張松琦 張遠(yuǎn)慶 汝繼來 于毫勇 呂明奎

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206）

對(duì)于無砟軌道，扣件系統(tǒng)不僅要聯(lián)結(jié)鋼軌和支撐結(jié)構(gòu)，還要為軌道提供彈性，起到調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)、固定鋼軌等作用。彈條為扣件系統(tǒng)提供必要的扣壓力，是扣件系統(tǒng)的主要部件［1］。彈條斷裂可造成扣件系統(tǒng)失效，加快軌道和車輛零部件的磨損，危及行車安全。對(duì)DI彈條現(xiàn)場(chǎng)使用情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，斷裂部位主要有正常和非正常2種，見圖1。圖1（a）中，斷裂發(fā)生在尾部圓弧處，為DI彈條的最大受力部位，屬正常部位疲勞斷裂；圖1（b）中，斷裂發(fā)生在中肢與尾部圓弧過渡區(qū)域，屬非正常部位斷裂。

圖1 DI彈條斷裂部位

文獻(xiàn)［2］研究了在正常部位斷裂的Ⅲ型彈條，認(rèn)為其斷裂由防腐處理前的銹蝕凹坑所致。文獻(xiàn)［3］通過數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)Ⅲ型彈條最大應(yīng)力發(fā)生在尾部圓弧處。文獻(xiàn)［4］提出對(duì)彈條尾部圓弧的強(qiáng)化方案。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為后拱內(nèi)側(cè)與鐵墊板支座之間的距離過小導(dǎo)致后拱內(nèi)側(cè)接近中肢處應(yīng)力集中，造成DI彈條斷裂。文獻(xiàn)［6］采用有限元法分析了地鐵Ⅲ型扣件彈條與鐵墊板的接觸應(yīng)力，提出降低鐵墊板孔端圓角半徑的優(yōu)化措施。文獻(xiàn)［7］通過建立有限元模型，分析彈條扣壓力不足及彈條斷裂原因，并從生產(chǎn)工藝角度提出彈條優(yōu)化方案。文獻(xiàn)［8］研究了小半徑曲線地段非正常部位斷裂的地鐵DTVI2型扣件彈條，認(rèn)為鋼軌波磨導(dǎo)致的軌道振動(dòng)加劇及扣件安裝不合理是其斷裂的主要原因。文獻(xiàn)［9］采用有限元法分析了地鐵扣件Ⅲ型彈條的最大等效應(yīng)力位置，發(fā)現(xiàn)彈條與鐵墊板端部發(fā)生擠壓產(chǎn)生應(yīng)力集中時(shí)，數(shù)值仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)彈條斷裂部位吻合，其對(duì)比見圖2。

圖2 數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)彈條斷裂部位對(duì)比

既往研究多是利用有限元模型對(duì)扣件彈條及其與鐵墊板接觸部位進(jìn)行受力分析和工藝優(yōu)化，未見改進(jìn)彈條結(jié)構(gòu)的研究。為避免因接觸產(chǎn)生的疲勞斷裂，本文提出了彈條結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案并申請(qǐng)了專利《e型彈條及其制備方法》（專利號(hào)：ZL201810079471.4），為DI彈條或其他e型彈條的設(shè)計(jì)、安裝及后期養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

1 DI彈條結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

DI彈條在Ⅲ型扣件彈條基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，與Ⅲ型彈條結(jié)構(gòu)形式基本一致，尺寸上略有改動(dòng)［10］。

扣件系統(tǒng)安裝如圖3所示，由DI彈條、鐵墊板、軌距墊、橡膠墊板、螺旋道釘?shù)冉M成。

圖3 扣件系統(tǒng)安裝示意

1.1 DI彈條非正常斷裂部位

現(xiàn)場(chǎng)安裝DI彈條時(shí)，要求尾部圓弧內(nèi)側(cè)與安裝孔端部的安裝距離D為8～10 mm，如圖4所示。

圖4 彈條安裝距離示意

受扭轉(zhuǎn)和彎曲作用，DI彈條尾部圓弧處為最大受力區(qū)域，屬于正常斷裂部位。但現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)彈條斷裂時(shí)常發(fā)生在彈條與鐵墊板安裝孔接觸部位（參見圖1（b）），斷裂處有明顯的擠壓、摩擦痕跡。

分析發(fā)現(xiàn)，由于DI彈條的空間結(jié)構(gòu)、沖壓成型等原因，有些彈條中肢與尾部圓弧過渡區(qū)域偏長(zhǎng)，安裝時(shí)彈條在該區(qū)域與鐵墊板安裝孔發(fā)生接觸（圖5），接觸區(qū)域發(fā)生擠壓、摩擦，致使彈條產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生非正常部位的早期疲勞斷裂。

圖5 彈條與鐵墊板安裝孔接觸

1.2 DI彈條結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

為解決DI彈條與鐵墊板安裝孔接觸引發(fā)的非正常部位斷裂問題，引入優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)，對(duì)DI彈條的中肢與尾部圓弧過渡區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化前后DI彈條與鐵墊板安裝孔接觸方式對(duì)比見圖6。優(yōu)化前，彈條與安裝孔端部呈線接觸，容易發(fā)生應(yīng)力集中；優(yōu)化后，由于“凹面”結(jié)構(gòu)的存在，彈條與安裝孔端部的接觸方式變?yōu)槊娼佑|，增加了接觸面積，降低了應(yīng)力。

