WJ-7型扣件彈條靜力研究與模擬分析

肖洪秀 伍曾 張景坤 黃新杰

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

WJ-7型彈條扣件現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的高速鐵路系統(tǒng)，扣件系統(tǒng)對鐵路軌道的組成十分重要，它將鋼軌固定在軌枕上，聯(lián)結(jié)固定鋼軌和其他軌下基礎(chǔ)部件，扣件通過運用彈性變形來緩解列車對軌道下部結(jié)構(gòu)的沖擊，其中彈條通過壓縮變形對鋼軌產(chǎn)生扣壓力，保證軌道的正確幾何形位，阻止鐵路鋼軌縱向偏移和轉(zhuǎn)動。據(jù)此，彈條的材料、尺寸設(shè)計及其彈條安裝都影響著扣件系統(tǒng)功能的運行，因此高速鐵路系統(tǒng)中對扣件彈條的各方面性能要求較高。彈條在正常服役期間，列車在軌道上行駛時，輪軌位于扣件上方鋼軌產(chǎn)生向下位移，輪軌向前移動，鋼軌產(chǎn)生向上位移，彈條在整個過程中扣壓力由不斷減少到松弛狀態(tài)再通過自身彈性提升扣壓力將軌枕和鋼軌牢固的聯(lián)結(jié)在一起。現(xiàn)階段，研究者主要從扣件受力變形、材料特性方面進行研究。張景坤[1]通過建立預(yù)緊螺栓、鐵墊板、絕緣塊以及W1型彈條四部分組合的WJ-7型扣件模型進行有限元模擬，得出不同預(yù)緊力下，彈條后端大圓弧處的應(yīng)力值最大，預(yù)緊力在25 kN時，彈條最不利位置的應(yīng)力值與其屈服應(yīng)力相接近，為最合適預(yù)緊力。李波最[2]通過對WJ-7型扣件的抗拉強度測試，得出彈條后端及其彎折處所受應(yīng)力最大，此處為彈條危險點。張松琦等[3]研究DI彈條的安裝方式和結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化，改進凹面對其扣壓力進行研究，研究表明改進后的彈條性能合格，且提升了彈條的性能。張東陽等[4]通過WJ-7型扣件所受阻力進行橫向阻力試驗，分析得知隨著橫向力增加，位移曲線為拋物線，后期隨著鋼軌偏移，鐵墊板位移變?yōu)榫€性偏移，得出常阻力扣件和小阻力扣件的橫向剛度。劉鐵旭[5]建立扣件系統(tǒng)模型，對彈條施加不同的垂向位移和橫向位移，對不同荷載下進行彈條的靜力分析。伍曾等[6]研究無砟軌道在室溫下蠕變其扣壓力的變化情況，通過壓力傳感器測試組裝好的扣件相應(yīng)位置的扣壓力，得出在無車輛荷載的情況下，彈條蠕變的影響可以忽略。

1 WJ-7型彈條數(shù)值模擬分析

根據(jù)WJ-7型扣件設(shè)計圖建立有限元模型進行模擬研究，通過UG建模軟件將螺栓、彈條、鐵墊塊和絕緣塊4部分建立模型，導(dǎo)入到Abaqus中進行組合和裝配，WJ-7型扣件裝配模型如圖1所示[7]。

圖1 WJ-7扣件彈條模型

對模型施加不同螺栓預(yù)壓力，測試彈條所受應(yīng)力大小，試驗在螺栓上施加20、22.5、25、27.5、30 kN的力，不同的預(yù)壓力產(chǎn)生的應(yīng)力云圖如圖2所示。

(a)20 kN螺栓預(yù)緊力下彈條的應(yīng)力

從不同荷載下彈條的應(yīng)力云圖可知，螺栓預(yù)緊力為20 kN時，圖中彈條后端紅色區(qū)域部分為彈條所受應(yīng)力最大值處，最大值為1 096 MPa,出現(xiàn)在彈條后方大圓弧處，其次是與彈條后方大圓弧相鄰的區(qū)域，應(yīng)力值約為822～913 MPa左右，彈條前趾端比較平直，未產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，所受應(yīng)力最小。彈條在22.5 kN荷載作用時，應(yīng)力最大值為1 213 MPa,出現(xiàn)位置不變，后端大圓弧左右兩側(cè)的應(yīng)力值為967～1 075 MPa，尚未達到屈服強度，彈條在25 kN荷載作用時，應(yīng)力最大值為1 391 MPa，與屈服強度相接近。后端大圓弧左右兩側(cè)的應(yīng)力值為1 160～1 276 MPa,彈條在27.5 kN荷載作用時，應(yīng)力最大值為1 492 MPa。后端大圓弧左、右兩側(cè)的應(yīng)力值為1 243～1 367 MPa,相較于25 kN荷載作用時，應(yīng)力上漲了100 MPa，彈條在30 kN荷載作用時，應(yīng)力最大值為1 613 MPa，即將超過屈服強度，后端大圓弧左右兩側(cè)的應(yīng)力值為1 344～1 478 MPa，與25 kN時的荷載相比，提高了200 MPa左右，此外，在5種荷載情況下，彈條前趾端處的應(yīng)力變化相差不大。

