地鐵扣件DI彈條安裝受力分析及工藝優化改進研究

陳明明,盧 俊,余 鴻,王 平,趙才友

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031；3.中鐵隆昌鐵路器材有限公司,四川內江 642150)

扣件系統在保證軌道彈性和幾何尺寸方面起著重要作用，彈條是扣件系統的一個重要組成部分，為扣件系統提供必要的扣壓力[1-5]。研究發現，國內多個城市地鐵線路存在著彈條扣壓力不足、彈條斷裂、彈條銹蝕等病害，這些病害對地鐵行車安全、扣件系統的使用壽命都構成了嚴重威脅[6-8]。

目前，國內外學者針對彈條受力特性進行了大量研究。文獻[9]應用非線性接觸理論模擬彈條與預埋鐵座的接觸，研究彈條的變形和應力，并與只考慮彈條模型的傳統方法進行了對比。文獻[10]論證了適于彈條強度校核的理論為畸變能強度理論，提出了彈條優化設計的衡量指標與優化設計方法。文獻[11]應用有限元法，研究了Ⅲ型彈條不同安裝狀態和彈程對其扣壓力和應力的影響。文獻[12]基于彈條靜動態受力和頻譜特性，對扣件系統疲勞傷損機理進行系統研究，揭示了彈條的斷裂原因，并預測彈條的疲勞壽命，最后提出了彈條優化設計方案。文獻[13]研究了彈條在安裝過程中的受力及列車動荷載作用下的振動特性，并與現場實測結果進行了對比驗證，發現鋼軌波磨明顯加劇了扣件彈條的振動，從而會加速彈條的疲勞損傷。總之，以往的研究主要從彈條的靜動態受力特性方面提出改進措施，對彈條生產工藝的優化改進卻鮮見相關文獻報道。為此，以地鐵扣件中常用的DI彈條為研究對象，通過建立DI彈條有限元模型分析彈條扣壓力不足及彈條斷裂的原因，并從生產工藝角度提出彈條的優化改進措施，為DI彈條的生產、制造和安裝提供技術參考。

1 DI彈條主要病害

(1)扣壓力不足

扣壓力是軌道保持平順和整體形狀不變的重要保證。鋼軌與地面之間的穩固連接依靠穩定且合適的扣壓力來保證。當彈條本身的扣壓力不能達到設計要求時，防爬阻力不夠，彈條無法保證鋼軌之間的連接強度，鋼軌將產生相對于軌枕的縱橫向移動，軌距也會產生變化，滾動過程中要求緊密貼合的火車車輪與鋼軌也將發生脫離，造成列車脫軌的嚴重事故[14]。如在長沙地鐵某線車輛段調研時發現，由于彈條沒有安裝到位，扣壓力不足導致鋼軌在縱向爬行了5 mm，嚴重威脅行車安全。

(2)彈條斷裂

實地調研發現，國內多個城市地鐵線路存在彈條頻繁斷裂現象，且斷裂位置多集中在彈條后拱小圓弧與中肢連接處，如圖1所示。彈條一旦斷裂，將失去對鋼軌的扣緊作用。偶爾有一兩根彈條失效，對軌道安全的影響還不是很大，但是如果相鄰彈條斷裂5根以上，扣件對鋼軌的扣壓作用將喪失。由此將引起鋼軌爬行、軌道位移等一系列連鎖反應，甚至導致列車脫軌翻車[15]。

(3)彈條銹蝕

調研發現，南京某地鐵線路所用DI彈條出現大規模、大面積銹蝕現象。彈條銹蝕會破壞彈條的表面處理層，使其失去防銹效果。如不及時對銹蝕處進行修補，銹蝕點會漸漸擴展，嚴重時會布滿彈條整個表面并進一步向內部擴散，如圖2所示。久而久之，彈條的強度、塑性、韌性等會被削弱，幾何形狀會被破壞，與其他配件之間的磨損也會增加，疲勞壽命也會縮短，甚至會造成列車脫軌等災難性事故。

圖1 DI彈條斷裂情況

圖2 彈條銹蝕

2 DI彈條病害原因分析

2.1 DI彈條扣件系統有限元模型

扣件彈條形狀復雜，體積小，工作時的邊界條件和受力情況復雜[11]。為盡可能真實地模擬扣件系統的受力特征，并考慮到計算成本，根據扣件系統實際尺寸建立了簡化后的DTVI2型扣件系統，包括DI彈條、鐵墊板。簡化后扣件系統有限元模型及DI彈條各部位的名稱如圖3(a)所示。

