WJ-7型扣件彈條試驗及疲勞性能研究

肖洪秀 張景坤 黃新杰

(昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500)

0 引言

WJ-7型扣件符合我國鋪設的無擋肩無砟軌道技術要求和客運專線的相關規(guī)定，在高速鐵路中運用較多。完整的扣件系統(tǒng)對軌道的可靠性和穩(wěn)定性起著重要作用，行車過程中要求有足夠的扣壓力、一定程度的彈性變形、鐵墊塊的正確安裝等。其中，彈條在系統(tǒng)中通過自身彈性將鋼軌和其他基礎扣件聯(lián)結在一起，應用自身的彈性變形抵抗外部的應力并起到減震緩沖的作用，其有效壽命影響著整個扣件的使用周期。

針對彈條斷裂問題，眾多學者以WJ-7型扣件為試驗對象研究彈條的疲勞機理。吳潔好等[1]對WJ-7型扣件系統(tǒng)中的彈條施加不同幅值荷載，分析彈條的疲勞性能，運用可靠性法繪制出P-F-N曲線，發(fā)現(xiàn)隨著荷載的循環(huán)次數(shù)增多，扣壓力減小。黃旭升等[2]通過拉伸試驗分析WJ-7型扣件的抗拉強度，并與建模結果對比得出，在不同的扣壓力下，均在彈條跟端處產生最大扣壓力，當扣壓力值為12 kN時，彈條后端彎折處等效應力超過自身抗拉強度。黃新杰等[3]通過對WJ-7型扣件彈條進行靜力試驗分析，采用應變電測法測出彈條的危險部位在不同預緊力下的等效應力，再通過疲勞試驗機施加不同的循環(huán)荷載，分析彈條扣壓力的變化,得出中圈位移與扣壓力的關系。余自若等[4]研究X2型彈條在動載作用下的疲勞性能，分析在鋼軌存在橫向力時不同扣壓力下的荷載頻率對彈條疲勞性能的影響。吳海駿等[5]通過e型彈條疲勞試驗得出扣壓力下降對鋼軌的不利影響，并建議加載前可先對彈條施加預加載以降低彈條后期使用變形。本文通過試驗研究WJ-7型彈條的疲勞性能，分析扣件在循環(huán)荷載下的特性。

1 彈條扣件疲勞破壞

彈條的疲勞壽命最高次數(shù)可達幾百萬次，而實際運行中的彈條一般在尚未達到設計疲勞壽命就發(fā)生破壞，造成扣壓力降低，對行車安全造成極大隱患。本文通過研究WJ-7型扣件彈條的疲勞性能，研究彈條扣壓力和中圈位移與疲勞次數(shù)的關系來分析WJ-7型扣件的疲勞性能。疲勞試驗采用恒幅加載，在應力最大值σmax和最小值σmin之間循環(huán)加載，σmax和σmin的比值為應力比R，σmax和σmin的差值為應力幅△σ，應力幅值σa為△σ的1/2，σmax和σmin的平均值為平均應力值σm，應力幅值和平均應力值之比為應力幅比A[6]。

(1)

在特定的應力比條件下，構件在最大應力值處，經過N次應力循環(huán)后彈條斷裂，N表示彈條的疲勞壽命。試件的應力循環(huán)越高，疲勞壽命越短；試件的應力循環(huán)越低，疲勞壽命越長。

試驗采用MTS810伺服液壓系統(tǒng)對WJ-7型扣件彈條施加25 kN的螺栓扣壓力，如圖1所示。在壓力控制下，以加載25 kN荷載的位置為初始位置；在位移控制下，以25 kN荷載的彈條中圈位移為平衡位置。試驗將荷載頻率設置為5 Hz,疲勞荷載分別為32.5、35、37.5 kN等3個應力等級。試驗前先預加載10 kN荷載，再通過數(shù)據(jù)采集傳感器檢測彈條的安裝狀態(tài)，待各項指數(shù)正常后緩慢卸載。數(shù)據(jù)采集采用Chl測量位移，Input傳感器測量壓力。

2 壓力荷載為37.5 kN與其對應的位移幅值控制下的試驗結果

在壓力荷載控制下，對WJ-7型彈條施加32.5、35、37.5 kN等3種壓應力幅值的荷載，每種幅值取3個彈條進行試驗。試驗以25 kN荷載為平衡位置，篩選3種壓應力幅值下的數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)在壓應力為37.5 kN時，3個試件彈條中圈位移和左、右前趾端扣壓力數(shù)值較為清晰。將在37.5 kN的循環(huán)荷載下測出的數(shù)據(jù)按每3 000次記錄一次。

