Ⅲ型彈條扣壓力測試方法

張松琦 張遠(yuǎn)慶 汝繼來 呂明奎 朱繼光

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司北京 102206）

彈條扣件具有扣壓力大、彈性好且能夠保證軌距等優(yōu)點［1-2］，在我國鐵路上已廣泛使用。Ⅲ型彈條扣件是e型扣件的一種，適用于標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路直線或半徑R≥350 m的曲線上鋪設(shè)60 kg/m鋼軌和Ⅲ型無擋肩混凝土軌枕的無縫線路。扣壓力是彈條的重要性能指標(biāo)。文獻［3］分析了Ⅲ型彈條不同加載位移與扣壓力的關(guān)系。文獻［4］研究了Ⅲ型彈條經(jīng)預(yù)壓強化后的扣壓力。文獻［5］通過有限元模擬及非線性接觸理論研究了Ⅲ型彈條的受力情況。文獻［6］通過建立地鐵Ⅲ型彈條扣件系統(tǒng)有限元模型，分析了Ⅲ型彈條不同安裝狀態(tài)和彈程對彈條扣壓力和應(yīng)力的影響。文獻［7］通過有限元模擬分析了Ⅲ型彈條扣壓力與插入鐵墊板插孔長度（安裝距離）的關(guān)系。文獻［8］根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出Ⅲ型彈條的扣壓力與變形在彈性范圍內(nèi)基本成線性關(guān)系的結(jié)論。文獻［9］分析了扣件系統(tǒng)垂向振動特性，結(jié)果表明扣壓件及墊層的彈性變形均受預(yù)扣壓力及輪軌動態(tài)作用力的影響，扣壓件及墊層作用在鋼軌上的力均含有預(yù)扣壓力及輪軌力的成分。

e型彈條的扣壓力測試方法有2種：一種為中間DI彈條（e型）扣壓力采用的測試方法，通過加載使彈條向下產(chǎn)生一定位移來測定彈條的扣壓力（本文稱方法1），文獻［3-4］采用類似測試方法；另一種為規(guī)范［10-11］規(guī)定的Ⅲ型彈條（e型）扣壓力測試方法，通過提升使彈條向上產(chǎn)生一定位移測定彈條的扣壓力（本文稱方法2），文獻［5-7］采用該測試方法。

本文以e型彈條中的Ⅲ型彈條為例，采用2種方法進行扣壓力測試，研究不同測試方法下安裝距離對扣壓力的影響。

1 扣壓力測試方法

規(guī)范［10-11］規(guī)定Ⅲ型彈條扣壓力不低于11 kN，彈條尾部圓弧內(nèi)側(cè)與安裝孔端部的安裝距離D為8～10 mm。彈條變形量設(shè)計值為16.0 mm，考慮方法2中安裝座固定高度為4.5 mm，安裝變形量取11.5 mm。為研究安裝距離對扣壓力的影響，分別采用2種方法測試Ⅲ型彈條（以下簡稱彈條）在不同安裝距離下的扣壓力。

1.1 方法1

方法1的原理為測試彈條向下產(chǎn)生一定變形量時的力值。將彈條放入如圖1（a）所示的試驗工裝，通過加載設(shè)備對彈條施加向下的垂向持續(xù)荷載，使彈條向下產(chǎn)生11.5 mm位移，此時對應(yīng)的加載力P即為彈條的扣壓力。安裝彈條時，安裝距離D如圖1（b）所示。

圖1 方法1測試示意

方法1的測試設(shè)備為專用加載工裝和專用加載設(shè)備，操作簡單，可進行不同加載位移、不同加載力的加載試驗，準(zhǔn)確性高。

1.2 方法2

方法2的原理為測試彈條向上提升一定變形量時的力值。用專用工具將被測彈條按標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)安裝在安裝座上（圖2），彈條安裝于安裝座后變形量為11.5 mm。安放夾持工裝夾住彈條趾端，鉤子外側(cè)面距離彈條趾端端部約5 mm。用加載設(shè)備對夾持工裝施加垂直于安裝座底板的荷載，夾持工裝夾住彈條緩慢提升。當(dāng)彈條趾端下表面與安裝座之間剛好能插入0.1 mm的塞尺時，此時的拉力F即為彈條扣壓力。

