彈簧鋼屈服強度對地鐵DI型彈條力學性能的影響

曹翁愷 顧海龍 宋建平

(1.洛陽雙瑞特種裝備有限公司，河南 洛陽 471000； 2.洛陽船舶材料研究所，河南 洛陽 471000)

1 概述

扣件是鐵路軌道結構的重要組成部件。其主要作用是固定鋼軌保持軌距，為軌道結構提供彈性以緩解沖擊和振動。扣件系統由扣壓件、緊固件、鐵墊板和彈性墊板等部件組成。按扣壓件的形式，分為彈條式扣件和彈片式扣件兩種類型。彈條扣件在我國鐵路上已廣泛使用，它具有扣壓力大、彈性好以及保持軌距能力剪切變形強等優點[1，2]。現場彈條斷裂是其比較常見的失效形式。隨著扣件失效個數的增加，輪軌間的相互作用力和軌道部件的位移、加速度都將急劇增大，對列車動態脫軌具有很大的影響，并且加速軌道結構其他部件的破壞，甚至危及行車安全[3,4]。

國內外學者針對扣件系統出現的問題從不同角度進行了大量的研究。張慶和郭建平[5]介紹了ω 系列彈條有限元結構分析計算軟件的主要設計理論和基本算法公式以及應用。于向東和曾召林[6]研究了Ⅲ型彈條在安裝過程中產生的塑性變形即變形殘余量，采用預壓強化處理可以提高彈條的比例極限，減少殘余變形，保證扣壓力。武青海等[7]對比了傳統方法和非線性接觸理論在DI型彈條受力分析上的差異，說明了非線性接觸理論的優勢。總之，過去的研究主要集中在動態特性分析、安裝狀態分析、部件結構設計對彈條受力的影響等領域，材料性能或者同一材料不同熱處理工藝對彈條力學性能的影響的研究涉及較少。本文主要就材料性能對彈條力學性能的影響展開分析研究。

2 扣件系統有限元模型

2.1 模型建立

本文以地鐵DI型彈條為研究對象，該類彈條對應的扣件系統主要包括彈條，鐵墊板以及軌距擋板。該類彈條尺寸小，形狀復雜，建模困難。完全依照圖紙，模型過于“完美”，不能真實還原彈條尺寸形狀，所以本文采用激光掃描方法，獲取彈條表面的點云坐標，通過三維空間算法逆向建立彈條3D幾何模型，從而實現精細化建模。鐵墊板和軌距擋板形狀簡單，可直接建立幾何模型。

為真實反映彈條的受力狀態，本文采用面—面接觸單元建立彈條與鐵墊板、彈條與軌距擋板的接觸狀態，鐵墊板底部設置為固定約束，軌距擋板的水平自由度設置為固定約束，只允許有豎向位移。有限元模型全部采用六面體網格劃分，離散后單元數為11 150，節點數為14 108，有限元模型見圖1。

2.2 材料屬性

為驗證材料屈服強度、硬度對彈條力學性能的影響，本文實測了經五種不同回火熱處理工藝處理的60Si2MnA彈簧鋼的拉伸應力應變曲線，如圖2所示。

材料屈服強度(Rp0.2)分別為1 095 MPa，1 222 MPa，1 320 MPa，1 410 MPa以及1 488 MPa，材料洛氏硬度分別為41.9HRC,44.1HRC,45HRC,46.3HRC以及48HRC。

其他材料參數設置如表1所示。

表1 有限元材料參數

3 計算與分析

圖3是彈條在鐵墊板上的安裝位置示意圖。研究表明[9-11]彈條中肢插入長度和彈條局部應力集中存在極大關系，超出此范圍安裝會導致彈條后拱應力集中或扣壓力不足，安裝時，要求彈條后端圓弧與鐵墊板端部的距離d保持在8 mm～10 mm。本文假設彈條安裝均處于合理安裝狀態，取安裝位置10 mm進行計算，在軌道擋板底部設置10.5 kN的豎向載荷進行加載。

3.1 屈服強度對彈條扣壓力的影響

圖4為不同材料屈服強度(以下用Rp0.2代替)的彈條扣壓力與彈程的關系曲線。

從圖4可以看出以上五種材料狀態的扣壓力值隨著彈程的增加而增加，在8.25 kN之前，五種彈條扣壓力曲線基本重合，該部分曲線的彈條剛度如表2所示，剛度值處于(0.735±0.005)kN/mm范圍內。

