WJ-7型扣件弹条试验及疲劳性能研究

肖洪秀 张景坤 黄新杰

(昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500)

0 引言

WJ-7型扣件符合我国铺设的无挡肩无砟轨道技术要求和客运专线的相关规定，在高速铁路中运用较多。完整的扣件系统对轨道的可靠性和稳定性起着重要作用，行车过程中要求有足够的扣压力、一定程度的弹性变形、铁垫块的正确安装等。其中，弹条在系统中通过自身弹性将钢轨和其他基础扣件联结在一起，应用自身的弹性变形抵抗外部的应力并起到减震缓冲的作用，其有效寿命影响着整个扣件的使用周期。

针对弹条断裂问题，众多学者以WJ-7型扣件为试验对象研究弹条的疲劳机理。吴洁好等[1]对WJ-7型扣件系统中的弹条施加不同幅值荷载，分析弹条的疲劳性能，运用可靠性法绘制出P-F-N曲线，发现随着荷载的循环次数增多，扣压力减小。黄旭升等[2]通过拉伸试验分析WJ-7型扣件的抗拉强度，并与建模结果对比得出，在不同的扣压力下，均在弹条跟端处产生最大扣压力，当扣压力值为12 kN时，弹条后端弯折处等效应力超过自身抗拉强度。黄新杰等[3]通过对WJ-7型扣件弹条进行静力试验分析，采用应变电测法测出弹条的危险部位在不同预紧力下的等效应力，再通过疲劳试验机施加不同的循环荷载，分析弹条扣压力的变化,得出中圈位移与扣压力的关系。余自若等[4]研究X2型弹条在动载作用下的疲劳性能，分析在钢轨存在横向力时不同扣压力下的荷载频率对弹条疲劳性能的影响。吴海骏等[5]通过e型弹条疲劳试验得出扣压力下降对钢轨的不利影响，并建议加载前可先对弹条施加预加载以降低弹条后期使用变形。本文通过试验研究WJ-7型弹条的疲劳性能，分析扣件在循环荷载下的特性。

1 弹条扣件疲劳破坏

弹条的疲劳寿命最高次数可达几百万次，而实际运行中的弹条一般在尚未达到设计疲劳寿命就发生破坏，造成扣压力降低，对行车安全造成极大隐患。本文通过研究WJ-7型扣件弹条的疲劳性能，研究弹条扣压力和中圈位移与疲劳次数的关系来分析WJ-7型扣件的疲劳性能。疲劳试验采用恒幅加载，在应力最大值σmax和最小值σmin之间循环加载，σmax和σmin的比值为应力比R，σmax和σmin的差值为应力幅△σ，应力幅值σa为△σ的1/2，σmax和σmin的平均值为平均应力值σm，应力幅值和平均应力值之比为应力幅比A[6]。

(1)

在特定的应力比条件下，构件在最大应力值处，经过N次应力循环后弹条断裂，N表示弹条的疲劳寿命。试件的应力循环越高，疲劳寿命越短；试件的应力循环越低，疲劳寿命越长。

试验采用MTS810伺服液压系统对WJ-7型扣件弹条施加25 kN的螺栓扣压力，如图1所示。在压力控制下，以加载25 kN荷载的位置为初始位置；在位移控制下，以25 kN荷载的弹条中圈位移为平衡位置。试验将荷载频率设置为5 Hz,疲劳荷载分别为32.5、35、37.5 kN等3个应力等级。试验前先预加载10 kN荷载，再通过数据采集传感器检测弹条的安装状态，待各项指数正常后缓慢卸载。数据采集采用Chl测量位移，Input传感器测量压力。

2 压力荷载为37.5 kN与其对应的位移幅值控制下的试验结果

在压力荷载控制下，对WJ-7型弹条施加32.5、35、37.5 kN等3种压应力幅值的荷载，每种幅值取3个弹条进行试验。试验以25 kN荷载为平衡位置，筛选3种压应力幅值下的数据进行对比，发现在压应力为37.5 kN时，3个试件弹条中圈位移和左、右前趾端扣压力数值较为清晰。将在37.5 kN的循环荷载下测出的数据按每3 000次记录一次。

