高速铁路弹条强度的试验分析与数值模拟

余剑 伍曾 黄新杰 张景坤

(昆明理工大学建筑工程学院，云南省土木工程防灾重点实验室 昆明 650500)

0 引言

近二十年随着高速铁路的快速发展和列车速度的不断提高，对于高速铁路无砟轨道扣件系统的要求也越来越高。扣件在实际工作时受力十分复杂，目前国内外学者对WJ-7型扣件弹条的研究较少，韦凯等[1]对无咋轨道扣件垫板的温变特性进行试验研究，得出扣件垫板低温稳定性差高温稳定性好的特性，并建议高速铁路垫板使用低温稳定性良好的材料；罗曜波等[2]通过建立有限元模型对WJ-7型扣件在列车冲击作用下进行了动力仿真模拟，得出扣件在不同冲击作用下，扣件在弹条后趾部出现应力集中的现象；伍曾等[3]对无砟轨道扣件在蠕变现象下扣压力的损失进行试验研究，将扣件安装在室温稳定且无列车作用下的钢轨下，发现扣件在蠕变作用下扣压力下降约10%，说明蠕变现象在轨道工程中是不可忽视的；向俊等[4]使用ABAQUS有限元软件分析了无砟轨道弹条断裂原因是由于车轮磨耗增大了弹条与铁垫板的挤压，使弹条后趾端应力值大幅提高导致弹条断裂；张金[5]、余自若等[6]对扣件弹条的疲劳特性以及断裂特征进行了试验研究。本文通过MTS809电液伺服液压试验机试验测出WJ-7型弹条在静力荷载下的抗拉强度，通过应变电测法测量出弹条各测点的等效应力，最后通过ABAQUS有限元软件建立扣件模型进行数值分析验证其等效应力分布是否与试验结果一致。试验和数值模拟分析得出：弹条后端大圆弧为应力最大处，也是弹条最易断裂的部位，为铁路扣件后期养护和研究提供参考。

1 60Si2MnA弹簧钢静力拉伸试验

本次静力拉伸试验使用的原材料为60Si2MnA弹簧钢，相较于传统钢材，它具有更好的强度、韧塑性，且容易加工，满足弹条各项性格要求。由于弹条由复杂曲面构成(见图1)，直接对弹条进行拉伸试验十分困难，为了便于试验，从弹条前趾端上截取一段进行机械加工，加工后的材料其夹头段长度和直径分别为60、40 mm，试验段直径和长度分别为10、25 mm，材料加工设计图如图2所示，材料实际加工图如图3所示。MTS809液压试验机是由美国美德斯生产的一款具有拉伸、扭转、裂纹扩展、高频、蠕变、疲劳等功能的试验机，用MTS809电液伺服液压试验机上对机械加工后的弹条材料进行拉伸试验，得到1 900 MPa为其抗拉强度。

图1 弹条结构示意

图2 材料加工设计(单位：mm)

图3 材料实际加工

2 弹条应变电测试验

弹条表面具有一层耐腐蚀性且绝缘性良好的涂料，试验时，如果直接将应变片贴在弹条涂料上会使试验数据不准。另外，由于涂料是一种光滑的材料，应变片也不易黏贴在涂料上，为了使试验测得的数据更为准确，应变电测试验前需要对弹条测点进行打磨。首先使用具有粗齿锉的锉刀对弹条测点上的涂料进行打磨，将涂层打磨后使用细砂纸对露出的弹条金属表面再进行打磨。本次应变电测试验采用每个应变片角度相差45°的三轴应变花，使用502胶水将应变花黏贴于弹条的前趾端(测点1)、后外壁偏前趾端(测点2)、后端小圆弧外侧(测点3)、后端大圆弧(测点4)、后端小圆弧内侧(测点5)、内壁(测点6)这6处危险点处，具体位置见图4，各测点通过电路由应变记录仪记录，记录应变片在不同荷载、不同方向(φa、φb、φc)上的线应变εa、εb、εc。

