500;2.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

為了探討室溫(常溫)蠕變對無砟軌道扣件扣壓力損失的影響,通過試驗研究分析室溫蠕變對WJ-7型扣件扣壓力的損失。分別進行保持扣件變形不變與保持初始扣壓力不變的2組(各5套扣件)試驗,在組裝好的扣件相應位置埋設(shè)壓應力傳感器以測量扣件扣壓力,在保持一定扣壓力情況下,用T形螺栓螺母位移的變化表示彈條的蠕變變形量,對比分析2種情況下扣件蠕變規(guī)律及其對扣壓力的影響。試驗表明:在初始扣壓力為10 kN,分別保持扣件彈條變形不變和保持扣件扣壓力不變情況下,彈條蠕變分別為1.45 mm和2.12 mm,若都轉(zhuǎn)化成扣壓力的損失,則分別為1.00 kN和1.46 kN,且二者蠕變都是前期快后期慢,但后者蠕變時間更長,且蠕變量更大;在無車輛荷載作用下,軌下墊板變形是彈條變形的1/50～1/80,對彈條蠕變變形的影響可以忽略。

無砟軌道;WJ-7型扣件;蠕變;彈條;扣壓力

Key words:ballastless track;WJ-7 type fastener;creep;spring clip;clamping force

蠕變指材料受外力作用時,即使應力小于其屈服應力,其變形也會隨時間緩慢增長的現(xiàn)象[1]。高溫(同系溫度大于0.4,即T＞0.4Tm)時金屬材料的蠕變長期以來廣泛受到人們的關(guān)注,且通常采用應力、溫度和時間相關(guān)的函數(shù)來描述[2-8];但隨著精度要求和測量技術(shù)的提高,人們發(fā)現(xiàn)在較低的同系溫度下(T＜0.2Tm,即室溫),金屬材料在承受恒定荷載時,變形也會隨著時間的延長而增加[4-8]?？奂夹g(shù)是無砟軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù),其工作原理是利用自身彈性變形產(chǎn)生扣壓力,將鋼軌與軌下結(jié)構(gòu)長期有效地聯(lián)結(jié)成一個整體,扣件幾乎是無砟軌道彈性和調(diào)整能力的唯一提供者[9-14]。列車的高速、快速運行要求無砟軌道結(jié)構(gòu)具有很好的穩(wěn)定性及高精度,當扣件的扣壓力降低后,會降低旅客乘坐的舒適性,同時會加速構(gòu)件的疲勞斷裂,縮短扣件安全服役期限,嚴重影響行車的安全性。隨著我國無砟軌道的大量修建和營運里程的不斷增加,因扣件扣壓力降低而導致的維修養(yǎng)護及更換日趨頻繁(扣件是無砟軌道結(jié)構(gòu)中維修養(yǎng)護及更換最頻繁的部分),增加了無砟軌道維修養(yǎng)護的工作量及成本;而我國鐵路運輸量大,天窗時間短,使得運輸與維修的矛盾日益突出?？蹓毫p小的原因眾多,文獻[10]認為扣件預埋套管進水后,水結(jié)成冰會上頂螺栓,從而使螺栓松動降低扣壓力。扣件蠕變也會使得扣壓力減小,尤其是當扣件蠕變與列車荷載、溫度荷載共同作用時,扣壓力減小尤為明顯?？奂到y(tǒng)中,彈條是實現(xiàn)扣件功能的關(guān)鍵構(gòu)件,選取無砟軌道典型扣件WJ-7型扣件(圖1)就室溫下(T＜0.2Tm)彈條蠕變對扣壓力的損失進行探討。

圖1 WJ-7型扣件結(jié)構(gòu)

1 WJ-7型扣件試驗與分析

1.1 試驗方案

在絕緣塊下、鋼軌底下翼緣之上(圖1(a)中A)埋設(shè)壓應力傳感器,用以測量扣件的扣壓力。因試驗周期長達13個月,為了區(qū)分由于軌下墊板變形所引起的扣壓力損失,在圖1(a)中B所示位置安裝千分表用以測量軌下墊板的壓縮變形。試驗分2組,每組各5套扣件進行試驗。見圖2。

圖2 WJ-7型扣件試驗現(xiàn)場

第1組測量在變形不變的情況下扣壓力的變化情況。具體為:扣件組裝施加扣壓力后,每隔一段時間測量扣壓力的變化情況。試驗結(jié)束后,將扣壓力重新施加到初始扣壓力,測量此時T形螺栓螺母的位置(圖1(a)中B處)變化量,通過T形螺栓螺母的位移間接表示扣件彈條的蠕變。