在荷載對應的位移幅值控制下，對WJ-7型彈條施加循環(huán)荷載，荷載為12.5 kN時記下中圈位移下限值；然后以2.5 kN的步長對彈條進行加載，加載到壓力為25 kN時記為位移荷載的中值；繼續(xù)加壓到荷載為37.5 kN時記下中圈位移上限值，限值即為位移控制值。每種壓力幅值對應的位移幅值取3個彈條進行試驗，選取最具有代表性的數(shù)據(jù)進行分析，循環(huán)周期步長取3 000。彈條在37.5 kN荷載與其對應的位移幅值控制下，彈條中圈位移和扣壓力總和變化如圖2所示。

圖1 MTS810伺服液壓系統(tǒng)

圖2 37.5 kN荷載與其對應的位移幅值控制下彈條中圈位移和扣壓力變化

由圖2可知，扣壓力在試驗初期迅速降低，中間階段趨于平緩，最后迅速降低；中圈位移在初期和中期變化與扣壓力相似，初期上升較快，中期趨于平緩，最后曲折上升。彈條中圈位移和扣壓力的曲線皆呈階梯狀，這是由于在循環(huán)荷載下，彈條產生了階段性的塑性變形，當塑性變形較大時，彈條中圈位移和扣壓力值也變化較大；在變形較小的時間段內，扣壓力值變化較小。試驗開始時，扣壓力值為10.643 kN,與正?？蹓毫ο啾纫呀洔p小很多，在循環(huán)荷載作用下，彈條扣壓力逐漸減小，最后為8.137 kN，與WJ-7型扣件的正?？蹓毫Α? kN相比，其彈條已逐漸失效。而在試驗開始階段，彈條的中圈位移就已經達到16.532 mm,與彈條在25 kN荷載下達到平衡的位移13 mm相比已經增加3.532 mm。查閱文獻可知，彈條在荷載壓力為35 kN時已發(fā)生塑性變形，扣壓力開始損失，所以當荷載達到37.5 kN時，塑性變形持續(xù)增加，此時試驗進行到最終階段，彈條即將失效[7]。比較荷載與其對應的位移幅值控制情況，37.5 kN荷載對應的位移幅值控制下的疲勞壽命比37.5 kN荷載控制下的短，是因為用位移控制時，荷載超過25 kN后彈條產生了塑性變形，在高應力狀態(tài)下，彈條疲勞壽命驟減。從扣壓力來看，彈條扣壓力從10.24 kN下降到8.22 kN，下降了2.02 kN，最終合力小于規(guī)定值9 kN，彈條已接近失效。

指數(shù)擬合可預測試件的狀態(tài)和未來發(fā)展趨勢，對扣件的壽命分析研究具有指導意義。對圖2中的折線進行處理，37.5 kN荷載控制下，彈條中圈位移和荷載循環(huán)次數(shù)用指數(shù)擬合為

(2)

由式(2)可知，隨著荷載循環(huán)次數(shù)無限增大，彈條將失效，彈條的中圈位移接近17.8 mm。

37.5 kN荷載控制下，彈條扣壓力變化和荷載循環(huán)次數(shù)用指數(shù)擬合為

(3)

由式(3)可知，隨著荷載循環(huán)次數(shù)無限增大，彈條將失效，彈條的扣壓力總和接近9.3 kN。

37.5 kN荷載對應的位移幅值控制下，彈條中圈位移與荷載循環(huán)次數(shù)用指數(shù)擬合為

(4)

由式(4)可知，隨著荷載循環(huán)次數(shù)無限增大，彈條將失效，彈條的中圈位移接近18.3 mm。

37.5 kN荷載對應的位移幅值控制下，扣壓力總和與荷載循環(huán)次數(shù)用指數(shù)擬合為

(5)

由式(5)可知，隨著荷載循環(huán)次數(shù)無限增大，彈條將失效，彈條的扣壓力總和接近9.2 kN。

彈條在37.5 kN荷載與其對應的位移幅值控制下，彈條左、右兩邊前趾端位移變化如圖3所示。可以看出，在37.5 kN荷載對應的位移幅值控制下的彈條左、右兩邊前趾端位移數(shù)值與荷載控制下的相比，達到約4 mm位移數(shù)值時荷載循環(huán)次數(shù)減少了近1/2。