图4 应变花黏贴部位及弹条部位名称

通过电测片测出各测点3个方向上的线应变εa、εb、εc ，由方程组(1)可解出切应变γxy和x、y方向上的线应变εx、εy，再由方程组(2)计算出各测点线应变ε1、ε2，然后通过方程组(3)算出测点的主应力σ1、σ2，最后通过第四强度理论计算出测点的应力值。

(1)

方程组(1)中：εx为x方向线应变;εy为y方向线应变;γxy为xy平面的剪应变;φa、φb、φc为应变片粘贴角度。其中，φa=90°，φb=45°，φc=0°。

(2)

方程组(2)中：ε1为最大主应变;ε2为最小主应变。

(3)

方程组(3)中：σ1为最大主应力；σ2为最小主应力；E为弹性模量；u为泊松比。

弹条的材料为弹簧钢，故本文采用偏安全的第四强度理论进行计算，各测点的等效应力计算公式如下：

(4)

试验时从0 kN开始加载，以2.5 kN为加载梯度，加载至32.5 kN结束，为了测出弹条的最佳预紧扣压力和不同扣压力下弹条的等效应力，记录从12.5 kN到32.5 kN的9组试验数据，在MTS809液压试验机下进行弹条应变电测试验，应变电测试验如图5所示。

图5 弹条应变电测试验

MTS809伺服液压试验机在12.5～32.5 kN不同扣压力下各测点的等效应力值记录如表1所示。

表1 不同安装预紧力下各测点应力值

由试验数据可以看出随着扣压力增加，弹条各测点的等效应力也逐渐增加，两者近似线性关系，当扣压力为25 kN时，弹条后端大圆弧(测点4)处应力值达到1 589.8 MPa，接近弹条的屈服强度，但也在安全范围内，弹条后端小圆弧外侧(测点3)、弹条后端小圆弧内侧(测点5)的应力分别为1 436.9 MPa、1 004.65 MPa，两者的应力值也较大，接近屈服强度，可以认为测点4处是弹条最危险点，测点3和测点5是较危险点，25 kN荷载作用下时弹条中圈与弹条前趾端处于水平位置，即弹条与绝缘块处于同一位置；当扣压力加载到30 kN时，测点3处的应力已超过弹条的抗拉强度，说明弹条的最佳安装扣压力是25 kN。

3 有限元模拟

ABAQUS是美国达索公司开发的一款工程有限元软件，是目前国内外对复杂模型进行力学计算常用的一款有限元软件。根据铁道科学研究院公布的扣件标准规范，在ABAQUS有限元软件中建立详细的三维WJ-7型扣件各部位模型，然后将各个部件装配成整体。完整WJ-7型扣件模型见图6。

图6 弹条模型

为了得到弹条真实的受力情况，将铁垫板、橡胶绝缘块完全固定，在平垫圈(螺栓)上施加换算后的压强。由应变电测试验可以看出,在22.5 kN、25 kN扣压力下，接近弹条的屈服强度，在30 kN扣压力作用下等效应力超过弹条的抗拉强度。使用ABAQUS有限元软件计算22.5、25、30 kN 3种扣压力下弹条的等效应力分布状况。

由数值模拟计算可知，22.5、25、30 kN这3种扣压力下弹条的最大等效应力值分别为1 250、1 371、1 549 MPa，其应力最大值与应变电测试验结果一样，都是出现在弹条后端大圆弧处，且应力分布规律与应变电测法测出的应力分布情况基本一致，说明模拟结果正确。数值模拟的结果较试验测得的应力有所降低，是因为模型是在理想的状态下进行数值分析的，而实际试验时弹条会受到很多外界因素影响。

4 结论

(1)通过对弹条进行静载拉伸试验，可以得出WJ-7型扣件弹条的抗拉强度为1 900 MPa。

(2)不同荷载作用下，应变电测和ABAQUS有限元模拟得出弹条的应力分布基本一致,且最大应力均在弹条后端大圆弧处。

(3)试验得出，当扣压力为25 kN时，是弹条的最佳安装扣压力；当扣压力超过30 kN时，弹条后端大圆弧应力超出弹条抗拉强度。