第2組測量在扣壓力不變的情況下扣件彈條的蠕變。具體為:扣件組裝完畢后,施加扣壓力,經(jīng)過一段時間后,扣壓力變小,此時擰緊T形螺栓的螺母,使扣壓力與初始扣壓力相等,并測量T形螺栓螺母(圖1(a)中B處)的位置的變化,用以表示扣件彈條的蠕變量。

1.2 WJ-7型扣件主要試驗參數(shù)

WJ-7型扣件主要性能指標或各構(gòu)件質(zhì)量、體積見表1。

2 試驗數(shù)據(jù)與分析

2.1 變形不變情況下扣壓力隨時間變化試驗結(jié)果

第1組扣件試驗保持扣件彈條變形不變,即扣件系統(tǒng)組裝完畢施加扣壓力后,不再調(diào)緊T形螺栓的螺母。共有5套扣件,施加初始扣壓力為10 kN,扣壓力隨時間變化曲線見圖3。

表1 WJ-7型扣件主要性能指標及各構(gòu)件質(zhì)量、體積參數(shù)

圖3 WJ-7型扣件在變形不變情況下扣壓力隨時間變化曲線

在第1組試驗中,保持扣件彈條變形不變,有如下試驗結(jié)果。

(1)5套扣件經(jīng)過13個月后其扣壓力平均下降10%左右,此時若要使其恢復到初始扣壓力10 kN,需擰緊T形螺栓的螺母,大約需向下擰緊螺母1.45 mm (由降低的扣壓力除以扣件彈簧系數(shù)得出),即可認為彈條蠕變量1.45 mm。

(2)扣壓力前期下降得快,后期下降得慢,前6個月扣壓力下降占總下降值的75%,后7個月扣壓力下降值只占下降總值的25%。即可認為扣件蠕變前期快,后期慢,前6個月扣件彈條蠕變值占總?cè)渥冎档?5%,后7個月蠕變值只占總?cè)渥冎档?5%。

(3)從第9個月開始,扣件扣壓力下降已經(jīng)很小, 8～13月扣壓力下降值只占扣壓力下降總值的10%左右,即可認為從第8個月開始,扣件彈條蠕變已經(jīng)很小,后4個月扣件彈條蠕變值只占總?cè)渥冎档?0%。

2.2 扣壓力不變的情況下扣件彈條變形隨時間變化試驗結(jié)果

第2組測量在扣壓力不變的情況下扣件彈條的蠕變量。即扣件組裝完畢施加扣壓力后,每2 d測量1次,如扣壓力降低,則通過擰緊T形螺栓的螺母使扣件始終保持初始扣壓力10 kN,用T形螺栓的螺母向下擰緊的位移值表示彈條的變形量。第2組5套扣件在扣壓力不變情況下彈條變形(T形螺栓的螺母位移值)隨時間的變化關(guān)系曲線見圖4。

在第2組試驗中,有如下試驗結(jié)果。

(1)第2組5套扣件經(jīng)過13個月后其T形螺栓的螺母平均下移2.12 mm,即彈條蠕變量2.12 mm,若轉(zhuǎn)化為扣壓力損失,則為1.46 kN。

(2)彈條蠕變前期快,后期慢,前4個月的蠕變量是總?cè)渥兞康?5%。

(3)從第11個月開始,彈條蠕變變得很小,11～13個月蠕變量只占總?cè)渥兞康?%左右。

2.3 下墊板變形

2組試驗中,軌下墊板的壓縮變形隨時間的變化關(guān)系曲線見圖5。

圖5 軌下墊板壓縮變形曲線

從圖5中可以看出,2組試驗的軌道墊板壓縮變形都很小,介于0.025～0.03 mm,第2組(即保持扣壓力不變)軌下墊板的變形略大于第1組。軌道墊板變形是彈條變形的1/50～1/80,因此,在無車輛荷載的情況下(試驗時線路未通車),可以認為扣件蠕變變形總量中,彈條占絕大部分,軌下墊板變形對彈條的影響可以忽略。

2.4 試驗對比分析

在分別保持扣件彈條變形不變和保持扣件扣壓力不變情況下測試彈條的蠕變試驗中,彈條都會產(chǎn)生蠕變,且蠕變前期速率大于后期,經(jīng)過一段時間后,二者蠕變就都會變得很小,但又有如下不同:

(1)保持扣壓力不變情況下彈條的蠕變比保持扣件變形不變情況下的蠕變量要大,前者是后者的1.5倍左右;

(2)在保持扣件變形不變的情況下,在第8個月后,扣件扣壓力會比之前幾個月顯著變小,(即之后蠕變很小),但在保持扣壓力不變的試驗中,要到11個月左右扣件彈條蠕變才會明顯比之前減小。

