非線性接觸理論下彈條緊固件的力學(xué)性能分析

楊曉攀

（云南三環(huán)中化化肥有限公司，昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650113）

彈條緊固扣件是固定軌道常用的一種扣件系統(tǒng)，多用于交通工程、機(jī)械工程、化學(xué)工程軌道直線段和大曲率曲線段上，它的主要作用是利用彈條緊固件自身產(chǎn)生的彈性變形將軌道與軌下結(jié)構(gòu)牢固的聯(lián)結(jié)在一起，保證軌道上方的設(shè)備在快速運(yùn)行時，軌道不發(fā)生橫向和縱向滑移，使軌上設(shè)備安全運(yùn)行。近年來，對彈條緊固扣件系統(tǒng)的研究相對較少，伍曾等為研究在室溫蠕變條件下為WJ-7型扣件中的W1型彈條緊固件扣壓力的變化趨勢，將WJ-7型扣件安裝在軌上設(shè)備的軌道上，每隔一周，檢測W1型彈條緊固件兩側(cè)前端扣壓力值和彈條中圈彈程（位移）值，試驗得出在室溫蠕變條件下放置一年，W1型彈條緊固件兩側(cè)前端扣壓力值衰減大約8%左右，彈條中圈彈程（位移）值大約下降10%左右，說明室溫蠕變會對彈條扣壓力產(chǎn)生一定的衰減作用；黃新杰等通過在W1型彈條上施加三種不同的循環(huán)荷載，得出彈條在三種循環(huán)荷載下的疲勞壽命和彈條前端扣壓力的變化規(guī)律；羅耀波等通過建立WJ-7型扣件有限元模型，分析瞬時沖擊力對WJ-7型扣件的影響，模擬結(jié)果得出，WJ-7型扣件在受到瞬時沖擊力時會增大彈條后端圓弧內(nèi)側(cè)表面的應(yīng)力值，進(jìn)一步加劇了彈條在該部位的應(yīng)力集中，也有學(xué)者分析了何種情況會導(dǎo)致WJ-7型扣件疲勞斷裂。綜上，可以看出，對彈條緊固扣件的研究多是通過試驗來研究彈條緊固扣件的疲勞壽命的，對采用非線性理論分析扣件彈條在外力作用下的受力性能變化的研究較少。本文以WJ-7型扣件中的W1型彈條緊固件為例，在ABAQUS有限元軟件中建立存在接觸的扣件彈條模型，并對扣件彈條模型進(jìn)行力學(xué)性能分析。

1 扣件系統(tǒng)

WJ-7型扣件系統(tǒng)主要是由聯(lián)結(jié)軌道和軌下結(jié)構(gòu)的彈條緊固件（彈條緊固件分為W1型和X2型兩種，本文分析研究W1型彈條緊固件）、給彈條緊固件提供形變能力的錨固螺栓、放置緊固件的鐵墊板、調(diào)節(jié)軌道鉛錘高度的軌下調(diào)高墊板等零部件組成。WJ-7型扣件系統(tǒng)各零部件組裝完成示意圖和部分零部件材料屬性分別見圖1和表1。

圖1 WJ-7型扣件系統(tǒng)組裝示意圖

表1 WJ-7型扣件材料屬性

2 扣件彈條有限元分析

2.1 扣件有限元模型

為了提高有限元分析效率，將WJ-7型扣件系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕＝^緣塊實際上是一個L型的橡膠塊，在有限元軟件中將其簡化為長為48mm、寬為20mm、高為8mm的方型絕緣塊，將錨固螺栓其簡化為一個內(nèi)直徑為28mm、外直徑為54mm的空心實體圓環(huán)，鐵墊板和W1型彈條按照鐵科院公布的WJ-7型扣件設(shè)計圖紙進(jìn)行三維建模。在ABAQUS軟件中建立并裝配好的WJ-7型扣件三維有限元模型如圖2所示。彈條與各零部件之間接觸設(shè)置如表2所示。

