黃新杰 伍曾 張景坤

（昆明理工大學建筑工程學院，昆明 650504）

隨著我國高速鐵路運營里程的增加，軌道結構因扣件疲勞磨損而導致維修及更換的問題日益突出，而彈條又是整個軌道結構中養(yǎng)護及更換最頻繁的部件，彈條的疲勞磨損對扣件的服役壽命起著主導作用。近些年來，對于彈條的研究逐漸增多，文獻［1］對室溫下的蠕變對扣壓力的影響進行了研究，文獻［2-3］對彈條的動力響應進行了研究，文獻［4］對彈條的強度進行了研究，文獻［5-6］針對e型彈條的應力變化及設計進行了研究，文獻［7-8］對彈條的疲勞特性以及斷裂特征進行了研究。以往文獻多集中于彈條的動力性能、力學特性的分析，但是彈條的疲勞對彈條扣壓力的影響研究相對較少。本文以WJ-7 型扣件彈條為例，采用疲勞試驗機對彈條在循環(huán)荷載作用下的扣壓力損失進行研究。

1 彈條試驗

1.1 靜力試驗

為了研究彈條的疲勞性能，需先對其進行靜力試驗，確定其應力狀態(tài)。靜力試驗在MTS809 伺服液壓試驗機上完成。進行靜力試驗時采用應變電測法測量彈條在受力過程中的可能危險點以及最大應力產生位置的應變。

應變花粘貼于彈條的后端大圓弧、彈條內臂和外臂處，具體位置見圖1。將各測點通過電路接入到應變記錄儀當中，施加不同的荷載并記錄應變片在0°，45°，90° 3 個方向上的線應變 εα1，εα2，εα3，以計算出測點的主應力及主應變。

圖1 彈條各部位名稱及應變花粘貼位置

x，y軸方向上的線應變εx，εy以及剪應變γxy的計算公式為

式中：α1，α2，α3分別取0°，45°，90°。

主應變εmax，εmin的計算公式為

式中：εmax，εmin分別為最大和最小主應變。

主應力σ1，σ2的計算公式為

式中：σ1，σ2分別為最大和最小主應力；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度理論來計算各測點的等效應力。第三強度理論等效應力σr3的計算公式為

試驗時以2.5 kN 為加載幅度，從0 加載至30 kN，數據記錄是從20 kN 開始記錄到30 kN。靜力試驗裝置如圖2所示。

圖2 靜力試驗裝置

靜力試驗所測數據見表1。WJ-7型扣件彈條所用的60Si2MnA 彈簧鋼的屈服強度大致在1 600 MPa 左右，抗拉極限強度則在1 900 MPa左右。

表1 不同安裝預緊力下各測點應力

由表1可以看出，在不同的安裝預緊力下，彈條均在測點3產生了最大應力，在測點2和測點4也有較大應力產生，由此可以推斷出彈條測點3最危險，測點2、測點4較危險。測點3在20.0，22.5 kN 荷載下所測得的材料等效應力分別為1 300.8，1 465.6 MPa，均小于材料的屈服強度；在25 kN 安裝預緊力作用下彈條的等效應力為1 578.5 MPa，接近材料的屈服強度但未超出，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 安裝預緊力作用下材料的等效應力達到了1 793.5，1 925.2 MPa，均已超過材料的屈服強度甚至達到了材料的抗拉極限強度，由此可以看出彈條的最佳安裝狀態(tài)為螺栓對彈條產生25 kN的壓力。

1.2 疲勞試驗

疲勞試驗時采用正弦波循環(huán)荷載，試驗頻率為3 Hz。根據靜力試驗得出彈條的合理安裝預緊力為25 kN，即螺栓安裝完成產生25 kN 的壓力，則將25 kN設置為正弦波荷載的平衡值。疲勞試驗裝置如圖3所示。

圖3 疲勞試驗裝置

在3 kN 的循環(huán)荷載作用下超過500 萬次循環(huán)彈條未產生破壞，在5 kN 循環(huán)荷載作用下超過150 萬次循環(huán)彈條未產生破壞。為了能有效分析彈條疲勞對其扣壓力及中圈位移的影響，將循環(huán)荷載設置為7.5，10.0，12.5 kN，即加載幅值為合理安裝預緊力的30%，40%，50%。試驗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 時數據采集間隔為500 周，而循環(huán)荷載為10.0，7.5 kN 時數據采集間隔為200 周，篩選出彈條在25 kN 平衡位置的數據。由于疲勞試驗的數據離散性較大，所以在每個循環(huán)荷載下選取3 個彈條進行試驗，并取3次試驗的數據進行擬合，從而觀察循環(huán)次數對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)次數的變化曲線見圖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 降至斷裂時的8.51 kN，中圈位移從最初的16.22 mm 增至斷裂時的18.65 mm。彈條的中圈位移和彈條扣壓力曲線在開始階段變化幅度較為劇烈，說明彈條產生了較大的塑性變形，對彈條彈程以及扣壓力產生較大影響。彈條扣壓力一開始就已經有所損耗這是由于循環(huán)荷載較大所致。到試驗中期彈條扣壓力和中圈位移曲線逐漸變緩，這是因為隨著循環(huán)次數增加，彈條塑性變形逐漸減小。在試驗結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折，說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)荷載作用下試驗開始時扣壓力損耗很多，試驗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 降至最終斷裂時的8.47 kN，中圈位移從最初的15.02 mm增至斷裂時的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)次數已經接近9 萬次，疲勞壽命顯著增加。彈條扣壓力從最初的12.35 kN 降至斷裂時的8.5 kN，中圈位移從最初的13.9 mm 增至斷裂時的16.5 mm。

2 彈條的扣壓力與中圈位移的關系

彈條在疲勞試驗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系，依據疲勞試驗結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系曲線，見圖5?？芍簭棗l扣壓力與中圈位移近似呈線性關系，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系曲線

依據圖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 結論

1）通過靜力試驗得出彈條的合理安裝預緊力為25 kN，彈條最危險區(qū)域出現于彈條后端大圓弧處。

2）在循環(huán)荷載作用下彈條疲勞對扣壓力有較大影響。在12.5，10 kN 循環(huán)荷載作用下彈條疲勞壽命較低，試驗前期扣壓力有較大的變化，隨著循環(huán)次數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系。