2 WJ-7型扣件彈條應(yīng)變電測法分析彈條靜力

本次試驗為了測試彈條在拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等復(fù)雜受力工作下彈條的應(yīng)力狀態(tài)，采用應(yīng)變電測法進行，根據(jù)試驗要求，對彈條進行加工處理，首先用粗齒銼刀對彈條進行打磨，然后用砂紙進行交叉打磨，最后用酒精清洗打磨彈條，WJ-7型彈條如圖3所示。試驗通過三軸式應(yīng)變片，測得0°、45°、90° 3個方向的應(yīng)變，將應(yīng)變花用502膠水涂抹在其底面，然后將其放在被測點，待應(yīng)變片完全固定住將其放開，被測點位置如圖4所示，后將導(dǎo)線焊接在接線端上，將應(yīng)變片粘貼在彈條測試點位置如圖5所示[8]。

圖3 WJ-7型彈條示意

圖4 彈條上應(yīng)變花粘貼位置

圖5 應(yīng)變片粘貼在彈條測試點示意

根據(jù)應(yīng)變花測量可得知3個方向ε1、ε2和ε3上的線應(yīng)變，通過方程組(1)可求出εx、εy、γxy。

(1)

式中,εx、εy分別為x、y方向上的線應(yīng)變。

再由式(2)計算出測點的主應(yīng)變εmax、εmin。

(2)

式中，εmax、εmin分別為最大主應(yīng)變和最小主應(yīng)變。

通過廣義胡克定律公式(3)，將式(1)中計算出的ε1、ε2、ε3帶入式(3)中，求出相應(yīng)的主應(yīng)力σ1、σ2。

(3)

式中，E為彈性模量，μ為泊松比，σ1、σ2為主應(yīng)力。

本文研究WJ-7型彈條，其原材料為60Si2MnA彈簧鋼，是一種塑性材料。由第四強度理論知，材料的畸變能密度達到極限時，部件屈服，采用第四強度理論計算更適合彈條研究，可用式(4)計算被測點的應(yīng)力大小。

(4)

3 試驗進行過程

試驗采用靜態(tài)應(yīng)變測試儀DH3818測量，通過靜態(tài)應(yīng)變信號測量被測點的應(yīng)變變化，試驗通過在MTS810S試驗機上分別施加15、17.5、20、22.5、25、27.5、30 kN 7個荷載，試驗通過電阻應(yīng)變記錄儀記錄0°、45°、90° 3個方向應(yīng)變片受力的電阻值，將其換算為應(yīng)變或應(yīng)力值，從而算出被測點的主應(yīng)變和主應(yīng)力，MTS810S試驗機如圖6所示[9]。

圖6 MTS810S伺服液壓試驗機

在MTS809伺服液壓試驗機上施加15～30 kN荷載，在相同位置上測出各測點的應(yīng)變值，將試驗結(jié)果取平均值處理，對比發(fā)現(xiàn)在2、3、4貼片位置的測點應(yīng)變值相對高，比較具有代表性，繪制成圖表能清晰明了的反映不同貼片在0°、45°和90°下的數(shù)值大小和變化趨勢，彈條在2、3、4貼片處的應(yīng)變儀測量結(jié)果如圖7所示。

圖7 彈條在2、3、4貼片的應(yīng)變值

在不同荷載下，2、3、4貼片的應(yīng)變測試值變化較大，其中3貼片處的應(yīng)變值最大，其次是2貼片，再次是4貼片，各貼片的絕對值都呈上升趨勢，4貼片0°的應(yīng)變值變化較小，幾乎未增長。而4貼片45°和90°時曲線增長明顯，應(yīng)變值變化清晰明了。2貼片3個測試點數(shù)值都有變化，其中0°時的貼片增長最大，變化值為2.595(103με)，45°時相對較慢，90°時最慢，變化值為1.66(103με)。3貼片在0°、45°和90 °時都變化較大，其中3貼片90°時變化最大，從15 kN時的3.27(103με)變化到6.468(103με)，變化值為3.198(103με)，相比較于2、3貼片，此處所受應(yīng)變較大，應(yīng)力也大，是彈條最危險位置。其次是2、3貼片位置，位于彈條后端大圓弧左右兩側(cè)，所受應(yīng)力也較大,屬于危險位置。