在荷载对应的位移幅值控制下，对WJ-7型弹条施加循环荷载，荷载为12.5 kN时记下中圈位移下限值；然后以2.5 kN的步长对弹条进行加载，加载到压力为25 kN时记为位移荷载的中值；继续加压到荷载为37.5 kN时记下中圈位移上限值，限值即为位移控制值。每种压力幅值对应的位移幅值取3个弹条进行试验，选取最具有代表性的数据进行分析，循环周期步长取3 000。弹条在37.5 kN荷载与其对应的位移幅值控制下，弹条中圈位移和扣压力总和变化如图2所示。

图1 MTS810伺服液压系统

图2 37.5 kN荷载与其对应的位移幅值控制下弹条中圈位移和扣压力变化

由图2可知，扣压力在试验初期迅速降低，中间阶段趋于平缓，最后迅速降低；中圈位移在初期和中期变化与扣压力相似，初期上升较快，中期趋于平缓，最后曲折上升。弹条中圈位移和扣压力的曲线皆呈阶梯状，这是由于在循环荷载下，弹条产生了阶段性的塑性变形，当塑性变形较大时，弹条中圈位移和扣压力值也变化较大；在变形较小的时间段内，扣压力值变化较小。试验开始时，扣压力值为10.643 kN,与正常扣压力相比已经减小很多，在循环荷载作用下，弹条扣压力逐渐减小，最后为8.137 kN，与WJ-7型扣件的正常扣压力≥9 kN相比，其弹条已逐渐失效。而在试验开始阶段，弹条的中圈位移就已经达到16.532 mm,与弹条在25 kN荷载下达到平衡的位移13 mm相比已经增加3.532 mm。查阅文献可知，弹条在荷载压力为35 kN时已发生塑性变形，扣压力开始损失，所以当荷载达到37.5 kN时，塑性变形持续增加，此时试验进行到最终阶段，弹条即将失效[7]。比较荷载与其对应的位移幅值控制情况，37.5 kN荷载对应的位移幅值控制下的疲劳寿命比37.5 kN荷载控制下的短，是因为用位移控制时，荷载超过25 kN后弹条产生了塑性变形，在高应力状态下，弹条疲劳寿命骤减。从扣压力来看，弹条扣压力从10.24 kN下降到8.22 kN，下降了2.02 kN，最终合力小于规定值9 kN，弹条已接近失效。

指数拟合可预测试件的状态和未来发展趋势，对扣件的寿命分析研究具有指导意义。对图2中的折线进行处理，37.5 kN荷载控制下，弹条中圈位移和荷载循环次数用指数拟合为

(2)

由式(2)可知，随着荷载循环次数无限增大，弹条将失效，弹条的中圈位移接近17.8 mm。

37.5 kN荷载控制下，弹条扣压力变化和荷载循环次数用指数拟合为

(3)

由式(3)可知，随着荷载循环次数无限增大，弹条将失效，弹条的扣压力总和接近9.3 kN。

37.5 kN荷载对应的位移幅值控制下，弹条中圈位移与荷载循环次数用指数拟合为

(4)

由式(4)可知，随着荷载循环次数无限增大，弹条将失效，弹条的中圈位移接近18.3 mm。

37.5 kN荷载对应的位移幅值控制下，扣压力总和与荷载循环次数用指数拟合为

(5)

由式(5)可知，随着荷载循环次数无限增大，弹条将失效，弹条的扣压力总和接近9.2 kN。

弹条在37.5 kN荷载与其对应的位移幅值控制下，弹条左、右两边前趾端位移变化如图3所示。可以看出，在37.5 kN荷载对应的位移幅值控制下的弹条左、右两边前趾端位移数值与荷载控制下的相比，达到约4 mm位移数值时荷载循环次数减少了近1/2。