圖2 方法2測試示意（單位：mm）

方法2的測試設(shè)備為專用加載工裝和專用加載設(shè)備，操作簡單，加載方式單一，準(zhǔn)確性高。

2 測試結(jié)果與分析

采用2種方法，分別測試D為8，10，20 mm時的扣壓力。每個安裝距離下測試5件彈條的扣壓力，取其平均值作為該安裝距離下的扣壓力測試值。

2.1 方法1結(jié)果與分析

采用方法1測試時，每件彈條僅進行某一安裝距離下的扣壓力測量。測得D為8，10，20 mm時扣壓力分別為11.6，11.8，12.1 kN。安裝距離與扣壓力關(guān)系曲線見圖3?？芍翰捎梅椒?進行測試，各安裝距離下的扣壓力均大于11 kN，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；彈條的扣壓力隨安裝距離的增大而增大。

圖3 安裝距離與扣壓力關(guān)系曲線（方法1）

采用方法1測試時，隨著安裝距離的增加，彈條與工裝的接觸區(qū)域由小變大（圖4），接觸面積的增大意味著產(chǎn)生同樣塑性變形量（位移）所需的力增大，即扣壓力增大。

圖4 不同安裝距離下的接觸區(qū)域（方法1）

2.2 方法2結(jié)果與分析

采用方法2測試時，每件彈條分別在D為8，10，20 mm時進行扣壓力測量。測得D為8，10，20 mm時扣壓力分別為12.9，12.3，9.9 kN。安裝距離與扣壓力關(guān)系曲線見圖5。

圖5 安裝距離與扣壓力關(guān)系曲線（方法2）

由圖5可知：采用方法2進行測試，D為8，10 mm時扣壓力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，D為20 mm時扣壓力小于11 kN，不滿足要求；彈條的扣壓力隨安裝距離的增大而減小。這是因為彈條的安裝變形使不同距離下彈條與工裝的接觸位置不同，如圖6所示。進行扣壓力測試時，D為8，10 mm時接觸位置為過渡圓弧處（A區(qū)域），D為20 mm時接觸位置為中肢上表面（B區(qū)域）。加載前，將扣壓面抬高至規(guī)定高度過程中要克服扣壓面與工裝臺面的作用力，即預(yù)緊力。預(yù)緊力越小，需要的最終外力（扣壓力）也越小。從圖6可以看出，隨著安裝距離的增加，彈條與工裝接觸位置高度由h降為h1，造成預(yù)緊力下降。因此，隨著安裝距離的增大，彈條的扣壓力有所減小。

圖6 安裝變形示意（方法2）

采用方法2測試時，隨著安裝距離的增大，接觸位置由A區(qū)域變成B區(qū)域，彈條與工裝的接觸面積增大，即扣壓力隨接觸面積增大而減小。這與方法1得出的接觸面積增大造成扣壓力增大的結(jié)論相悖。對比2種方法試驗數(shù)據(jù)可知，采用方法1測試時安裝距離從8 mm到10 mm、從10 mm到20 mm扣壓力分別增加了0.2，0.3 kN；采用方法2測試時安裝距離從8 mm到10 mm、從10 mm到20 mm扣壓力分別減小了0.6，2.4 kN。顯然，方法1中彈條因接觸區(qū)域增大對扣壓力的影響遠(yuǎn)小于方法2中安裝變形對扣壓力的影響。

2.3 2種方法的扣壓力試驗結(jié)果對比

對比2種方法測得的扣壓力發(fā)現(xiàn)，D為8，10 mm時，方法1的扣壓力小于方法2；D為20 mm時，方法1的扣壓力大于方法2。這是因為用方法1測試時彈條在3種安裝距離下的加載位移始終為11.5 mm，而采用方法2時由于安裝座的尺寸、形狀及彈條過渡圓弧的原因，使彈條在D為20mm時實際安裝變形量低于11.5 mm，D為8，10mm時實際安裝變形量大于11.5 mm。

3 結(jié)論

根據(jù)采用2種測試方法獲得的Ⅲ型彈條扣壓力結(jié)果及安裝距離與扣壓力關(guān)系曲線，得出結(jié)論如下：

1）采用方法1測試時彈條扣壓力隨安裝距離的增大而增大；采用方法2測試時彈條扣壓力隨安裝距離的增大而減小。

2）采用方法1時，不同安裝距離（8，10，20 mm）的扣壓力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；采用方法2時，安裝距離為8，10 mm時扣壓力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，安裝距離為20 mm時不滿足要求。因此，采用方法2進行扣壓力測試時須嚴(yán)格保證彈條與安裝座距離處于8～10 mm。