高速鐵路彈條強(qiáng)度的試驗(yàn)分析與數(shù)值模擬

余劍 伍曾 黃新杰 張景坤

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 昆明 650500)

0 引言

近二十年隨著高速鐵路的快速發(fā)展和列車速度的不斷提高，對(duì)于高速鐵路無砟軌道扣件系統(tǒng)的要求也越來越高?？奂趯?shí)際工作時(shí)受力十分復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)WJ-7型扣件彈條的研究較少，韋凱等[1]對(duì)無咋軌道扣件墊板的溫變特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出扣件墊板低溫穩(wěn)定性差高溫穩(wěn)定性好的特性，并建議高速鐵路墊板使用低溫穩(wěn)定性良好的材料；羅曜波等[2]通過建立有限元模型對(duì)WJ-7型扣件在列車沖擊作用下進(jìn)行了動(dòng)力仿真模擬，得出扣件在不同沖擊作用下，扣件在彈條后趾部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象；伍曾等[3]對(duì)無砟軌道扣件在蠕變現(xiàn)象下扣壓力的損失進(jìn)行試驗(yàn)研究，將扣件安裝在室溫穩(wěn)定且無列車作用下的鋼軌下，發(fā)現(xiàn)扣件在蠕變作用下扣壓力下降約10%，說明蠕變現(xiàn)象在軌道工程中是不可忽視的；向俊等[4]使用ABAQUS有限元軟件分析了無砟軌道彈條斷裂原因是由于車輪磨耗增大了彈條與鐵墊板的擠壓，使彈條后趾端應(yīng)力值大幅提高導(dǎo)致彈條斷裂；張金[5]、余自若等[6]對(duì)扣件彈條的疲勞特性以及斷裂特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文通過MTS809電液伺服液壓試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)測(cè)出WJ-7型彈條在靜力荷載下的抗拉強(qiáng)度，通過應(yīng)變電測(cè)法測(cè)量出彈條各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力，最后通過ABAQUS有限元軟件建立扣件模型進(jìn)行數(shù)值分析驗(yàn)證其等效應(yīng)力分布是否與試驗(yàn)結(jié)果一致。試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析得出：彈條后端大圓弧為應(yīng)力最大處，也是彈條最易斷裂的部位，為鐵路扣件后期養(yǎng)護(hù)和研究提供參考。

1 60Si2MnA彈簧鋼靜力拉伸試驗(yàn)

本次靜力拉伸試驗(yàn)使用的原材料為60Si2MnA彈簧鋼，相較于傳統(tǒng)鋼材，它具有更好的強(qiáng)度、韌塑性，且容易加工，滿足彈條各項(xiàng)性格要求。由于彈條由復(fù)雜曲面構(gòu)成(見圖1)，直接對(duì)彈條進(jìn)行拉伸試驗(yàn)十分困難，為了便于試驗(yàn)，從彈條前趾端上截取一段進(jìn)行機(jī)械加工，加工后的材料其夾頭段長(zhǎng)度和直徑分別為60、40 mm，試驗(yàn)段直徑和長(zhǎng)度分別為10、25 mm，材料加工設(shè)計(jì)圖如圖2所示，材料實(shí)際加工圖如圖3所示。MTS809液壓試驗(yàn)機(jī)是由美國(guó)美德斯生產(chǎn)的一款具有拉伸、扭轉(zhuǎn)、裂紋擴(kuò)展、高頻、蠕變、疲勞等功能的試驗(yàn)機(jī)，用MTS809電液伺服液壓試驗(yàn)機(jī)上對(duì)機(jī)械加工后的彈條材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到1 900 MPa為其抗拉強(qiáng)度。

圖1 彈條結(jié)構(gòu)示意

圖2 材料加工設(shè)計(jì)(單位：mm)

圖3 材料實(shí)際加工

2 彈條應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)

彈條表面具有一層耐腐蝕性且絕緣性良好的涂料，試驗(yàn)時(shí)，如果直接將應(yīng)變片貼在彈條涂料上會(huì)使試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。另外，由于涂料是一種光滑的材料，應(yīng)變片也不易黏貼在涂料上，為了使試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)前需要對(duì)彈條測(cè)點(diǎn)進(jìn)行打磨。首先使用具有粗齒銼的銼刀對(duì)彈條測(cè)點(diǎn)上的涂料進(jìn)行打磨，將涂層打磨后使用細(xì)砂紙對(duì)露出的彈條金屬表面再進(jìn)行打磨。本次應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)采用每個(gè)應(yīng)變片角度相差45°的三軸應(yīng)變花，使用502膠水將應(yīng)變花黏貼于彈條的前趾端(測(cè)點(diǎn)1)、后外壁偏前趾端(測(cè)點(diǎn)2)、后端小圓弧外側(cè)(測(cè)點(diǎn)3)、后端大圓弧(測(cè)點(diǎn)4)、后端小圓弧內(nèi)側(cè)(測(cè)點(diǎn)5)、內(nèi)壁(測(cè)點(diǎn)6)這6處危險(xiǎn)點(diǎn)處，具體位置見圖4，各測(cè)點(diǎn)通過電路由應(yīng)變記錄儀記錄，記錄應(yīng)變片在不同荷載、不同方向(φa、φb、φc)上的線應(yīng)變?chǔ)臿、εb、εc。

