W1型彈條扣壓力與疲勞性能的試驗(yàn)研究

余 劍，伍 曾，張景坤，黃新杰

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明 650500)

高速鐵路不僅是交通運(yùn)輸行業(yè)的重要領(lǐng)域之一，還具有國(guó)防戰(zhàn)略的重要意義。近十年，隨著中國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，高速鐵路已經(jīng)成為人們出行選擇最頻繁的交通方式之一。

W1型扣件技術(shù)是中國(guó)無砟軌道廣泛使用的扣件技術(shù)，其工作原理是利用自身產(chǎn)生的彈性變形將鋼軌和軌道下部結(jié)構(gòu)連接成一個(gè)整體，而高速鐵路無砟軌道扣件在承受列車復(fù)雜多變的荷載作用下會(huì)引發(fā)一系列的彈條斷裂和銹蝕問題[1-4]。因此，為使列車平穩(wěn)運(yùn)行和保護(hù)乘客安全，高速鐵路無砟軌道扣件的疲勞壽命具有重要的研究意義。

中國(guó)對(duì)W1型扣件彈條的安裝規(guī)范按照鐵科院于2004年7月公布的WJ-7型扣件組裝暫行技術(shù)條件進(jìn)行操作，W1型彈條緊固件安裝到位，即彈條中端圓弧位移達(dá)到14 mm時(shí)其扣壓力不小于9 kN，然而目前中國(guó)對(duì)無砟軌道W1型扣件彈條疲勞壽命對(duì)其扣壓力影響的研究較少。Thompson等[5]、Byuea等[6]對(duì)不同高頻作用下各類扣件的力學(xué)特性做了試驗(yàn)研究；Casado等[7]通過試驗(yàn)研究了不同扣壓力對(duì)彈條模態(tài)參數(shù)的影響；李天夫等[8]對(duì)斷裂的彈簧鋼進(jìn)行電鏡掃描分析，得出彈條原材料在熱軋工藝階段產(chǎn)生折疊造成應(yīng)力集中而使彈條斷裂；黃旭升等[9]對(duì)W1型扣件彈條的強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元計(jì)算，得出彈條的最大應(yīng)力在彈條后圓弧處；伍曾等[10]對(duì)W1型彈條在室溫蠕變作用下扣壓力的損失進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出即使在室溫條件下，蠕變現(xiàn)象也會(huì)使彈條扣壓力下降10%左右。目前的研究主要集中在軌下墊板剛度對(duì)扣件系統(tǒng)的疲勞影響，但對(duì)彈條本身疲勞性能的研究還較少。

首先對(duì)W1彈條的原材料60Si2MnA彈簧鋼進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，得到60Si2MnA彈簧鋼的抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系函數(shù)曲線，然后對(duì)W1型彈條進(jìn)行應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)，得出W1型彈條在不同扣壓力作用下的應(yīng)力分布狀態(tài)，最后對(duì)W1型彈條施加三種疲勞荷載工況，研究彈條疲勞性能與扣壓力的關(guān)系。

1 W1型彈條強(qiáng)度試驗(yàn)

1.1 60Si2MnA靜載拉伸試驗(yàn)

為了得到W1型彈條的常規(guī)力學(xué)性能，將W1型彈條的原材料60Si2MnA彈簧鋼前直端截取一部分進(jìn)行機(jī)械加工，加工試件設(shè)計(jì)圖和試件加工實(shí)際試樣圖如圖1、圖2所示。將加工好的試驗(yàn)試件于MTS810伺服液壓試驗(yàn)機(jī)上固定進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過在彈簧鋼試件上施加的荷載和彈條產(chǎn)生的拉伸變量就能繪制彈簧鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。

圖1 試件設(shè)計(jì)尺寸

圖2 試件加工實(shí)際試樣圖

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖3可以看出，60Si2MnA彈簧鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與低碳鋼相似，呈4個(gè)階段。第一階段：應(yīng)力-應(yīng)變呈拋物線函數(shù)關(guān)系，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)龃蠖徛龃?；第二階段：應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，在1 600 MPa左右達(dá)到屈服強(qiáng)度，但是沒有出現(xiàn)很明顯的屈服點(diǎn)；第三階段：強(qiáng)化階段，在1 900 MPa左右達(dá)到彈簧鋼的極限強(qiáng)度；第四階段：頸縮階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增大反而降低，一直到試件被拉斷。

