曹翁愷 顧海龍 宋建平

(1.洛陽(yáng)雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000； 2.洛陽(yáng)船舶材料研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

1 概述

扣件是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部件。其主要作用是固定鋼軌保持軌距，為軌道結(jié)構(gòu)提供彈性以緩解沖擊和振動(dòng)。扣件系統(tǒng)由扣壓件、緊固件、鐵墊板和彈性墊板等部件組成。按扣壓件的形式，分為彈條式扣件和彈片式扣件兩種類型。彈條扣件在我國(guó)鐵路上已廣泛使用，它具有扣壓力大、彈性好以及保持軌距能力剪切變形強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1，2]?，F(xiàn)場(chǎng)彈條斷裂是其比較常見的失效形式。隨著扣件失效個(gè)數(shù)的增加，輪軌間的相互作用力和軌道部件的位移、加速度都將急劇增大，對(duì)列車動(dòng)態(tài)脫軌具有很大的影響，并且加速軌道結(jié)構(gòu)其他部件的破壞，甚至危及行車安全[3,4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)扣件系統(tǒng)出現(xiàn)的問題從不同角度進(jìn)行了大量的研究。張慶和郭建平[5]介紹了ω 系列彈條有限元結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件的主要設(shè)計(jì)理論和基本算法公式以及應(yīng)用。于向東和曾召林[6]研究了Ⅲ型彈條在安裝過程中產(chǎn)生的塑性變形即變形殘余量，采用預(yù)壓強(qiáng)化處理可以提高彈條的比例極限，減少殘余變形，保證扣壓力。武青海等[7]對(duì)比了傳統(tǒng)方法和非線性接觸理論在DI型彈條受力分析上的差異，說明了非線性接觸理論的優(yōu)勢(shì)。總之，過去的研究主要集中在動(dòng)態(tài)特性分析、安裝狀態(tài)分析、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)彈條受力的影響等領(lǐng)域，材料性能或者同一材料不同熱處理工藝對(duì)彈條力學(xué)性能的影響的研究涉及較少。本文主要就材料性能對(duì)彈條力學(xué)性能的影響展開分析研究。

2 扣件系統(tǒng)有限元模型

2.1 模型建立

本文以地鐵DI型彈條為研究對(duì)象，該類彈條對(duì)應(yīng)的扣件系統(tǒng)主要包括彈條，鐵墊板以及軌距擋板。該類彈條尺寸小，形狀復(fù)雜，建模困難。完全依照?qǐng)D紙，模型過于“完美”，不能真實(shí)還原彈條尺寸形狀，所以本文采用激光掃描方法，獲取彈條表面的點(diǎn)云坐標(biāo)，通過三維空間算法逆向建立彈條3D幾何模型，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)化建模。鐵墊板和軌距擋板形狀簡(jiǎn)單，可直接建立幾何模型。

為真實(shí)反映彈條的受力狀態(tài)，本文采用面—面接觸單元建立彈條與鐵墊板、彈條與軌距擋板的接觸狀態(tài)，鐵墊板底部設(shè)置為固定約束，軌距擋板的水平自由度設(shè)置為固定約束，只允許有豎向位移。有限元模型全部采用六面體網(wǎng)格劃分，離散后單元數(shù)為11 150，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 108，有限元模型見圖1。

2.2 材料屬性

為驗(yàn)證材料屈服強(qiáng)度、硬度對(duì)彈條力學(xué)性能的影響，本文實(shí)測(cè)了經(jīng)五種不同回火熱處理工藝處理的60Si2MnA彈簧鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖2所示。

材料屈服強(qiáng)度(Rp0.2)分別為1 095 MPa，1 222 MPa，1 320 MPa，1 410 MPa以及1 488 MPa，材料洛氏硬度分別為41.9HRC,44.1HRC,45HRC,46.3HRC以及48HRC。

其他材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元材料參數(shù)

3 計(jì)算與分析

圖3是彈條在鐵墊板上的安裝位置示意圖。研究表明[9-11]彈條中肢插入長(zhǎng)度和彈條局部應(yīng)力集中存在極大關(guān)系，超出此范圍安裝會(huì)導(dǎo)致彈條后拱應(yīng)力集中或扣壓力不足，安裝時(shí)，要求彈條后端圓弧與鐵墊板端部的距離d保持在8 mm～10 mm。本文假設(shè)彈條安裝均處于合理安裝狀態(tài)，取安裝位置10 mm進(jìn)行計(jì)算，在軌道擋板底部設(shè)置10.5 kN的豎向載荷進(jìn)行加載。

3.1 屈服強(qiáng)度對(duì)彈條扣壓力的影響

圖4為不同材料屈服強(qiáng)度(以下用Rp0.2代替)的彈條扣壓力與彈程的關(guān)系曲線。

從圖4可以看出以上五種材料狀態(tài)的扣壓力值隨著彈程的增加而增加，在8.25 kN之前，五種彈條扣壓力曲線基本重合，該部分曲線的彈條剛度如表2所示，剛度值處于(0.735±0.005)kN/mm范圍內(nèi)。

表2 不同材料屬性彈條的剛度及彈程

扣壓力超過8.25 kN后，各材料剛度沿非線性規(guī)律變化，2號(hào)～5號(hào)剛度曲線基本重合，1號(hào)彈條剛度曲線出現(xiàn)明顯偏離。五種彈條扣壓力均達(dá)到10.5 kN時(shí)，2號(hào)～5號(hào)彈條的彈程隨著Rp0.2的減小逐漸增大，Rp0.2每減小100 MPa，彈程增加0.063 mm。另外，從圖4可以看出1號(hào)彈條彈程明顯大于2號(hào)～5號(hào)材料，數(shù)值為14.09 mm，剛度出現(xiàn)顯著弱化現(xiàn)象。