圖2 WJ-7型扣件模型

表2 扣件模型接觸設(shè)置

2.2 扣件彈條有限元受力分析

在圖2中，空心實體圓環(huán)上表面上施加外力荷載，外力荷載從0kN開始施加，以5kN為梯度，外力荷載加載至40kN結(jié)束，通過ABAQUS軟件記錄不同外力荷載下W1型彈條各部位表面的應(yīng)力值變化趨勢，由于篇幅所限，只提取在20kN、25kN和30kN外力荷載下彈條應(yīng)力變化圖，如圖3所示。

圖3 彈條Mises應(yīng)力圖

由圖3可以看出，在外力荷載作用下，W1型彈條應(yīng)力值隨著外力荷載的增大而增大，二者呈正相關(guān)；應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在彈條后端圓弧靠內(nèi)側(cè)表面，隨著外力荷載的增大，彈條后端圓弧靠內(nèi)側(cè)表面的應(yīng)力集中現(xiàn)象就越明顯，外力荷載為20kN時，彈條后端圓弧靠內(nèi)側(cè)表面應(yīng)力值為1171MPa，此時，彈條的應(yīng)力值已經(jīng)較大，但是離彈條（彈簧鋼）的屈服強(qiáng)度1580MPa還有很大差距，當(dāng)外力荷載繼續(xù)增加至25kN時，彈條后端圓弧靠內(nèi)側(cè)表面應(yīng)力值為1479MPa，此時，彈條的應(yīng)力值離材料的屈服強(qiáng)度僅差101MPa，說明此時彈條已經(jīng)十分接近屈服，外力荷載為30kN時，彈條后端圓弧靠內(nèi)側(cè)表面應(yīng)力值為1614MPa，此時，彈條的應(yīng)力值已經(jīng)超過彈條的屈服強(qiáng)度34MPa，彈條已經(jīng)發(fā)生屈服，且此時彈條扣壓力達(dá)到9.72kN，滿足WJ-7型扣件彈條安裝規(guī)范大于9kN的要求。說明外力荷載為30kN時，W1型彈條滿足安裝規(guī)范的要求。

3 扣件彈條模態(tài)分析

為了分析采用非線性接觸理論建立的扣件彈條有限元模型的模態(tài)頻率是否與扣件彈條在真實工作下的頻率一致，提取WJ-7型扣件彈條模型在2000Hz內(nèi)的前6階模態(tài)頻率，如圖4所示。

圖4 W1型彈條前6階模態(tài)頻率

由圖4可以看出，W1型彈條2000Hz內(nèi)前6階模態(tài)頻率 分 別 是533.15Hz、536.74Hz、1023.1Hz、1356.3Hz、1488.2Hz、1915.6Hz。與通過試驗測出的W1型彈條在2000Hz內(nèi)前六階的固有頻率相比較誤差較小，說明采用非線性接觸理論建立的WJ-7型扣件彈條模型模擬出的彈條前2000Hz內(nèi)前六階的固有頻率與彈條實際工作狀態(tài)下前2000Hz內(nèi)前六階的固有頻率接近，進(jìn)一步驗證了模型是相對可靠的。

4 結(jié)語

（1）通過非線性接觸理論，建立WJ-7型扣件彈條模型。

（2）在不同外力荷載作用下，WJ-7型扣件彈條表面產(chǎn)生的應(yīng)力值隨著外力荷載的增大而增大，說明外力荷載與彈條表面應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。

（3）外力荷載作用下，無論外力荷載多大，彈條的最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在后端圓弧靠內(nèi)側(cè)表面上且外力荷載達(dá)到30kN時，W1型彈條后端圓弧靠內(nèi)側(cè)表面應(yīng)力值達(dá)到1614MPa，彈條兩側(cè)前端扣壓力達(dá)到9.72kN，達(dá)到WJ-7型扣件的安裝規(guī)范要求。

（4）通過模擬分析WJ-7型扣件彈條模型在2000Hz內(nèi)的前6階模態(tài)頻率發(fā)現(xiàn)，該模型與實際工作狀態(tài)下彈條2000Hz內(nèi)的前6階模態(tài)頻率較為接近，進(jìn)一步驗證了采用非線性接觸理論建立的WJ-7型扣件彈條模型是相對可靠的。