1.2 W1型彈條應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)

為確定彈條最佳扣壓力值，對(duì)W1型彈條進(jìn)行應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)，彈條應(yīng)變花粘貼點(diǎn)位置及彈條各部位名稱命名如圖4所示，應(yīng)變花分別粘貼在測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)6上。彈條出廠時(shí)表面有一層絕緣的涂料，為使試驗(yàn)結(jié)果更精確，試驗(yàn)前需對(duì)彈條表面用粗銼刀進(jìn)行打磨。由于彈條是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，正常工作下兩邊的受力狀態(tài)基本是一致的，所以只需對(duì)彈條一側(cè)進(jìn)行打磨。打磨完后使用氰基丙烯酸酯黏結(jié)劑(520膠)將應(yīng)變片粘貼在彈條各測(cè)點(diǎn)上，本次試驗(yàn)使用的是型號(hào)為BF120-2CA的箔式電阻應(yīng)變片，其敏感柵長(zhǎng)度為2 mm、寬為1.3 mm，電阻值為120 Ω，所用的基底材料為酚醛-縮醛，該材料具有良好的柔韌性，方便粘貼，在-30°～+80°其材料性能仍然穩(wěn)定，電阻應(yīng)變花粘貼部位及實(shí)物圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 彈條各部位名稱及應(yīng)變花粘貼點(diǎn)

圖5 應(yīng)變花粘貼實(shí)物圖

在MTS810電液伺服液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行W1型彈條應(yīng)變電試驗(yàn)，如圖5所示，試驗(yàn)從0開始加載至35 kN結(jié)束，以2.5 kN為加載梯度，應(yīng)變電測(cè)數(shù)據(jù)從12.5 kN開始記錄，同樣以2.5 kN為梯度記錄數(shù)據(jù)至35 kN結(jié)束。

應(yīng)變電阻片能測(cè)出彈條各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，但若獲得各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力值還需要將應(yīng)變換算為應(yīng)力，由于彈條形狀較為復(fù)雜，受力時(shí)其各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力方向是未知的，若在彈條任意一測(cè)點(diǎn)位置取出一個(gè)三維實(shí)體單元將存在3個(gè)未知的應(yīng)力分量，因此需要在測(cè)點(diǎn)的3個(gè)方向上貼上應(yīng)變片，如圖6所示，通過測(cè)出這3個(gè)方向上的應(yīng)變來計(jì)算出彈條各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。

O為測(cè)測(cè)點(diǎn)；φa、φb、φc為應(yīng)變片的粘貼角度，分別為90°、45°、0°；εa、εb、εc為對(duì)應(yīng)的每一片應(yīng)變片所測(cè)得的應(yīng)變，記錄3個(gè)彈條各測(cè)點(diǎn)在90°、45°、0° 3個(gè)方向上的線應(yīng)變?chǔ)臿、εb、εc

由式(1)可解出切應(yīng)變?chǔ)脁y和x、y方向上的線應(yīng)變?chǔ)舩、εy。

(1)

式(1)中:φa、φb、φc為應(yīng)變片粘貼角度，為90°、45°、0°。

由式(1)求出的εx、εy和γxy可通過式(2)計(jì)算出最大主應(yīng)變?chǔ)?和最小主應(yīng)變?chǔ)?。

mti(TAEi),maj(TAj)表示mti的制造任務(wù)的任務(wù)特征集合TAEi與maj的制造活動(dòng)的任務(wù)特征集合TAj進(jìn)行比較，如果有相同的制造任務(wù)特征集合，則該值為True，否則為False。

(2)

再由廣義胡克定律式(3)求出最大、最小主應(yīng)力σ1、σ2。

(3)

式(3)中：E、μ分別為彈性模量和泊松比。

由第三強(qiáng)度理論可知導(dǎo)致材料屈服的主要因素是最大切應(yīng)力的產(chǎn)生，在平面二向應(yīng)力狀態(tài)，最大、最小主應(yīng)力就是σ1和σ2，則彈條緊固件的屈服準(zhǔn)則為

σ3=σ1-σ2

(4)

以MTS810液壓機(jī)施加的荷載為橫坐標(biāo)，應(yīng)力為縱坐標(biāo)，繪制1～3個(gè)彈條各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力曲線圖如圖7所示。