表2 不同材料屬性彈條的剛度及彈程

扣壓力超過8.25 kN后，各材料剛度沿非線性規律變化，2號～5號剛度曲線基本重合，1號彈條剛度曲線出現明顯偏離。五種彈條扣壓力均達到10.5 kN時，2號～5號彈條的彈程隨著Rp0.2的減小逐漸增大，Rp0.2每減小100 MPa，彈程增加0.063 mm。另外，從圖4可以看出1號彈條彈程明顯大于2號～5號材料，數值為14.09 mm，剛度出現顯著弱化現象。

雖然彈條扣壓力隨著材料Rp0.2增加而增加，但是結合材料應力應變曲線圖2可以看出，材料塑性應變從1 113 MPa對應的8.5%降至1 488 MPa對應的3%，彈條塑性明顯下降，極易產生脆性斷裂。不利于扣件系統的安全使用。

3.2 屈服強度對彈條應力分布的影響

圖5中給出了彈條扣壓力達到10.5 kN時，彈條Von-mises應力的分布情況，圖中灰色表示高應力區、淺灰色表示彈條綜合應力超過屈服應力的區域，深灰色表示低應力區。從圖5可以看出，彈條高應力區主要集中在彈條后端內側圓弧及外肢內側，中肢及彈指區域應力較弱。

表4給出了各個彈條進入塑性階段的單元比例和彈條最大應力值，結合圖5可以看出，在同一扣壓力的情況下，彈條材料的Rp0.2越低，構件進入屈服階段的單元體積比越高，從1號彈條的1.1%增加5號彈條的6.9%。另外，在同一扣壓力的情況下，彈條材料的Rp0.2越低，構件最大應力越低，具體數值見表3。

表3 彈條達到設計扣壓力時構件最大應力

3.3 屈服強度對彈條殘余應力及位移的影響

彈條殘余位移和應力是表征彈條在服役過程抵抗彈程損耗的關鍵參數，研究材料性能對殘余應力和位移的影響至關重要。本文將對采用以上五種屈服強度的彈條施加載10.5 kN的扣壓力，到達目標載荷后再將其卸載，統計扣壓力降至0 kN時，彈條的殘余應力分布及殘余位移。

圖6列出了各個彈條殘余應力分布圖，可以看出，隨著材料Rp0.2的增加，殘余應力的分布范圍逐漸減少。在Rp0.2為1 095 MPa的情況下殘余應力分布在彈條的后拱內側以及外肢內側，隨著Rp0.2的增大(如圖6a)～圖6c)所示)，外肢上的殘余應力逐漸減少，至Rp0.2為1 488 MPa時，殘余應力全部集中到后拱位置。另外殘余位移的大小也受Rp0.2的影響，如表4所示，在Rp0.2為1 095 MPa時殘余應力719.8 MPa，隨著Rp0.2增加逐漸下降，屈服強度達到1 488 MPa時，殘余應力降為372.6 MPa。

其次，不論材料的Rp0.2如何變化，彈條卸載后的殘余應力最大值的位置始終不變，一直處于后拱內弧處。

另外，隨著Rp0.2的降低，殘余位移不斷增加，當Rp0.2降為1 095 MPa時，殘余位移為1.3 mm，超過了目前國內對DI彈條的1 mm上限值[8]，不能滿足使用要求。

表4 彈條殘余應力及殘余位移

4 結論

綜合上述有限元分析結果，彈條材料的Rp0.2對彈條的理想性能緊密相關，主要包括以下幾點規律：

1)彈條Rp0.2保持在1 200 MPa以上時，彈條彈程—扣壓力關系變化很小，扣壓力達到10.5 kN時，彈程偏差范圍在0.17 mm內。當Rp0.2低于1 200 MPa級別時，彈條剛度出現明顯的弱化現象。

2)不同Rp0.2的彈條在達到10.5 kN時，其應力大小的位置分布基本相同，高應力區主要集中在后拱內側及后拱與前拱的連接區域內側。但是隨著Rp0.2的增加,彈條內部進入塑性區域的部分逐步減少，相應的彈條的最大等效應力也在增加。可以說明增大材料屈服強度，有利于增強彈條構件抵抗塑性變形的能力，但是屈服強度越高，韌性和塑性也會降低，一旦形成應力集中容易誘發材料脆性斷裂。

3)隨著材料Rp0.2的降低，其殘余應力不斷增加，殘余位移不斷增大，在Rp0.2低于1 200 MPa時，殘余位移超過1 mm，不符合DI彈條的使用要求。