e 型彈條疲勞試驗(yàn)對(duì)其使用性能的影響

吳海駿，王東哲，何淼君

（安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，安徽 合肥 230601）

由彈條等組件構(gòu)成的扣件系統(tǒng)在地鐵等軌道結(jié)構(gòu)中占有重要地位，其利用彈性變形儲(chǔ)存能量發(fā)揮著固定鋼軌、承受各向應(yīng)力、減震緩沖的作用[1]。近年來(lái)，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，彈條在城市軌道交通工程中的使用越來(lái)越多，彈條的失效問(wèn)題也日益突出。

彈條的失效主要分為斷裂失效、表面損傷失效和過(guò)量變形失效等，以往對(duì)于彈條失效的研究主要針對(duì)有限元模型計(jì)算和斷裂后的失效分析[2，3]，而對(duì)于腐蝕和磨損引起的表面損傷失效、荷載作用下的過(guò)量變形失效等研究較少。本文針對(duì)城市軌道交通中應(yīng)用較多的e型彈條，通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案研究疲勞試驗(yàn)對(duì)其表面腐蝕、扣壓力和殘余變形等使用性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用e型無(wú)螺栓彈條，材料為60Si2Mn，加工工藝流程為： 剪切下料→加熱成型→淬火→回火→拋丸→達(dá)克羅表面防腐處理→包裝。

2 試驗(yàn)方法

（1）疲勞-腐蝕交替試驗(yàn)。由于地鐵大多在地下潮濕環(huán)境下運(yùn)行，對(duì)彈條等扣件的腐蝕往往較為嚴(yán)重，彈條斷裂時(shí)有發(fā)生，彈條設(shè)計(jì)要求為采用達(dá)克羅處理，且經(jīng) 300h 中性鹽霧試驗(yàn)后保護(hù)級(jí)不得低于 9 級(jí)，但在實(shí)際工況下彈條存在振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，其對(duì)達(dá)克羅涂層的附著性能和防腐蝕效果的影響尚無(wú)研究。另外，彈條的疲勞性能要求為經(jīng) 500 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后不得折斷，因此本文的試驗(yàn)方法為疲勞-腐蝕交替，即150萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)→100h中性鹽霧試驗(yàn)→150萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)→100h中性鹽霧試驗(yàn)→200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)→100h中性鹽霧試驗(yàn)，其中疲勞試驗(yàn)的頻率為16Hz，周期位移為mm。

圖1 彈條扣壓力試驗(yàn)示意圖

（2）疲勞-扣壓力試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試500 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)前后彈條扣壓力的變化研究彈條疲勞試驗(yàn)對(duì)扣壓力的影響。彈條扣壓力試驗(yàn)如圖1所示。將支架放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)上，被測(cè)彈條裝入支架中，彈條小圓弧內(nèi)側(cè)與插入座端部相距8mm～10mm。試驗(yàn)機(jī)加載速度為0.5 kN/s，使彈條趾端向下產(chǎn)生垂直位移，當(dāng)垂直位移為10.5mm時(shí)，試驗(yàn)機(jī)顯示的載荷為彈條的扣壓力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1） 疲勞-腐蝕交替試驗(yàn)。按該型號(hào)彈條技術(shù)要求，疲勞試驗(yàn)為每組3根。疲勞-腐蝕交替試驗(yàn)后，彈條均未發(fā)生斷裂，經(jīng)測(cè)量，3根彈條的殘余變形分別為：0.60mm、0.78mm、0.58mm，均滿足技術(shù)要求中殘余變形不大于1mm的要求。

試驗(yàn)后彈條的達(dá)克羅表面未發(fā)生明顯腐蝕，只在彈條的趾端與試驗(yàn)機(jī)接觸處因磨損導(dǎo)致涂層脫落進(jìn)而發(fā)生銹蝕。結(jié)合e型彈條的有限元分析，以及彈條在實(shí)際使用和檢測(cè)過(guò)程中的斷裂情況，彈條中肢與跟端連接的小圓弧處承受的拉伸、扭轉(zhuǎn)載荷相對(duì)較大，也是最易斷裂的位置。根據(jù)圖2對(duì)彈條小圓弧內(nèi)側(cè)的局部放大可以看出，小圓弧內(nèi)側(cè)未發(fā)生涂層開(kāi)裂等破壞現(xiàn)象，其表面也未見(jiàn)明顯腐蝕。