圖7 彈條應(yīng)力-荷載曲線

從圖7中可以看出，每個(gè)彈條各應(yīng)力值變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)荷載小于25 kN時(shí)，1～3號(hào)彈條的應(yīng)力與荷載呈現(xiàn)出線性關(guān)系，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值隨著荷載的增大而增大，其中3組彈條1測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值都遠(yuǎn)小于其他各點(diǎn)的應(yīng)力值，而4號(hào)測(cè)點(diǎn)(彈條內(nèi)側(cè)圓弧)的應(yīng)力值最大，分別為1 623.8、1 612.8、1 641.2 MPa,達(dá)到了彈簧鋼的屈服強(qiáng)度，3號(hào)測(cè)點(diǎn)(彈條圓弧外側(cè))應(yīng)力值也偏大，分別為1 436.9、1 387.1、1 354.8 MPa，說明這兩處位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)荷載大于25 kN時(shí)，3、4測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值快速增大且增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于其他測(cè)點(diǎn)，在32.5 kN時(shí)已經(jīng)超過了彈條的極限抗拉強(qiáng)度，說明彈條已經(jīng)開始進(jìn)入塑性變形階段。因此，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以確定彈條內(nèi)側(cè)圓弧是彈條應(yīng)力最大、最易斷裂的位置且彈條的最佳安裝預(yù)壓力為25 kN。

2 W1型彈條疲勞性能試驗(yàn)

W1型彈條疲勞試驗(yàn)同樣在MTS810液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將CFBLZ型壓力傳感器和D020型位移傳感器分別放置在彈條前趾端和彈條中端圓弧下方并接入MTS810伺服液壓試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)采集壓力和位置變化的數(shù)值，如圖8所示。

圖8 傳感器實(shí)驗(yàn)裝置圖

由靜力試驗(yàn)得出彈條的最佳安裝預(yù)壓力為25 kN，這時(shí)彈條測(cè)點(diǎn)4的應(yīng)力值已超過1 600 MPa，達(dá)到彈簧鋼的屈服強(qiáng)度要求，彈條中端圓弧位移為14.1 mm，彈條扣壓力為9.2 kN，已達(dá)到WJ-7型扣件暫行技術(shù)說明的要求，說明彈條緊固件在25 kN預(yù)壓力下已達(dá)到正常工作所需的扣壓力，因此將25 kN設(shè)置為壓力荷載的平衡位置，疲勞試驗(yàn)采用正弦波作為加載波形，頻率為5 Hz，疲勞試驗(yàn)采用荷載位移控制，位移控制方式為使用MTS810伺服液壓試驗(yàn)機(jī)在W1型彈條上方施加荷載，以0.5 kN作為荷載步長(zhǎng)緩慢施加，荷載達(dá)到20 kN時(shí)記錄此時(shí)彈條中端圓弧的位移，然后繼續(xù)以0.5 kN的荷載步長(zhǎng)將荷載加載到25 kN時(shí)停止并記錄此時(shí)彈條中端圓弧的位移值，接著繼續(xù)加載荷載到30 kN并記錄此時(shí)彈條中端圓弧的位移值，將20、25和30 kN荷載作用下彈條中端圓弧產(chǎn)生的位移分別作為彈條的位移荷載的上值、中間值和下值，這就是彈條在(25±5)kN，即在循環(huán)荷載為5 kN作用下的位移荷載控制試驗(yàn)方式。同理，循環(huán)荷載為7.5 kN和10 kN的疲勞試驗(yàn)方式也一樣。

疲勞位移荷載幅值分別為5、7.5、10 kN，每種循環(huán)荷載下取3組試件，每組試件取3個(gè)彈條試樣進(jìn)行試驗(yàn)，共計(jì)9個(gè)彈條試樣，即每個(gè)位移荷載疲勞試驗(yàn)有3個(gè)彈條試件。在平均值為25 kN，循環(huán)荷載為5 kN時(shí)，循環(huán)荷載每循環(huán)10 000次作為采集步長(zhǎng)記錄此時(shí)彈條扣壓力和中端圓弧位移，7.5 kN和10 kN的采集步長(zhǎng)則為2 500次和1 000次。由于每個(gè)循環(huán)位移荷載試驗(yàn)下3個(gè)彈條中端圓弧位移和扣壓力變化差值較小，因此取3個(gè)彈條的試驗(yàn)平均值繪出彈條中端圓弧達(dá)到下值時(shí)彈條前趾端所具有的扣壓力、中端圓弧位移達(dá)到下值時(shí)與荷載循環(huán)次數(shù)的曲線如圖9所示。