圖3 扣件系統有限元模型

為比較真實地模擬彈條工作時的受力特性，在彈條中肢與鐵墊板插孔以及彈條跟端與鐵墊板承臺之間分別設置一個面-面接觸對，鐵墊板下表面則設置為全約束。根據DI彈條圖紙技術說明，彈條后拱小圓弧內側與鐵墊板端部的距離d應保持在8～10 mm，如圖3(b)所示。

本文取為9 mm。計算時，在彈條趾端下表面施加向上的位移，模擬彈條彈程的變化，以探究彈條扣壓力和最大等效應力與彈條彈程的關系。

DI彈條材料為60Si2MnA，屈服強度為1 400 MPa，抗拉強度1 600 MPa[16]，材料本構模型采用理想線性強化彈塑性模型，強度理論采用第四強度理論。彈條及鐵墊板的材料屬性如表1所示。

表1 材料參數

2.2 彈條扣壓力不足、斷裂原因分析

由上述模型，計算可得彈條扣壓力、最大等效應力與彈程關系，如圖4所示。圖5、圖6分別為彈程為10.5 mm時，彈條豎向位移、等效應力的分布情況。

圖4 扣壓力、最大等效應力與彈程關系

由圖4、圖5可知，彈條彈程越大，扣壓力也越大，彈條扣壓力通過安裝時彈條的變形來實現。當生產彈程不足，安裝時彈條基本不需要變形就能裝入鐵座(圖7)，從而導致彈條扣壓力不足。由圖6可知，彈程為10.5 mm時，彈條最大等效應力值為1 400 MPa，發生在彈條后拱小圓弧內側，此區域為彈條關鍵受力區(圖8)。隨著列車的反復通過，彈條容易在局部應力集中處萌生裂紋，最終裂紋擴展導致彈條發生疲勞斷裂[11]。

圖5 彈條變形云圖

圖6 彈條等效應力云圖

圖7 彈條產生彈程示意(單位：mm)

圖8 彈條關鍵受力區

3 DI彈條優化改進

3.1 原材料優化

DI彈條采用φ18 mm的60Si2Mn或60Si2MnA鋼棒作為原材料，這兩種材料的化學成分和力學性能如表2所示[16]。由表2可知，P、S元素在60Si2MnA中含量更低，而P、S在鋼中都屬于有害元素。P會使鋼材的冷脆敏感性和回火脆性增加，降低其塑性，破壞鋼的冷彎性能；在S的作用下鋼會產生熱脆性，其延展性和韌性都顯著降低，裂紋在鍛造和軋制時更易形成，耐腐蝕性也會降低[17]；此外，60Si2MnA的屈服點、抗拉強度等力學性能都優于60Si2Mn。為驗證60Si2MnA彈簧鋼力學性能的優越性，從由這兩種原材料生產的成品中各選取3件進行扣壓力和疲勞試驗，結果如表3所示。

表2 彈簧鋼化學成分和力學性能

由表3可進一步看出，相比60Si2Mn，由60Si2MnA彈簧鋼生產的彈條，其扣壓力從8.17 kN提高至8.79 kN，疲勞次數從503萬次提高至541萬次，力學性能更加優越。

因此，宜選用φ18 mm的60Si2MnA鋼棒作為DI彈條的原材料。

表3 兩種原材料性能試驗結果

3.2 工藝參數優化

(1)加強坯料加熱控制

坯料的加熱溫度和受熱均勻性對成品強度有很大影響。因此，中頻加熱時應嚴格控制坯料溫度，保證坯料受熱均勻[18]。為使棒料受熱均勻，中頻加熱線圈里的玻璃管采用適用于φ18 mm棒料的石英玻璃管，并將生產頻率從13件/min減小到10.5～12件/min，以達到組織轉變更均勻的目的。

(2)加強淬火溫度控制

中頻加熱升溫快，坯料可在極短的時間內達到壓型所需溫度，然后進行模具壓型和淬火。但從坯料加熱結束到開始淬火，坯料溫度會大幅下降，而入油溫度又與彈條的淬火硬度密切相關[19-20]。因此，為探究淬火溫度對彈條淬火硬度的影響，進行了現場試驗。試驗中，壓型溫度為960 ℃，淬火介質采用HLN32號機油，介質溫度取為64，66，70 ℃，分析不同淬火溫度對彈條淬火硬度的影響，試驗結果如圖9所示。

圖9 淬火溫度對彈條淬火硬度影響

由圖9可知，淬火溫度對彈條的淬火硬度有較大影響，淬火溫度越低，彈條的淬火硬度越小。因此，生產中應嚴格控制淬火時的入油溫度在830 ℃以上。與坯料加熱類似，對自動測溫儀判定不合格的工件，由翻料裝置將其轉入廢料區，以避免不合格工件進入下一道工序。