3 結(jié)語

在分別保持扣件彈條變形不變和保持扣件扣壓力不變情況下測試彈條的蠕變試驗中,即使不在列車、溫度荷載作用下,彈條由于蠕變也會使得扣壓力減小10%以上,因此蠕變對扣件扣壓力的損失在工程中不應忽視。

試驗是在沒有通車的無砟軌道上進行的,沒有考慮列車荷載與溫度荷載,由于條件限制,也沒有完整測量WJ-7型扣件的整個服役期間的蠕變,因此與實際工況有所差別?，F(xiàn)實中,蠕變-疲勞交互作用可能比單一蠕變或疲勞作用下扣件扣壓力降低的程度要大,將在日后的科研中展開更深入的研究。

[1] 穆霞英.蠕變力學[M].西安:西安交通大學出版社,1990.

[2] 平修二.金屬材料的高溫強度理論設(shè)計[M].徐介平,譯.北京:科學出版社,1983.

[3] 張俊善.材料強度學[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2004. [4] 張俊善.材料的高溫變形與斷裂[M].北京:科學出版社,2007.

[5] 馮端.金屬物理學——第三卷金屬力學性質(zhì)[M].北京:科學出版社,1999.

[6] Neeraj T,Hou D H,Daehn G S et a1.Phenomenological and microstructural analysis of room temperature creep in titanium alloys[J]. Acta Materialia,2000,48(6):1225-1238.

[7] Oehlert A,Atrens A.Room temperature creep of high strength steels [J].Acta Metallurgica et Materialia,1994,42(5):1493-1508.

[8] Wang S H,Zhang Y G,Chen W X.Room temperature creep and strain—rate—dependent stress-strain behavior of pipeline steels[J]. Journal of Materials Science,2001,36(8):1931-1938.

[9] 趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國鐵道出版社, 2006:131-132.

[10]楊艷麗.WJ-7、WJ-8型扣件縱向阻力現(xiàn)場試驗與研究[J].鐵道標準設(shè)計,2010(2):51-52.

[11]Fouvry S,Kapsa P,Vincent L.Analysis of Sliding Behavior for Fretting Loadings:Determination of Transition criteria.Wear,1995, 185(1):34-47.

[12]TB/T2491—94,扣件組裝疲勞試驗方法[S].

[13]王羽杰.廣州地鐵4號線北延段工程軌道減振方案比較[J].鐵道標準設(shè)計,2012(11):15-19.

[14]田春香,顏華,熊維.關(guān)于高速鐵路扣件間距的探討[J].鐵道標準設(shè)計,2013(8):32-37.

Experiment Research on Room Temperature Creep Affecting Clamping Force Loss of WJ-7 type Ballastless Track Fastener

WU Zeng1,2,LI Jie-qing1,HUANG Wei1,TAO Zhong1
(1.Faculty of Civil Engineering and Architecture,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

To ascertain the influence of room temperature creep on the clamping force loss of ballastless track fastener,this paper researched the influence of room temperature creep on WJ-7 type fastener's clamping force loss by means of experiment.The experiment for two groups of fasteners(5 sets of fasteners for each group)were respectively carried out,in which the one group retained the constant fastener deformation and the other group retained the constant initial clamping force,while the stress sensors were embedded at the relevant positions of the assembled fasteners so as to measure the clamping forces of the fasteners.Under the circumstance that a certain clamping force was retained,the creep deformation of the spring clip was represented by the displacement change of T-shaped bolts and nuts; and finally,a comparative analysis between the two groups was carried out regarding how the creep deformation of fastener would affect its clamping force.The experiment showed that:when the clamping force was 10kN and respectively with the constant fastener spring clip's deformation and constant fastener's clamping force,the creeps of spring clips would respectively be 1.45 mm and 2.12 mm;if transforming all them into clamping force loss,there would be 1.00 kN and 1.46 kN respectively;moreover,the creep speeds of the both groups were quick in the early stage and slow in the later stage,but the creep time of the latter group was relatively long and with larger creep deformation.In addition,in the absence of vehicle loading,the deformation of rail pad was 1/50 to 1/80 of spring clip's deformation,so the effect of the deformation of rail pad on the creep deformation of spring clip could be ignored.

U213.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.014

1004-2954(2014)08-0060-03

20131106;

20131202

國家自然科學基金青年科學基金項目(51208240);云南省人才培養(yǎng)基金項目(14118469);西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室開放研究基金資助課題(2012-HRE-03)

伍 曾(1979—),男,副教授,博士,E-mail:wuzhou0123@ kmust.edu.cn。