運用上述公式將應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力值，計算出彈條各測點所受主應(yīng)力，得出試驗結(jié)果的平均值，將彈條上各貼片位置處應(yīng)力值制成圖表，可反映出各貼片所受應(yīng)力的大小關(guān)系，再與圖5相對應(yīng)，清晰明了的反映出彈條的最大受力部位。由應(yīng)力值繪制彈條貼片處應(yīng)力變化曲線圖，以荷載大小為橫坐標，應(yīng)力變化為縱坐標，得出彈條各貼片處的應(yīng)力變化如圖8所示。

圖8 彈條扣件各貼片處的應(yīng)力變化

由圖8可知，荷載每增加2.5 kN,應(yīng)力值就向上增加一定高度，整個曲線總體趨勢呈上升狀態(tài)，彈條各測點的應(yīng)力值與荷載之間近似呈線性關(guān)系。將荷載與應(yīng)力值一一對應(yīng)得知，當施加荷載為20、22.5、25、27.5、30 kN時，測得3貼片的應(yīng)力值分別為1 238.5、1 400.05、1 568.2、1 738.4、1 878.95 MPa，WJ-7型扣件彈條的屈服強度為1 600～1 700 kN，表明彈條在25 kN時即將屈服,在27.5、30 kN時已經(jīng)屈服，2貼片在25 kN時對應(yīng)的應(yīng)力值為1 346.55 kN,接近屈服強度值，為較危險點。3貼片位于彈條后端大圓弧內(nèi)側(cè)，可認為這是最危險的位置，2貼片位于彈條后端大圓弧接近外壁處，等效應(yīng)力相對較高，為較危險點，4貼片位于彈條后端大圓弧接近內(nèi)壁側(cè)，等效應(yīng)力為1 029.95 MPa，需引起重視。當彈條扣壓力達到25 kN時，將位移傳感器在此處調(diào)零，此時，彈條前趾端與中圈位移處于水平狀態(tài)，記錄此時的初始水平位置，繼續(xù)加載扣壓力，在27.5 kN時，已經(jīng)超過1 700 MPa,而達到30 kN時，接近彈條的極限屈服強度1 900 MPa，分析可知，彈條在25 kN荷載下安裝是最合理的。

4 結(jié)論

用WJ-7型彈條研究高鐵扣件在安裝過程中的受力特性，對其進行靜載試驗，通過施加不同大小的荷載，測出彈條各測點的應(yīng)變值，再轉(zhuǎn)換為應(yīng)力大小。根據(jù)應(yīng)力變化，繪制彈條在安裝時的應(yīng)力變化圖。

(1)對比不同大小預(yù)緊力的變化，確定彈條尾部后端圓弧處所受力最大、最危險，試驗結(jié)果與實際彈條破壞位置相同。WJ-7型扣件在25 kN荷載下，彈條所受最大應(yīng)力值接近屈服強度，但并未超過屈服值，當荷載為27.5 kN時，彈條所受應(yīng)力值超過其屈服值，表明彈條已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形，進入塑性階段，對比說明彈條最佳安裝荷載為25 kN。

(2)通過數(shù)值模擬分析與試驗測試結(jié)果對比，都顯示彈條后端彎折處大圓弧位置所受應(yīng)力最大，最危險。但由于在模擬情況下，條件過于理想化，而實際試驗過程中，存在外部各種因素的影響，不同荷載下所受應(yīng)力值有所差距，但結(jié)果都顯示彈條所承受的最佳荷載為25 kN。

(3)2、3、4貼片處彈條扣件應(yīng)變值變化較大，扣件較危險，其中3貼片處應(yīng)變值增長較大彈條最危險，將應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值時3貼片處所受應(yīng)力最大，為最危險位置，2、4貼片處次之，屬于危險部位。

(4)由應(yīng)力分布曲線圖可知，當荷載增大時，應(yīng)力值也隨之增大，各應(yīng)力值與荷載之間近似成線性關(guān)系，荷載越大越危險。