圖6 優(yōu)化前后DI彈條與鐵墊板安裝孔接觸方式對(duì)比

2 產(chǎn)品試制

DI彈條原材料為直徑（18±0.25）mm的60Si2Mn熱軋彈簧鋼，其化學(xué)成分、力學(xué)性能及尺寸精度均滿足GB/T 1222—2016《彈簧鋼》［11］要求。生產(chǎn)工藝流程為：合格原料→切定尺→上料→中頻加熱→沖壓成型→淬火→回火→防腐。

為實(shí)現(xiàn)彈條的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在沖壓成型階段對(duì)模具成型尺寸進(jìn)行微調(diào)，使彈條在中肢與尾部圓弧過渡區(qū)域產(chǎn)生“凹面”。為使優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮作用，其面積應(yīng)覆蓋DI彈條與鐵墊板安裝孔發(fā)生接觸的區(qū)域，且深度不宜過大，以免影響彈條的力學(xué)性能。本方案中，優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)兩端距離圓弧內(nèi)側(cè)分別為5，15 mm，深1 mm。帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的DI彈條見圖7。

圖7 帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的DI彈條（單位：mm）

3 性能驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于DI彈條優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)是通過微調(diào)模具成型尺寸形成的，僅需對(duì)與“凹面”結(jié)構(gòu)相關(guān)的扣壓力和疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。將帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的DI彈條放入如圖8所示的試驗(yàn)工裝，保證尾部圓弧內(nèi)側(cè)與安裝孔端部的安裝距離D為8～10 mm。

圖8 扣壓力加載試驗(yàn)工裝

3.1.1 扣壓力檢測(cè)

通過加載設(shè)備持續(xù)對(duì)彈條施加向下的垂向荷載，使彈條向下產(chǎn)生10.5 mm位移，此時(shí)對(duì)應(yīng)的加載力即為彈條的扣壓力P。

隨機(jī)抽取5個(gè)樣品送往國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行扣壓力檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1?？芍?，帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的彈條扣壓力滿足要求。

表1 扣壓力檢驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 疲勞性能檢測(cè)

通過加載設(shè)備對(duì)彈條反復(fù)施加向下的垂向荷載，試驗(yàn)機(jī)加載頻率為15 Hz，檢驗(yàn)彈條500萬(wàn)次疲勞后的殘余變形。

隨機(jī)抽取3個(gè)樣品送往國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行疲勞性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表2?？芍瑤в袃?yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的彈條疲勞性能滿足要求。

表2 疲勞性能檢驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 疲勞斷裂檢驗(yàn)

為驗(yàn)證帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的DI彈條不會(huì)發(fā)生非正常部位斷裂，選取可使彈條發(fā)生疲勞斷裂的較大疲勞振幅3.0 mm對(duì)彈條進(jìn)行疲勞斷裂試驗(yàn)，其他條件不變。試驗(yàn)結(jié)果表明，彈條在尾部圓弧處發(fā)生疲勞斷裂（圖9），為正常部位斷裂，證明優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)可有效抑制因接觸產(chǎn)生的非正常部位斷裂。

圖9 帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的DI彈條疲勞斷裂

3.2 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

將帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的DI彈條鋪設(shè)于一地鐵線路試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在已鋪設(shè)的5個(gè)月內(nèi)，DI彈條非正常部位斷裂大幅減少，使用效果良好，優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)起到了改善彈條非正常部位斷裂的作用。

4 結(jié)論

本文針對(duì)DI彈條發(fā)生非正常部位斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出了通過微調(diào)成型模具，在DI彈條的中肢與尾部圓弧過渡區(qū)域形成“凹面”結(jié)構(gòu)的方案，并對(duì)帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的DI彈條進(jìn)行了扣壓力和疲勞性能檢測(cè)，結(jié)果均合格。通過實(shí)驗(yàn)室疲勞斷裂檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試鋪檢驗(yàn)，證明了優(yōu)化“凹面”可有效抑制因接觸產(chǎn)生的非正常部位斷裂。結(jié)論如下：

1）DI彈條在中肢與尾部圓弧過渡區(qū)域發(fā)生非正常部位斷裂的原因是安裝時(shí)彈條與鐵墊板安裝孔發(fā)生接觸。

2）帶有優(yōu)化“凹面”結(jié)構(gòu)的DI彈條安裝后，彈條與鐵墊板安裝孔的接觸由原來的線接觸變?yōu)槊娼佑|，接觸面積增大，應(yīng)力降低，因接觸造成的擠壓、摩擦和應(yīng)力集中都有所緩解，從而有效避免了接觸部位發(fā)生早期疲勞斷裂。

3）本優(yōu)化方案可為DI彈條或其他e型彈條的設(shè)計(jì)、安裝及后期養(yǎng)護(hù)維修提供參考。