(3)優化淬火介質

淬火后的組織和性能受冷卻介質的直接影響。對60Si2MnA彈簧鋼來說，冷卻介質常選用油，油的運動黏度和工作溫度是影響淬火性能的主要指標。因此，分別選取4種不同的油作為淬火介質進行對比試驗，試驗結果如表4所示。

表4 不同淬火介質對比試驗結果

由表4可知，綜合考慮各種因素，選擇32號機油作為淬火介質較好。對淬火后的彈條進行金相檢測，發現基本上是馬氏體，有少量貝氏體和殘余鐵素體夾雜其中。其中淬火馬氏體為均勻的細小針狀馬氏體(1級)，殘余鐵素體≤2級，貝氏體≤1級，符合標準要求[21]。

(4)優化回火工藝

將淬火后的樣件送入網帶式連續回火爐進行回火，回火參數如表5所示，分別取32號機油和水做為冷卻介質，最后測量其硬度，試驗結果如表6所示。

表5 回火參數

表6 回火硬度測量結果

由表6可知，與32號機油相比，以水作為回火介質，得到的回火硬度較大。對回火后的彈條進行金相檢測，發現組織是均勻的回火屈氏體和回火索氏體，在心部有微量的斷續鐵素體，脫碳層≤0.25 mm，符合標準要求[21]。回火金相組織如圖10所示。

3.3 表面處理方式優化

表面處理是彈條防銹性能的重要保證手段，特別是DI彈條多用于地鐵隧道內，常年處于陰暗、潮濕、酸堿混合的惡劣環境，對防銹性能提出了更高的要求。故應根據彈條的材料、生產工藝及具體的現場工況選擇表面處理方式。因此，選取多元合金共滲、熱浸鍍鋅、電泳涂漆、達克羅[22]等4種表面處理方式進行附著力、疲勞和鹽霧的對比試驗，結果如表7所示。

圖10 回火金相組織

表7 不同表面處理方式試驗結果

由表7可知，與其他3種表面處理方式相比，DI彈條表面在經多元合金共滲處理后的綜合性能最好。

4 試驗驗證

綜合以上論述，對各項優化措施進行固化，得到優化后DI彈條各生產要素一覽表，如表8所示。

表8 優化后DI彈條各生產要素

為驗證優化措施的有效性，對采用新工藝生產的DI彈條進行扣壓力、疲勞試驗和鹽霧試驗。

(1)扣壓力試驗

參照鐵路行業標準[23]進行彈條扣壓力測試，結果如表9所示。由表9可知，DI彈條扣壓力滿足技術要求。

(2)疲勞試驗

對DI彈條進行疲勞試驗[23]，以此來驗證DI彈條的疲勞性能優化措施的有效性。試驗結果如表10所示。

表9 扣壓力測試結果

由表10可知，經500萬次疲勞試驗后，3個彈條試樣均未發生斷裂，且其殘余變形均小于1 mm，滿足技術要求。

(3)鹽霧試驗

對DI彈條樣件進行多元合金共滲防銹處理后，為增強防腐效果，在滲層外面加做一層封閉。將處理后的樣件放入中性鹽霧試驗箱內，500 h后，對樣件的腐蝕效果進行評級，結果如表11所示，由表11可知，鹽霧試驗結果滿足要求。

表11 彈條鹽霧試驗結果

5 結論

以現場實際反映出來的情況為基礎，總結了彈條的主要病害類型；根據現場的實際情況并結合理論分析，研究了彈條扣壓力不足以及彈條斷裂的原因；從生產工藝角度入手，對彈條的原材料、工藝參數、表面處理方式進行了優化改進并進行了試驗驗證，得到以下結論。

(1)彈條扣壓力通過安裝時彈條的變形來實現，一般情況下，彈條彈程越大，扣壓力也越大，當產生彈程不足，安裝時彈條基本不需要變形就能裝入鐵座，從而導致彈條扣壓力不足。

(2)彈條的最大等效應力普遍發生在彈條后拱小圓弧內側，此區域為彈條關鍵受力區；隨著列車的反復通過，彈條容易在局部應力集中處萌生裂紋，最終裂紋擴展導致彈條發生疲勞斷裂。

(3)采用固化后工藝生產的DI彈條，其力學性能有了很大的提高；經過3年多的跟蹤調查，采用新工藝生產的DI彈條服役狀況良好，再沒有出現過彈條斷裂現象，進一步驗證了本文提出的DI彈條優化改進措施的正確性、有效性，對彈條的生產、制造有一定的指導意義。