圖9 W1型彈條扣壓力和中端圓弧位移與荷載循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

從圖9(a)中可以看出，彈條中端圓弧位移從最初的13.062 mm增至15.659 mm時(shí)彈條斷裂，扣壓力從12.771 kN降至8.671 kN時(shí)斷裂。在5 kN循環(huán)荷載作用下，W1型彈條大約能承受80萬次循環(huán)次數(shù)，疲勞壽命滿足扣件設(shè)計(jì)要求。

從圖9(b)中可以看出，7.5 kN循環(huán)荷載作用下，彈條前期和后期扣壓力下降較快，中期下降則比較緩和，扣壓力從12.27 kN降至8.352 kN時(shí)彈條斷裂，根據(jù)鐵道部公布的《各類扣件技術(shù)說明》，這時(shí)扣壓力已經(jīng)低于W1型彈條9 kN扣壓力的標(biāo)準(zhǔn)。彈條中端圓弧位移增長(zhǎng)速度也較5 kN循環(huán)荷載快，斷裂時(shí)位移增大至16.565 mm。

從圖9(c)中可以看出，循環(huán)荷載10 kN時(shí)，彈條中端圓弧位移開始階段快速上升，僅16 000次荷載循環(huán)，中端圓弧位移就從初始的15.01 mm增至16.002 mm，中間階段增長(zhǎng)平穩(wěn)，經(jīng)歷近4萬次荷載循環(huán)，也只從16.132 mm增加至17.174 mm，即1.042 mm的位移，但在后期彈條中端圓弧位移又快速變化，僅經(jīng)歷4 000次荷載循環(huán)，中端圓弧位移就從1.174 mm增至17.476 mm，說明此時(shí)彈條已經(jīng)達(dá)到疲勞極限。

2.1 彈條中端圓弧位移與扣壓力的關(guān)系

為表征在不同循環(huán)荷載作用下W1型彈條中端圓弧位移與扣壓力之間的關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制兩者的關(guān)系曲線并線性擬合，如圖10所示。

圖10 扣壓力與彈條中端圓弧位移關(guān)系和線性擬合曲線

從圖10可以看出，彈條中端圓弧位移與扣壓力呈反向關(guān)系，扣壓力越大，彈條中端圓弧位移越小，彈條的變形就越小越不易疲勞破壞。依據(jù)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出彈條中端圓弧位移X與扣壓力S之間的關(guān)系式，循環(huán)荷載10 kN時(shí)，擬合曲線關(guān)系式為X=-1.143S+27.855；7.5 kN時(shí)的擬合曲線為X=-0.682S+22.343；5 kN時(shí)的擬合曲線則是X=-0.534S+19.887。

3 結(jié)論

(1)通過靜力拉伸試驗(yàn)可以得到高速鐵路無砟軌道W1型彈條的屈服強(qiáng)度為1 600 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 900 MPa。

(2)通過應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)得出彈條內(nèi)側(cè)圓弧處應(yīng)力值最大，是最易斷裂的位置，并確定出25 kN是彈條的最佳安裝預(yù)壓力。

(3)在不同循環(huán)荷載作用下，彈條扣壓力受其影響較大。5 kN循環(huán)荷載作用下隨著循環(huán)次不斷增加，彈條中端圓弧位移逐漸增大，扣壓力不斷降低，大約82萬次荷載循環(huán)后彈條斷裂；在7.5 kN和10 kN荷載循環(huán)作用下，彈條扣壓力下降速度明顯，7.5 kN荷載循環(huán)作用下不到19萬次荷載循環(huán)彈條斷裂，相較5 kN的荷載循環(huán)，疲勞壽命下降77%，10 kN荷載循環(huán)作用下彈條僅7萬次就斷裂，疲勞壽命下降91.5%。

(4)由試驗(yàn)得出，在不同循環(huán)荷載作用下，扣壓力越大，中端圓弧位移越小，反之，扣壓力越小，中端圓弧位移越大，兩者呈反相關(guān)系。