圖4 應(yīng)變花黏貼部位及彈條部位名稱

通過電測(cè)片測(cè)出各測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向上的線應(yīng)變?chǔ)臿、εb、εc ，由方程組(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，再由方程組(2)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)線應(yīng)變?chǔ)?、ε2，然后通過方程組(3)算出測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力σ1、σ2，最后通過第四強(qiáng)度理論計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。

(1)

方程組(1)中：εx為x方向線應(yīng)變;εy為y方向線應(yīng)變;γxy為xy平面的剪應(yīng)變;φa、φb、φc為應(yīng)變片粘貼角度。其中，φa=90°，φb=45°，φc=0°。

(2)

方程組(2)中：ε1為最大主應(yīng)變;ε2為最小主應(yīng)變。

(3)

方程組(3)中：σ1為最大主應(yīng)力；σ2為最小主應(yīng)力；E為彈性模量；u為泊松比。

彈條的材料為彈簧鋼，故本文采用偏安全的第四強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算，各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力計(jì)算公式如下：

(4)

試驗(yàn)時(shí)從0 kN開始加載，以2.5 kN為加載梯度，加載至32.5 kN結(jié)束，為了測(cè)出彈條的最佳預(yù)緊扣壓力和不同扣壓力下彈條的等效應(yīng)力，記錄從12.5 kN到32.5 kN的9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在MTS809液壓試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行彈條應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)，應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 彈條應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)

MTS809伺服液壓試驗(yàn)機(jī)在12.5～32.5 kN不同扣壓力下各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力值記錄如表1所示。

表1 不同安裝預(yù)緊力下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出隨著扣壓力增加，彈條各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力也逐漸增加，兩者近似線性關(guān)系，當(dāng)扣壓力為25 kN時(shí)，彈條后端大圓弧(測(cè)點(diǎn)4)處應(yīng)力值達(dá)到1 589.8 MPa，接近彈條的屈服強(qiáng)度，但也在安全范圍內(nèi)，彈條后端小圓弧外側(cè)(測(cè)點(diǎn)3)、彈條后端小圓弧內(nèi)側(cè)(測(cè)點(diǎn)5)的應(yīng)力分別為1 436.9 MPa、1 004.65 MPa，兩者的應(yīng)力值也較大，接近屈服強(qiáng)度，可以認(rèn)為測(cè)點(diǎn)4處是彈條最危險(xiǎn)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)5是較危險(xiǎn)點(diǎn)，25 kN荷載作用下時(shí)彈條中圈與彈條前趾端處于水平位置，即彈條與絕緣塊處于同一位置；當(dāng)扣壓力加載到30 kN時(shí)，測(cè)點(diǎn)3處的應(yīng)力已超過彈條的抗拉強(qiáng)度，說明彈條的最佳安裝扣壓力是25 kN。

3 有限元模擬

ABAQUS是美國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的一款工程有限元軟件，是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行力學(xué)計(jì)算常用的一款有限元軟件。根據(jù)鐵道科學(xué)研究院公布的扣件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在ABAQUS有限元軟件中建立詳細(xì)的三維WJ-7型扣件各部位模型，然后將各個(gè)部件裝配成整體。完整WJ-7型扣件模型見圖6。

圖6 彈條模型

為了得到彈條真實(shí)的受力情況，將鐵墊板、橡膠絕緣塊完全固定，在平墊圈(螺栓)上施加換算后的壓強(qiáng)。由應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)可以看出,在22.5 kN、25 kN扣壓力下，接近彈條的屈服強(qiáng)度，在30 kN扣壓力作用下等效應(yīng)力超過彈條的抗拉強(qiáng)度。使用ABAQUS有限元軟件計(jì)算22.5、25、30 kN 3種扣壓力下彈條的等效應(yīng)力分布狀況。

由數(shù)值模擬計(jì)算可知，22.5、25、30 kN這3種扣壓力下彈條的最大等效應(yīng)力值分別為1 250、1 371、1 549 MPa，其應(yīng)力最大值與應(yīng)變電測(cè)試驗(yàn)結(jié)果一樣，都是出現(xiàn)在彈條后端大圓弧處，且應(yīng)力分布規(guī)律與應(yīng)變電測(cè)法測(cè)出的應(yīng)力分布情況基本一致，說明模擬結(jié)果正確。數(shù)值模擬的結(jié)果較試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力有所降低，是因?yàn)槟Ｐ褪窃诶硐氲臓顟B(tài)下進(jìn)行數(shù)值分析的，而實(shí)際試驗(yàn)時(shí)彈條會(huì)受到很多外界因素影響。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)彈條進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，可以得出WJ-7型扣件彈條的抗拉強(qiáng)度為1 900 MPa。

(2)不同荷載作用下，應(yīng)變電測(cè)和ABAQUS有限元模擬得出彈條的應(yīng)力分布基本一致,且最大應(yīng)力均在彈條后端大圓弧處。

(3)試驗(yàn)得出，當(dāng)扣壓力為25 kN時(shí)，是彈條的最佳安裝扣壓力；當(dāng)扣壓力超過30 kN時(shí)，彈條后端大圓弧應(yīng)力超出彈條抗拉強(qiáng)度。