e 型彈條疲勞試驗對其使用性能的影響

吳海駿，王東哲，何淼君

（安徽省產品質量監督檢驗研究院，安徽 合肥 230601）

由彈條等組件構成的扣件系統在地鐵等軌道結構中占有重要地位，其利用彈性變形儲存能量發揮著固定鋼軌、承受各向應力、減震緩沖的作用[1]。近年來，隨著城市軌道交通的快速發展，彈條在城市軌道交通工程中的使用越來越多，彈條的失效問題也日益突出。

彈條的失效主要分為斷裂失效、表面損傷失效和過量變形失效等，以往對于彈條失效的研究主要針對有限元模型計算和斷裂后的失效分析[2，3]，而對于腐蝕和磨損引起的表面損傷失效、荷載作用下的過量變形失效等研究較少。本文針對城市軌道交通中應用較多的e型彈條，通過設計試驗方案研究疲勞試驗對其表面腐蝕、扣壓力和殘余變形等使用性能的影響。

1 試驗材料

本試驗采用e型無螺栓彈條，材料為60Si2Mn，加工工藝流程為： 剪切下料→加熱成型→淬火→回火→拋丸→達克羅表面防腐處理→包裝。

2 試驗方法

（1）疲勞-腐蝕交替試驗。由于地鐵大多在地下潮濕環境下運行，對彈條等扣件的腐蝕往往較為嚴重，彈條斷裂時有發生，彈條設計要求為采用達克羅處理，且經 300h 中性鹽霧試驗后保護級不得低于 9 級，但在實際工況下彈條存在振動和扭轉，其對達克羅涂層的附著性能和防腐蝕效果的影響尚無研究。另外，彈條的疲勞性能要求為經 500 萬次疲勞試驗后不得折斷，因此本文的試驗方法為疲勞-腐蝕交替，即150萬次疲勞試驗→100h中性鹽霧試驗→150萬次疲勞試驗→100h中性鹽霧試驗→200萬次疲勞試驗→100h中性鹽霧試驗，其中疲勞試驗的頻率為16Hz，周期位移為mm。

圖1 彈條扣壓力試驗示意圖

（2）疲勞-扣壓力試驗。通過測試500 萬次疲勞試驗前后彈條扣壓力的變化研究彈條疲勞試驗對扣壓力的影響。彈條扣壓力試驗如圖1所示。將支架放置在萬能試驗機工作臺上，被測彈條裝入支架中，彈條小圓弧內側與插入座端部相距8mm～10mm。試驗機加載速度為0.5 kN/s，使彈條趾端向下產生垂直位移，當垂直位移為10.5mm時，試驗機顯示的載荷為彈條的扣壓力。

3 試驗結果與分析

（1） 疲勞-腐蝕交替試驗。按該型號彈條技術要求，疲勞試驗為每組3根。疲勞-腐蝕交替試驗后，彈條均未發生斷裂，經測量，3根彈條的殘余變形分別為：0.60mm、0.78mm、0.58mm，均滿足技術要求中殘余變形不大于1mm的要求。

試驗后彈條的達克羅表面未發生明顯腐蝕，只在彈條的趾端與試驗機接觸處因磨損導致涂層脫落進而發生銹蝕。結合e型彈條的有限元分析，以及彈條在實際使用和檢測過程中的斷裂情況，彈條中肢與跟端連接的小圓弧處承受的拉伸、扭轉載荷相對較大，也是最易斷裂的位置。根據圖2對彈條小圓弧內側的局部放大可以看出，小圓弧內側未發生涂層開裂等破壞現象，其表面也未見明顯腐蝕。

圖2 疲勞-腐蝕交替試驗后彈條小圓弧內側局部形貌

圖3 彈條圓弧內側截面邊緣顯微形貌

將試驗后的彈條沿小圓弧垂直方向切開，圓弧內側邊緣經拋光后放大500倍的顯微形貌如圖3所示。該彈條的達克羅涂層厚度一般為5μm～10μm，可以看到在此范圍內的彈條邊緣比較整齊，未出現裂紋和剝落等現象，說明涂層在此處附著較為完好，并未受到疲勞過程中的形變影響，仍能對基體金屬起到很好的保護作用。

（2）疲勞-扣壓力試驗。采用三個不同廠家同一批次的彈條進行疲勞-扣壓力試驗，疲勞試驗前后的扣壓力如表1所示，可以看到，經過500萬次疲勞試驗后，3組彈條的扣壓力均出現了下降，下降幅度為6.7%～13.2%不等，這主要有兩個原因，一是彈條疲勞后的應力松弛導致出現殘余變形，從而在相同的彈程下扣壓力值變小；二是由于彈簧鋼本身的疲勞軟化。依據國標GB/T 1222-2016《彈簧鋼》，60Si2Mn彈簧鋼的強屈比σb/σ0.2為1.14，一般來說，當材料的強屈比＜1.2時，材料的硬度值在疲勞后下降，表現為循環軟化。

根據彈條的設計要求，該彈條在標準組裝狀態下的扣壓力應不小于8kN。3組彈條在疲勞試驗前扣壓力均能滿足要求，廠家C生產的彈條扣壓力相對較小，在經過疲勞試驗后，隨著材料的應力松弛和疲勞軟化，廠家C的彈條實際扣壓力均已小于8kN，因此可能無法起到有效固定鋼軌的作用。

表1 疲勞試驗前后彈條扣壓力值(kN)

實驗中我們還發現，彈條經過扣壓力試驗后，再進行疲勞試驗時，其殘余變形相比未進行扣壓力試驗的樣品更小，我們對每個廠家隨機選擇了3組6根彈條進行了對比試驗，結果如表2所示。所有彈條均能通過500萬次疲勞試驗，但未經扣壓力試驗的彈條疲勞試驗后的殘余變形較大，而經過扣壓力試驗的彈條在疲勞試驗后的殘余變形量均在0.30mm以下。因此，可以適當通過對彈條施加預加載降低彈條在后期使用過程中的殘余變形，起到保持彈條扣壓力的作用。

表2 經過和未經過扣壓力試驗彈條的殘余變形量(mm)

4 結論

通過對該型號彈條的一系列試驗，結果表明，達克羅涂層在彈條表面的附著性較好，能夠在承受疲勞過程中的形變的同時，對基體金屬起到很好的防腐蝕保護作用。經過疲勞試驗后，彈條的扣壓力會出現不同程度的下降，可能對其固定鋼軌產生不利影響；適當對彈條施加預加載可以降低彈條在后期使用過程中的殘余變形，起到保持彈條扣壓力的作用。