图3 37.5 kN荷载与相对应的位移幅值控制下弹条左、右两边前趾端位移变化

线性拟合能将数据点最佳逼近，符合线性规律，反映变量与应变量之间的关系变化，可预测试件的状态和变化趋势，对扣件的寿命分析研究具有参考意义。对图3中的折线进行处理，37.5 kN荷载控制下，弹条左边前趾端位移变化用线性拟合为

Y=5.011 55-2.580 04×10-5X，R2=0.964 37

(6)

由式(6)可知，在荷载循环次数增大时，扣件弹条左边前趾端位移从4.988 mm降至3.945 mm，减少1.043 mm。

37.5 kN荷载对应的位移幅值控制下，弹条左边前趾端位移变化用线性拟合为

Y=5.094 64-5.687 62×10-5X，R2=0.976 55

(7)

由式(7)可知，扣件弹条左边前趾端位移从4.865 mm降至4 mm，减少0.865 mm。

37.5 kN荷载控制下，弹条右边前趾端位移变化用线性拟合为

Y=5.227 36-2.487 18×10-5X，R2=0.969 44

(8)

由式(8)可知，扣件弹条的中圈位移减少1.225 mm。

37.5 kN荷载对应的位移幅值控制下，弹条右边前趾端位移变化用线性拟合为

Y=5.182 85-5.797 14×10-5X，R2=0.973 23

(9)

由式(9)可知，扣件弹条的中圈位移减少1.022 mm。

对比得知，弹条左、右两边前趾端位移变化幅度接近，约1 mm，且弹条左边前趾端的位移值减少量相对略少。随着荷载循环次数逐渐增加，弹条左、右两边前趾端位移呈线性关系逐渐减小，弹条将失效。

3 37.5 kN荷载下的弹条受力理论模拟分析

在37.5 kN荷载控制下，弹条受到的最大应力为1 866 MPa,模型如图4所示。可以看出，弹条后端大圆弧内侧所受应力较大，此处最先发生破坏；其次是弹条后端左右两侧，应力在1 555～1 710 MPa;而弹条左、右两边前趾端压力在5～155 kN，与试验开始时的静压力相对应。

图4 37.5 kN荷载下弹条受力模型

4 结论

试验采用压力控制法和位移控制法两种试验方法。压力控制法通过疲劳试验机在不同疲劳试验荷载下测出弹条双肢位移、中圈位移和扣压力的总和，利用图表对数据进行处理。位移控制法以25 kN的荷载为平衡位置，筛选出弹条双肢位移、中圈位移和扣压力的总和，得出中圈位移和扣压力的总和随荷载循环次数变化的指数函数，再利用指数拟合得出弹条中圈位移和扣压力与荷载循环次数的关系式。

(1)37.5 kN荷载控制下，试样寿命较短，在试验开始阶段弹条扣压力相对较低，中圈位移相对较大，弹条在较大压力下已经产生塑性变形，在较大荷载的长时间作用下弹条扣压力小于正常扣压力值9 kN，中圈位移接近位移上限，弹条失效。

(2)37.5 kN荷载对应的位移幅值控制下，弹条整体变化情况与压力控制下相似，但由于位移控制弹条会产生部分塑性变形，疲劳寿命相对较短，弹条一般达不到设计寿命年限。

(3)弹条的扣压力减小到扣件即将失效时和中圈位移增加到即将失效时，荷载对应的位移幅值控制下的荷载循环次数约为荷载控制下的1/2。

(4)两种试验结果相比较，弹条中圈位移和扣压力均呈阶梯状变化，因为弹条在受力时产生阶段性的塑性变形，扣压力和中圈位移在较大力的作用下变化较大，在较小力的作用下变化较小，在最大压力和最小压力变化范围内，用压力控制的范围比用位移控制的范围变化大。