圖3 37.5 kN荷載與相對應的位移幅值控制下彈條左、右兩邊前趾端位移變化

線性擬合能將數(shù)據(jù)點最佳逼近，符合線性規(guī)律，反映變量與應變量之間的關系變化，可預測試件的狀態(tài)和變化趨勢，對扣件的壽命分析研究具有參考意義。對圖3中的折線進行處理，37.5 kN荷載控制下，彈條左邊前趾端位移變化用線性擬合為

Y=5.011 55-2.580 04×10-5X，R2=0.964 37

(6)

由式(6)可知，在荷載循環(huán)次數(shù)增大時，扣件彈條左邊前趾端位移從4.988 mm降至3.945 mm，減少1.043 mm。

37.5 kN荷載對應的位移幅值控制下，彈條左邊前趾端位移變化用線性擬合為

Y=5.094 64-5.687 62×10-5X，R2=0.976 55

(7)

由式(7)可知，扣件彈條左邊前趾端位移從4.865 mm降至4 mm，減少0.865 mm。

37.5 kN荷載控制下，彈條右邊前趾端位移變化用線性擬合為

Y=5.227 36-2.487 18×10-5X，R2=0.969 44

(8)

由式(8)可知，扣件彈條的中圈位移減少1.225 mm。

37.5 kN荷載對應的位移幅值控制下，彈條右邊前趾端位移變化用線性擬合為

Y=5.182 85-5.797 14×10-5X，R2=0.973 23

(9)

由式(9)可知，扣件彈條的中圈位移減少1.022 mm。

對比得知，彈條左、右兩邊前趾端位移變化幅度接近，約1 mm，且彈條左邊前趾端的位移值減少量相對略少。隨著荷載循環(huán)次數(shù)逐漸增加，彈條左、右兩邊前趾端位移呈線性關系逐漸減小，彈條將失效。

3 37.5 kN荷載下的彈條受力理論模擬分析

在37.5 kN荷載控制下，彈條受到的最大應力為1 866 MPa,模型如圖4所示。可以看出，彈條后端大圓弧內側所受應力較大，此處最先發(fā)生破壞；其次是彈條后端左右兩側，應力在1 555～1 710 MPa;而彈條左、右兩邊前趾端壓力在5～155 kN，與試驗開始時的靜壓力相對應。

圖4 37.5 kN荷載下彈條受力模型

4 結論

試驗采用壓力控制法和位移控制法兩種試驗方法。壓力控制法通過疲勞試驗機在不同疲勞試驗荷載下測出彈條雙肢位移、中圈位移和扣壓力的總和，利用圖表對數(shù)據(jù)進行處理。位移控制法以25 kN的荷載為平衡位置，篩選出彈條雙肢位移、中圈位移和扣壓力的總和，得出中圈位移和扣壓力的總和隨荷載循環(huán)次數(shù)變化的指數(shù)函數(shù)，再利用指數(shù)擬合得出彈條中圈位移和扣壓力與荷載循環(huán)次數(shù)的關系式。

(1)37.5 kN荷載控制下，試樣壽命較短，在試驗開始階段彈條扣壓力相對較低，中圈位移相對較大，彈條在較大壓力下已經產生塑性變形，在較大荷載的長時間作用下彈條扣壓力小于正?？蹓毫χ? kN，中圈位移接近位移上限，彈條失效。

(2)37.5 kN荷載對應的位移幅值控制下，彈條整體變化情況與壓力控制下相似，但由于位移控制彈條會產生部分塑性變形，疲勞壽命相對較短，彈條一般達不到設計壽命年限。

(3)彈條的扣壓力減小到扣件即將失效時和中圈位移增加到即將失效時，荷載對應的位移幅值控制下的荷載循環(huán)次數(shù)約為荷載控制下的1/2。

(4)兩種試驗結果相比較，彈條中圈位移和扣壓力均呈階梯狀變化，因為彈條在受力時產生階段性的塑性變形，扣壓力和中圈位移在較大力的作用下變化較大，在較小力的作用下變化較小，在最大壓力和最小壓力變化范圍內，用壓力控制的范圍比用位移控制的范圍變化大。