非線性接觸理論下彈條緊固件的力學性能分析

楊曉攀

（云南三環中化化肥有限公司，昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650113）

彈條緊固扣件是固定軌道常用的一種扣件系統，多用于交通工程、機械工程、化學工程軌道直線段和大曲率曲線段上，它的主要作用是利用彈條緊固件自身產生的彈性變形將軌道與軌下結構牢固的聯結在一起，保證軌道上方的設備在快速運行時，軌道不發生橫向和縱向滑移，使軌上設備安全運行。近年來，對彈條緊固扣件系統的研究相對較少，伍曾等為研究在室溫蠕變條件下為WJ-7型扣件中的W1型彈條緊固件扣壓力的變化趨勢，將WJ-7型扣件安裝在軌上設備的軌道上，每隔一周，檢測W1型彈條緊固件兩側前端扣壓力值和彈條中圈彈程（位移）值，試驗得出在室溫蠕變條件下放置一年，W1型彈條緊固件兩側前端扣壓力值衰減大約8%左右，彈條中圈彈程（位移）值大約下降10%左右，說明室溫蠕變會對彈條扣壓力產生一定的衰減作用；黃新杰等通過在W1型彈條上施加三種不同的循環荷載，得出彈條在三種循環荷載下的疲勞壽命和彈條前端扣壓力的變化規律；羅耀波等通過建立WJ-7型扣件有限元模型，分析瞬時沖擊力對WJ-7型扣件的影響，模擬結果得出，WJ-7型扣件在受到瞬時沖擊力時會增大彈條后端圓弧內側表面的應力值，進一步加劇了彈條在該部位的應力集中，也有學者分析了何種情況會導致WJ-7型扣件疲勞斷裂。綜上，可以看出，對彈條緊固扣件的研究多是通過試驗來研究彈條緊固扣件的疲勞壽命的，對采用非線性理論分析扣件彈條在外力作用下的受力性能變化的研究較少。本文以WJ-7型扣件中的W1型彈條緊固件為例，在ABAQUS有限元軟件中建立存在接觸的扣件彈條模型，并對扣件彈條模型進行力學性能分析。

1 扣件系統

WJ-7型扣件系統主要是由聯結軌道和軌下結構的彈條緊固件（彈條緊固件分為W1型和X2型兩種，本文分析研究W1型彈條緊固件）、給彈條緊固件提供形變能力的錨固螺栓、放置緊固件的鐵墊板、調節軌道鉛錘高度的軌下調高墊板等零部件組成。WJ-7型扣件系統各零部件組裝完成示意圖和部分零部件材料屬性分別見圖1和表1。

圖1 WJ-7型扣件系統組裝示意圖

表1 WJ-7型扣件材料屬性

2 扣件彈條有限元分析

2.1 扣件有限元模型

為了提高有限元分析效率，將WJ-7型扣件系統進行適當的簡化。絕緣塊實際上是一個L型的橡膠塊，在有限元軟件中將其簡化為長為48mm、寬為20mm、高為8mm的方型絕緣塊，將錨固螺栓其簡化為一個內直徑為28mm、外直徑為54mm的空心實體圓環，鐵墊板和W1型彈條按照鐵科院公布的WJ-7型扣件設計圖紙進行三維建模。在ABAQUS軟件中建立并裝配好的WJ-7型扣件三維有限元模型如圖2所示。彈條與各零部件之間接觸設置如表2所示。

圖2 WJ-7型扣件模型

表2 扣件模型接觸設置

2.2 扣件彈條有限元受力分析

在圖2中，空心實體圓環上表面上施加外力荷載，外力荷載從0kN開始施加，以5kN為梯度，外力荷載加載至40kN結束，通過ABAQUS軟件記錄不同外力荷載下W1型彈條各部位表面的應力值變化趨勢，由于篇幅所限，只提取在20kN、25kN和30kN外力荷載下彈條應力變化圖，如圖3所示。

圖3 彈條Mises應力圖

由圖3可以看出，在外力荷載作用下，W1型彈條應力值隨著外力荷載的增大而增大，二者呈正相關；應力最大值均出現在彈條后端圓弧靠內側表面，隨著外力荷載的增大，彈條后端圓弧靠內側表面的應力集中現象就越明顯，外力荷載為20kN時，彈條后端圓弧靠內側表面應力值為1171MPa，此時，彈條的應力值已經較大，但是離彈條（彈簧鋼）的屈服強度1580MPa還有很大差距，當外力荷載繼續增加至25kN時，彈條后端圓弧靠內側表面應力值為1479MPa，此時，彈條的應力值離材料的屈服強度僅差101MPa，說明此時彈條已經十分接近屈服，外力荷載為30kN時，彈條后端圓弧靠內側表面應力值為1614MPa，此時，彈條的應力值已經超過彈條的屈服強度34MPa，彈條已經發生屈服，且此時彈條扣壓力達到9.72kN，滿足WJ-7型扣件彈條安裝規范大于9kN的要求。說明外力荷載為30kN時，W1型彈條滿足安裝規范的要求。

3 扣件彈條模態分析

為了分析采用非線性接觸理論建立的扣件彈條有限元模型的模態頻率是否與扣件彈條在真實工作下的頻率一致，提取WJ-7型扣件彈條模型在2000Hz內的前6階模態頻率，如圖4所示。

圖4 W1型彈條前6階模態頻率

由圖4可以看出，W1型彈條2000Hz內前6階模態頻率 分 別 是533.15Hz、536.74Hz、1023.1Hz、1356.3Hz、1488.2Hz、1915.6Hz。與通過試驗測出的W1型彈條在2000Hz內前六階的固有頻率相比較誤差較小，說明采用非線性接觸理論建立的WJ-7型扣件彈條模型模擬出的彈條前2000Hz內前六階的固有頻率與彈條實際工作狀態下前2000Hz內前六階的固有頻率接近，進一步驗證了模型是相對可靠的。

4 結語

（1）通過非線性接觸理論，建立WJ-7型扣件彈條模型。

（2）在不同外力荷載作用下，WJ-7型扣件彈條表面產生的應力值隨著外力荷載的增大而增大，說明外力荷載與彈條表面應力呈正相關關系。

（3）外力荷載作用下，無論外力荷載多大，彈條的最大應力值均出現在后端圓弧靠內側表面上且外力荷載達到30kN時，W1型彈條后端圓弧靠內側表面應力值達到1614MPa，彈條兩側前端扣壓力達到9.72kN，達到WJ-7型扣件的安裝規范要求。

（4）通過模擬分析WJ-7型扣件彈條模型在2000Hz內的前6階模態頻率發現，該模型與實際工作狀態下彈條2000Hz內的前6階模態頻率較為接近，進一步驗證了采用非線性接觸理論建立的WJ-7型扣件彈條模型是相對可靠的。