雖然彈條扣壓力隨著材料Rp0.2增加而增加，但是結(jié)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖2可以看出，材料塑性應(yīng)變從1 113 MPa對(duì)應(yīng)的8.5%降至1 488 MPa對(duì)應(yīng)的3%，彈條塑性明顯下降，極易產(chǎn)生脆性斷裂。不利于扣件系統(tǒng)的安全使用。

3.2 屈服強(qiáng)度對(duì)彈條應(yīng)力分布的影響

圖5中給出了彈條扣壓力達(dá)到10.5 kN時(shí)，彈條Von-mises應(yīng)力的分布情況，圖中灰色表示高應(yīng)力區(qū)、淺灰色表示彈條綜合應(yīng)力超過屈服應(yīng)力的區(qū)域，深灰色表示低應(yīng)力區(qū)。從圖5可以看出，彈條高應(yīng)力區(qū)主要集中在彈條后端內(nèi)側(cè)圓弧及外肢內(nèi)側(cè)，中肢及彈指區(qū)域應(yīng)力較弱。

表4給出了各個(gè)彈條進(jìn)入塑性階段的單元比例和彈條最大應(yīng)力值，結(jié)合圖5可以看出，在同一扣壓力的情況下，彈條材料的Rp0.2越低，構(gòu)件進(jìn)入屈服階段的單元體積比越高，從1號(hào)彈條的1.1%增加5號(hào)彈條的6.9%。另外，在同一扣壓力的情況下，彈條材料的Rp0.2越低，構(gòu)件最大應(yīng)力越低，具體數(shù)值見表3。

表3 彈條達(dá)到設(shè)計(jì)扣壓力時(shí)構(gòu)件最大應(yīng)力

3.3 屈服強(qiáng)度對(duì)彈條殘余應(yīng)力及位移的影響

彈條殘余位移和應(yīng)力是表征彈條在服役過程抵抗彈程損耗的關(guān)鍵參數(shù)，研究材料性能對(duì)殘余應(yīng)力和位移的影響至關(guān)重要。本文將對(duì)采用以上五種屈服強(qiáng)度的彈條施加載10.5 kN的扣壓力，到達(dá)目標(biāo)載荷后再將其卸載，統(tǒng)計(jì)扣壓力降至0 kN時(shí)，彈條的殘余應(yīng)力分布及殘余位移。

圖6列出了各個(gè)彈條殘余應(yīng)力分布圖，可以看出，隨著材料Rp0.2的增加，殘余應(yīng)力的分布范圍逐漸減少。在Rp0.2為1 095 MPa的情況下殘余應(yīng)力分布在彈條的后拱內(nèi)側(cè)以及外肢內(nèi)側(cè)，隨著Rp0.2的增大(如圖6a)～圖6c)所示)，外肢上的殘余應(yīng)力逐漸減少，至Rp0.2為1 488 MPa時(shí)，殘余應(yīng)力全部集中到后拱位置。另外殘余位移的大小也受Rp0.2的影響，如表4所示，在Rp0.2為1 095 MPa時(shí)殘余應(yīng)力719.8 MPa，隨著Rp0.2增加逐漸下降，屈服強(qiáng)度達(dá)到1 488 MPa時(shí)，殘余應(yīng)力降為372.6 MPa。

其次，不論材料的Rp0.2如何變化，彈條卸載后的殘余應(yīng)力最大值的位置始終不變，一直處于后拱內(nèi)弧處。

另外，隨著Rp0.2的降低，殘余位移不斷增加，當(dāng)Rp0.2降為1 095 MPa時(shí)，殘余位移為1.3 mm，超過了目前國(guó)內(nèi)對(duì)DI彈條的1 mm上限值[8]，不能滿足使用要求。

表4 彈條殘余應(yīng)力及殘余位移

4 結(jié)論

綜合上述有限元分析結(jié)果，彈條材料的Rp0.2對(duì)彈條的理想性能緊密相關(guān)，主要包括以下幾點(diǎn)規(guī)律：

1)彈條Rp0.2保持在1 200 MPa以上時(shí)，彈條彈程—扣壓力關(guān)系變化很小，扣壓力達(dá)到10.5 kN時(shí)，彈程偏差范圍在0.17 mm內(nèi)。當(dāng)Rp0.2低于1 200 MPa級(jí)別時(shí)，彈條剛度出現(xiàn)明顯的弱化現(xiàn)象。

2)不同Rp0.2的彈條在達(dá)到10.5 kN時(shí)，其應(yīng)力大小的位置分布基本相同，高應(yīng)力區(qū)主要集中在后拱內(nèi)側(cè)及后拱與前拱的連接區(qū)域內(nèi)側(cè)。但是隨著Rp0.2的增加,彈條內(nèi)部進(jìn)入塑性區(qū)域的部分逐步減少，相應(yīng)的彈條的最大等效應(yīng)力也在增加?？梢哉f明增大材料屈服強(qiáng)度，有利于增強(qiáng)彈條構(gòu)件抵抗塑性變形的能力，但是屈服強(qiáng)度越高，韌性和塑性也會(huì)降低，一旦形成應(yīng)力集中容易誘發(fā)材料脆性斷裂。

3)隨著材料Rp0.2的降低，其殘余應(yīng)力不斷增加，殘余位移不斷增大，在Rp0.2低于1 200 MPa時(shí)，殘余位移超過1 mm，不符合DI彈條的使用要求。