非线性接触理论下弹条紧固件的力学性能分析

杨晓攀

（云南三环中化化肥有限公司，昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650113）

弹条紧固扣件是固定轨道常用的一种扣件系统，多用于交通工程、机械工程、化学工程轨道直线段和大曲率曲线段上，它的主要作用是利用弹条紧固件自身产生的弹性变形将轨道与轨下结构牢固的联结在一起，保证轨道上方的设备在快速运行时，轨道不发生横向和纵向滑移，使轨上设备安全运行。近年来，对弹条紧固扣件系统的研究相对较少，伍曾等为研究在室温蠕变条件下为WJ-7型扣件中的W1型弹条紧固件扣压力的变化趋势，将WJ-7型扣件安装在轨上设备的轨道上，每隔一周，检测W1型弹条紧固件两侧前端扣压力值和弹条中圈弹程（位移）值，试验得出在室温蠕变条件下放置一年，W1型弹条紧固件两侧前端扣压力值衰减大约8%左右，弹条中圈弹程（位移）值大约下降10%左右，说明室温蠕变会对弹条扣压力产生一定的衰减作用；黄新杰等通过在W1型弹条上施加三种不同的循环荷载，得出弹条在三种循环荷载下的疲劳寿命和弹条前端扣压力的变化规律；罗耀波等通过建立WJ-7型扣件有限元模型，分析瞬时冲击力对WJ-7型扣件的影响，模拟结果得出，WJ-7型扣件在受到瞬时冲击力时会增大弹条后端圆弧内侧表面的应力值，进一步加剧了弹条在该部位的应力集中，也有学者分析了何种情况会导致WJ-7型扣件疲劳断裂。综上，可以看出，对弹条紧固扣件的研究多是通过试验来研究弹条紧固扣件的疲劳寿命的，对采用非线性理论分析扣件弹条在外力作用下的受力性能变化的研究较少。本文以WJ-7型扣件中的W1型弹条紧固件为例，在ABAQUS有限元软件中建立存在接触的扣件弹条模型，并对扣件弹条模型进行力学性能分析。

1 扣件系统

WJ-7型扣件系统主要是由联结轨道和轨下结构的弹条紧固件（弹条紧固件分为W1型和X2型两种，本文分析研究W1型弹条紧固件）、给弹条紧固件提供形变能力的锚固螺栓、放置紧固件的铁垫板、调节轨道铅锤高度的轨下调高垫板等零部件组成。WJ-7型扣件系统各零部件组装完成示意图和部分零部件材料属性分别见图1和表1。

图1 WJ-7型扣件系统组装示意图

表1 WJ-7型扣件材料属性

2 扣件弹条有限元分析

2.1 扣件有限元模型

为了提高有限元分析效率，将WJ-7型扣件系统进行适当的简化。绝缘块实际上是一个L型的橡胶块，在有限元软件中将其简化为长为48mm、宽为20mm、高为8mm的方型绝缘块，将锚固螺栓其简化为一个内直径为28mm、外直径为54mm的空心实体圆环，铁垫板和W1型弹条按照铁科院公布的WJ-7型扣件设计图纸进行三维建模。在ABAQUS软件中建立并装配好的WJ-7型扣件三维有限元模型如图2所示。弹条与各零部件之间接触设置如表2所示。

图2 WJ-7型扣件模型

表2 扣件模型接触设置

2.2 扣件弹条有限元受力分析

在图2中，空心实体圆环上表面上施加外力荷载，外力荷载从0kN开始施加，以5kN为梯度，外力荷载加载至40kN结束，通过ABAQUS软件记录不同外力荷载下W1型弹条各部位表面的应力值变化趋势，由于篇幅所限，只提取在20kN、25kN和30kN外力荷载下弹条应力变化图，如图3所示。

图3 弹条Mises应力图

由图3可以看出，在外力荷载作用下，W1型弹条应力值随着外力荷载的增大而增大，二者呈正相关；应力最大值均出现在弹条后端圆弧靠内侧表面，随着外力荷载的增大，弹条后端圆弧靠内侧表面的应力集中现象就越明显，外力荷载为20kN时，弹条后端圆弧靠内侧表面应力值为1171MPa，此时，弹条的应力值已经较大，但是离弹条（弹簧钢）的屈服强度1580MPa还有很大差距，当外力荷载继续增加至25kN时，弹条后端圆弧靠内侧表面应力值为1479MPa，此时，弹条的应力值离材料的屈服强度仅差101MPa，说明此时弹条已经十分接近屈服，外力荷载为30kN时，弹条后端圆弧靠内侧表面应力值为1614MPa，此时，弹条的应力值已经超过弹条的屈服强度34MPa，弹条已经发生屈服，且此时弹条扣压力达到9.72kN，满足WJ-7型扣件弹条安装规范大于9kN的要求。说明外力荷载为30kN时，W1型弹条满足安装规范的要求。

3 扣件弹条模态分析

为了分析采用非线性接触理论建立的扣件弹条有限元模型的模态频率是否与扣件弹条在真实工作下的频率一致，提取WJ-7型扣件弹条模型在2000Hz内的前6阶模态频率，如图4所示。

图4 W1型弹条前6阶模态频率

由图4可以看出，W1型弹条2000Hz内前6阶模态频率 分 别 是533.15Hz、536.74Hz、1023.1Hz、1356.3Hz、1488.2Hz、1915.6Hz。与通过试验测出的W1型弹条在2000Hz内前六阶的固有频率相比较误差较小，说明采用非线性接触理论建立的WJ-7型扣件弹条模型模拟出的弹条前2000Hz内前六阶的固有频率与弹条实际工作状态下前2000Hz内前六阶的固有频率接近，进一步验证了模型是相对可靠的。

4 结语

（1）通过非线性接触理论，建立WJ-7型扣件弹条模型。

（2）在不同外力荷载作用下，WJ-7型扣件弹条表面产生的应力值随着外力荷载的增大而增大，说明外力荷载与弹条表面应力呈正相关关系。

（3）外力荷载作用下，无论外力荷载多大，弹条的最大应力值均出现在后端圆弧靠内侧表面上且外力荷载达到30kN时，W1型弹条后端圆弧靠内侧表面应力值达到1614MPa，弹条两侧前端扣压力达到9.72kN，达到WJ-7型扣件的安装规范要求。

（4）通过模拟分析WJ-7型扣件弹条模型在2000Hz内的前6阶模态频率发现，该模型与实际工作状态下弹条2000Hz内的前6阶模态频率较为接近，进一步验证了采用非线性接触理论建立的WJ-7型扣件弹条模型是相对可靠的。