高速鐵路彈條疲勞對(duì)其扣壓力的影響

黃新杰 伍曾 張景坤

（昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明 650504）

隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程的增加，軌道結(jié)構(gòu)因扣件疲勞磨損而導(dǎo)致維修及更換的問(wèn)題日益突出，而彈條又是整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)中養(yǎng)護(hù)及更換最頻繁的部件，彈條的疲勞磨損對(duì)扣件的服役壽命起著主導(dǎo)作用。近些年來(lái)，對(duì)于彈條的研究逐漸增多，文獻(xiàn)［1］對(duì)室溫下的蠕變對(duì)扣壓力的影響進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［2-3］對(duì)彈條的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［4］對(duì)彈條的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［5-6］針對(duì)e型彈條的應(yīng)力變化及設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［7-8］對(duì)彈條的疲勞特性以及斷裂特征進(jìn)行了研究。以往文獻(xiàn)多集中于彈條的動(dòng)力性能、力學(xué)特性的分析，但是彈條的疲勞對(duì)彈條扣壓力的影響研究相對(duì)較少。本文以WJ-7 型扣件彈條為例，采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)彈條在循環(huán)荷載作用下的扣壓力損失進(jìn)行研究。

1 彈條試驗(yàn)

1.1 靜力試驗(yàn)

為了研究彈條的疲勞性能，需先對(duì)其進(jìn)行靜力試驗(yàn)，確定其應(yīng)力狀態(tài)。靜力試驗(yàn)在MTS809 伺服液壓試驗(yàn)機(jī)上完成。進(jìn)行靜力試驗(yàn)時(shí)采用應(yīng)變電測(cè)法測(cè)量彈條在受力過(guò)程中的可能危險(xiǎn)點(diǎn)以及最大應(yīng)力產(chǎn)生位置的應(yīng)變。

應(yīng)變花粘貼于彈條的后端大圓弧、彈條內(nèi)臂和外臂處，具體位置見(jiàn)圖1。將各測(cè)點(diǎn)通過(guò)電路接入到應(yīng)變記錄儀當(dāng)中，施加不同的荷載并記錄應(yīng)變片在0°，45°，90° 3 個(gè)方向上的線應(yīng)變 εα1，εα2，εα3，以計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力及主應(yīng)變。

圖1 彈條各部位名稱及應(yīng)變花粘貼位置

x，y軸方向上的線應(yīng)變?chǔ)舩，εy以及剪應(yīng)變?chǔ)脁y的計(jì)算公式為

式中：α1，α2，α3分別取0°，45°，90°。

主應(yīng)變?chǔ)舖ax，εmin的計(jì)算公式為

式中：εmax，εmin分別為最大和最小主應(yīng)變。

主應(yīng)力σ1，σ2的計(jì)算公式為

式中：σ1，σ2分別為最大和最小主應(yīng)力；E為彈性模量；μ為泊松比。

由于WJ-7 型彈條所用的材料為60Si2MnA 彈簧鋼，為塑性材料，故本文采用偏于安全的第三強(qiáng)度理論來(lái)計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力。第三強(qiáng)度理論等效應(yīng)力σr3的計(jì)算公式為

試驗(yàn)時(shí)以2.5 kN 為加載幅度，從0 加載至30 kN，數(shù)據(jù)記錄是從20 kN 開(kāi)始記錄到30 kN。靜力試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 靜力試驗(yàn)裝置

靜力試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。WJ-7型扣件彈條所用的60Si2MnA 彈簧鋼的屈服強(qiáng)度大致在1 600 MPa 左右，抗拉極限強(qiáng)度則在1 900 MPa左右。

表1 不同安裝預(yù)緊力下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

由表1可以看出，在不同的安裝預(yù)緊力下，彈條均在測(cè)點(diǎn)3產(chǎn)生了最大應(yīng)力，在測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4也有較大應(yīng)力產(chǎn)生，由此可以推斷出彈條測(cè)點(diǎn)3最危險(xiǎn)，測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)4較危險(xiǎn)。測(cè)點(diǎn)3在20.0，22.5 kN 荷載下所測(cè)得的材料等效應(yīng)力分別為1 300.8，1 465.6 MPa，均小于材料的屈服強(qiáng)度；在25 kN 安裝預(yù)緊力作用下彈條的等效應(yīng)力為1 578.5 MPa，接近材料的屈服強(qiáng)度但未超出，并且彈條中圈剛好與彈條兩趾端處于同一平面，即彈條中圈下部與絕緣塊剛好接觸；在27.5 kN及30 kN 安裝預(yù)緊力作用下材料的等效應(yīng)力達(dá)到了1 793.5，1 925.2 MPa，均已超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度甚至達(dá)到了材料的抗拉極限強(qiáng)度，由此可以看出彈條的最佳安裝狀態(tài)為螺栓對(duì)彈條產(chǎn)生25 kN的壓力。

1.2 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)時(shí)采用正弦波循環(huán)荷載，試驗(yàn)頻率為3 Hz。根據(jù)靜力試驗(yàn)得出彈條的合理安裝預(yù)緊力為25 kN，即螺栓安裝完成產(chǎn)生25 kN 的壓力，則將25 kN設(shè)置為正弦波荷載的平衡值。疲勞試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 疲勞試驗(yàn)裝置