圖2 疲勞-腐蝕交替試驗(yàn)后彈條小圓弧內(nèi)側(cè)局部形貌

圖3 彈條圓弧內(nèi)側(cè)截面邊緣顯微形貌

將試驗(yàn)后的彈條沿小圓弧垂直方向切開(kāi)，圓弧內(nèi)側(cè)邊緣經(jīng)拋光后放大500倍的顯微形貌如圖3所示。該彈條的達(dá)克羅涂層厚度一般為5μm～10μm，可以看到在此范圍內(nèi)的彈條邊緣比較整齊，未出現(xiàn)裂紋和剝落等現(xiàn)象，說(shuō)明涂層在此處附著較為完好，并未受到疲勞過(guò)程中的形變影響，仍能對(duì)基體金屬起到很好的保護(hù)作用。

（2）疲勞-扣壓力試驗(yàn)。采用三個(gè)不同廠家同一批次的彈條進(jìn)行疲勞-扣壓力試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)前后的扣壓力如表1所示，可以看到，經(jīng)過(guò)500萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，3組彈條的扣壓力均出現(xiàn)了下降，下降幅度為6.7%～13.2%不等，這主要有兩個(gè)原因，一是彈條疲勞后的應(yīng)力松弛導(dǎo)致出現(xiàn)殘余變形，從而在相同的彈程下扣壓力值變??；二是由于彈簧鋼本身的疲勞軟化。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1222-2016《彈簧鋼》，60Si2Mn彈簧鋼的強(qiáng)屈比σb/σ0.2為1.14，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)材料的強(qiáng)屈比＜1.2時(shí)，材料的硬度值在疲勞后下降，表現(xiàn)為循環(huán)軟化。

根據(jù)彈條的設(shè)計(jì)要求，該彈條在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下的扣壓力應(yīng)不小于8kN。3組彈條在疲勞試驗(yàn)前扣壓力均能滿足要求，廠家C生產(chǎn)的彈條扣壓力相對(duì)較小，在經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)后，隨著材料的應(yīng)力松弛和疲勞軟化，廠家C的彈條實(shí)際扣壓力均已小于8kN，因此可能無(wú)法起到有效固定鋼軌的作用。

表1 疲勞試驗(yàn)前后彈條扣壓力值(kN)

實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)，彈條經(jīng)過(guò)扣壓力試驗(yàn)后，再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，其殘余變形相比未進(jìn)行扣壓力試驗(yàn)的樣品更小，我們對(duì)每個(gè)廠家隨機(jī)選擇了3組6根彈條進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。所有彈條均能通過(guò)500萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，但未經(jīng)扣壓力試驗(yàn)的彈條疲勞試驗(yàn)后的殘余變形較大，而經(jīng)過(guò)扣壓力試驗(yàn)的彈條在疲勞試驗(yàn)后的殘余變形量均在0.30mm以下。因此，可以適當(dāng)通過(guò)對(duì)彈條施加預(yù)加載降低彈條在后期使用過(guò)程中的殘余變形，起到保持彈條扣壓力的作用。

表2 經(jīng)過(guò)和未經(jīng)過(guò)扣壓力試驗(yàn)彈條的殘余變形量(mm)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該型號(hào)彈條的一系列試驗(yàn)，結(jié)果表明，達(dá)克羅涂層在彈條表面的附著性較好，能夠在承受疲勞過(guò)程中的形變的同時(shí)，對(duì)基體金屬起到很好的防腐蝕保護(hù)作用。經(jīng)過(guò)疲勞試驗(yàn)后，彈條的扣壓力會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降，可能對(duì)其固定鋼軌產(chǎn)生不利影響；適當(dāng)對(duì)彈條施加預(yù)加載可以降低彈條在后期使用過(guò)程中的殘余變形，起到保持彈條扣壓力的作用。