黃旭升，王時越,2，伍 曾，李波最,3，劉國壽，吳潔好

(1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防災重點實驗室，云南 昆明 650500；3.昆明市建設工程質量檢測中心，云南 昆明 650200)

隨著我國高速鐵路持續(xù)快速發(fā)展，對配套的扣件系統(tǒng)也提出了更高的要求。扣件彈條在工作狀態(tài)下承受拉壓、彎曲、扭轉和剪切的作用，受力狀態(tài)較為復雜。目前國內外許多學者對彈條做了相關研究，大多集中在以下幾個方面：①通過有限元模擬在不同扣壓量、壓緊位移和扣壓力下對彈條進行靜力分析[1-2]；②動載作用下彈條的動力特性分析和疲勞性能研究[3]；③彈條的斷裂分析與優(yōu)化設計[4]。但是，對WJ-7型無砟軌道扣件彈條研究的文獻較少。伍曾等[5]對WJ-7型扣件扣壓力損失的室溫蠕變進行了試驗研究。羅曜波等[6]對WJ-7型扣件彈條在軌道荷載下的動力響應做了有限元模擬。目前，對該彈條的力學性能分析多以標準GB/T 1222—2016《彈簧鋼》中原材料的參數為準[7]，還沒有關于該彈條成型后的材料機械性能和在不同扣壓力下應力分布的相關文獻。本文以WJ-7型扣件彈條為研究對象，通過拉伸試驗得到成型后彈條材料的抗拉強度，并采用應變電測和有限元模擬相結合的方法，得到扣件在不同扣壓力下的應力分布。

1 材料性能試驗

WJ-7型扣件彈條的原材料為60Si2MnA彈簧鋼，生產工藝流程為：剪切下料→感應加熱→三道成型→余溫淬火→回火→預壓→拋丸→靜電噴粉防腐→包裝[8]。經過多道工序加工，彈條的各種性能相比原材料得到大幅度提升。為了得到彈條實際的力學性能，首先進行材料試驗，從圖1所示的彈條內臂截取平直段，加工為圖2所示試樣，在MTS810試驗機上進行靜載拉伸試驗，得到彈條的抗拉強度為 1 900 MPa。

圖1 彈條示意

圖2 彈條材料試樣(單位：mm)

2 數值模擬

在實際工作中，彈條與螺栓、鐵墊板和絕緣塊之間有著較為復雜的作用。為了模擬扣件實際的工作狀態(tài)，采用MIDAS軟件建立包括螺栓、墊板和絕緣塊的扣件計算模型。扣件模型材料屬性見表1。

表1 扣件模型材料屬性

為了準確得到彈條的受力狀態(tài)，約束絕緣塊和鐵墊板(x,y,z)3個方向的位移，約束螺栓(x,y)2個方向的位移，約束彈條趾端下部的(x,y)2個方向的位移，約束彈條跟端z方向的位移。通過在螺栓上部施加均布載荷，分別模擬扣壓力為8，10，12 kN時彈條受力情況，等效應力分布結果見圖3?？芍煌蹓毫ο碌刃Φ姆植家?guī)律相同，最大等效應力出現在彈條跟端，在12 kN的扣壓力作用下，彈條跟端等效應力約為 2 100 MPa。

圖3 不同扣壓力時等效應力分布(單位：MPa)

3 等效應力測試

3.1 應變電測方案及測試原理

彈條在工作狀態(tài)下應力較大的點集中在弧度變化比較明顯的位置和接觸點，有限元數值模擬結果顯示彈條跟端及其附近等效應力最大，故選取彈條跟端及其他弧度變化明顯位置作為測點。本試驗采用粘貼三軸式應變計，應變片型號為BE120-1CA。測點位置如圖4所示。

圖4 測點位置

在不同扣壓力下，可以測得應變片在45°,0°和-45° 這3個方向的應變，通過下式可求出該點的主應力[9]。

(1)

式中：σ1,2為主應力；E為彈性模量；μ為泊松比；εi-45,εi-0,εi-(-45)分別為應變片3個方向的應變。

彈條的材料為彈簧鋼。文獻[10]對彈條等效應力的選擇做了研究，認為彈條工作時可近似看作兩向應力狀態(tài)，畸變能理論最適合作為彈條檢算的強度理論。由下式可以得到各測點的等效應力[11]σ為

(2)

3.2 測試結果

分別在8，10，12 kN扣壓力下測出各測點的等效應力，結果見表2?？芍?，不同扣壓力下最大等效應力均出現在4#測點彈條跟端。當扣壓力為12 kN時，最大等效應力為 1 942 MPa，超過彈條材料的抗拉強度。

表2 不同扣壓力下彈條各測點等效應力 MPa

4 結果分析

根據材料拉伸試驗結果，測得成型后彈條實際抗拉強度為 1 900 MPa，遠高于標準GB/T 1222—2016中對特定尺寸棒材熱處理工藝下60Si2MnA彈簧鋼的抗拉強度 1 570 MPa。這是由于處理工藝的不同會對材料最終的強度產生直接影響。從表2測試結果可以看出，不同扣壓力下等效應力的分布規(guī)律一致，最大等效應力都出現在4#測點(彈條跟端)，在12 kN扣壓力下的最大等效應力為 1 942 MPa，超過材料的抗拉強度，但未破壞。由于彈條工作時最大等效應力在彈條的表面，彈條跟端附近表面應力超過屈服極限，產生塑性變形，局部表層出現微小塑性區(qū)。但材料屈服不會造成彈條斷裂，并且由于彈條的應變硬化現象，進入塑性階段的材料屈服極限增大，強度提高[10]。有限元數值模擬的等效應力分布規(guī)律和測試結果相同，最大等效應力位置均出現在彈條跟端，但是整體應力水平比測試結果偏高，主要原因是彈條在經過熱處理工藝之后，還會進行預壓和拋丸。預壓[12]工序的增加會帶來變形強化，產生反向應力，提高其屈服點和變形抗力。而拋丸是以高速彈丸流噴射彈條表面，使表面發(fā)生塑性變形，形成一定厚度的表面強化層，產生較高的壓應力，彈條受荷載后可以抵消部分的拉應力，能夠很大程度上改善彈條的受力性能[8]。因此，實測結果等效應力水平較數值模擬低，可以更好地反映彈條實際的受力狀態(tài)。

5 結論

1)經過熱加工多道工序后的彈條，其材料力學性能有了大幅提高，抗拉強度為 1 900 MPa。

2)有限元模擬和應變電測結果顯示，在不同扣壓力作用下，彈條最大等效應力位置出現在彈條跟端，且在扣壓力為12 kN時，彈條跟端等效應力超過彈條的抗拉強度。

3)經過預壓和拋丸工序，彈條表面產生塑性變形，提高了彈條的強度和抗變形能力。