在3 kN 的循環(huán)荷載作用下超過(guò)500 萬(wàn)次循環(huán)彈條未產(chǎn)生破壞，在5 kN 循環(huán)荷載作用下超過(guò)150 萬(wàn)次循環(huán)彈條未產(chǎn)生破壞。為了能有效分析彈條疲勞對(duì)其扣壓力及中圈位移的影響，將循環(huán)荷載設(shè)置為7.5，10.0，12.5 kN，即加載幅值為合理安裝預(yù)緊力的30%，40%，50%。試驗(yàn)中采用位移傳感器采集彈條中圈位移，采用壓力傳感器采集彈條左右趾端的扣壓力。循環(huán)荷載為12.5 kN 時(shí)數(shù)據(jù)采集間隔為500 周，而循環(huán)荷載為10.0，7.5 kN 時(shí)數(shù)據(jù)采集間隔為200 周，篩選出彈條在25 kN 平衡位置的數(shù)據(jù)。由于疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)離散性較大，所以在每個(gè)循環(huán)荷載下選取3 個(gè)彈條進(jìn)行試驗(yàn)，并取3次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而觀察循環(huán)次數(shù)對(duì)彈條扣壓力及中圈位移的影響。

彈條在不同循環(huán)荷載作用下扣壓力及中圈位移隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖4。

由圖4（a）可以看出：在12.5 kN 循環(huán)荷載作用下扣壓力從最初的10.59 kN 降至斷裂時(shí)的8.51 kN，中圈位移從最初的16.22 mm 增至斷裂時(shí)的18.65 mm。彈條的中圈位移和彈條扣壓力曲線在開(kāi)始階段變化幅度較為劇烈，說(shuō)明彈條產(chǎn)生了較大的塑性變形，對(duì)彈條彈程以及扣壓力產(chǎn)生較大影響。彈條扣壓力一開(kāi)始就已經(jīng)有所損耗這是由于循環(huán)荷載較大所致。到試驗(yàn)中期彈條扣壓力和中圈位移曲線逐漸變緩，這是因?yàn)殡S著循環(huán)次數(shù)增加，彈條塑性變形逐漸減小。在試驗(yàn)結(jié)束階段彈條扣壓力均低于規(guī)范要求的9 kN，而中圈位移（18 mm）也接近于彈條的彈程極限，并且扣壓力曲線和彈條中圈位移曲線均有較大的轉(zhuǎn)折，說(shuō)明彈條在承受了一定循環(huán)荷載作用后逐漸接近其疲勞極限。

圖4 不同循環(huán)荷載下彈條扣壓力及中圈位移隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

由圖4（b）可以看出：在10 kN 循環(huán)荷載作用下試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)扣壓力損耗很多，試驗(yàn)前期彈條扣壓力和中圈位移曲線變化較大，中期和后期曲線逐漸變緩，扣壓力從最初的11.08 kN 降至最終斷裂時(shí)的8.47 kN，中圈位移從最初的15.02 mm增至斷裂時(shí)的18.21 mm。

由圖4（c）可以看出：在7.5 kN 循環(huán)荷載作用下彈條承受的循環(huán)次數(shù)已經(jīng)接近9 萬(wàn)次，疲勞壽命顯著增加。彈條扣壓力從最初的12.35 kN 降至斷裂時(shí)的8.5 kN，中圈位移從最初的13.9 mm 增至斷裂時(shí)的16.5 mm。

2 彈條的扣壓力與中圈位移的關(guān)系

彈條在疲勞試驗(yàn)中的中圈位移表征了彈條的變形程度，為探究中圈位移與扣壓力之間的關(guān)系，依據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果擬合出彈條在不同循環(huán)荷載作用下的扣壓力與彈條中圈位移的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖5。可知：彈條扣壓力與中圈位移近似呈線性關(guān)系，扣壓力隨著中圈位移的逐漸增加而降低。

圖5 不同循環(huán)荷載作用下彈條扣壓力與中圈位移的關(guān)系曲線

依據(jù)圖5可擬合不同循環(huán)荷載作用下彈條扣壓力F與其中圈位移S的關(guān)系式：在7.5 kN 循環(huán)荷載作用下S=-1.435 8F+32.292，在10 kN 循環(huán)荷載作用下S=-0.889 5F+24.596，在12.5 kN 循環(huán)荷載作用下S=-0.823 1F+23.849。

3 結(jié)論

1）通過(guò)靜力試驗(yàn)得出彈條的合理安裝預(yù)緊力為25 kN，彈條最危險(xiǎn)區(qū)域出現(xiàn)于彈條后端大圓弧處。

2）在循環(huán)荷載作用下彈條疲勞對(duì)扣壓力有較大影響。在12.5，10 kN 循環(huán)荷載作用下彈條疲勞壽命較低，試驗(yàn)前期扣壓力有較大的變化，隨著循環(huán)次數(shù)的增多彈條扣壓力逐漸降低，中圈位移不斷增大；最終階段彈條扣壓力小于規(guī)范規(guī)定的最低值，中圈位移也接近彈條的彈程極限。在7.5 kN 循環(huán)荷載作用下彈條疲勞壽命顯著提高，扣壓力和中圈位移變化相對(duì)平穩(wěn)，最終階段彈條扣壓力仍大于規(guī)范規(guī)定的最低值，中圈位移則小于彈條的彈程極限。

3）在本文的3 種不同循環(huán)荷載作用下，彈條的中前端位移與彈條的扣壓力均近似呈線性關(guān)系。