浅析单趾弹簧扣件PR弹条断裂原因

发布时间：2014-07-28 18:40

　　1 弹条是轨道结构的重要部件，其有效与否直接关系到行车的安全。它主要利用弹性变形时所储存的能量起到缓和机械上的震动和冲击作用，在动荷载下承受长期的、周期性的弯曲、扭转等交变应力。某单位生产的弹条为单趾弹簧扣件PR弹条，其结构型式如图1所示，设计弹程为14.1mm，安装时弹条穿入铁垫板的长度为72～76mm，材质为60Si2Mm热轧弹簧钢，在某地铁线路高架桥弯曲段使用过程中某批次弹条中共有55根出现断裂。
　　（a）正视图（b）俯视图
　　图1弹条结构型式
　　2 检验及分析
　　选取8组断裂样品分别进行了化学成分分析、金相检验和硬度测定。
　　2.1 化学成分分析
　　采用IRIS Intriped ICP发射光谱仪，红外C、S测定仪等仪器设备，测定断裂样品的化学成分，其中C、S、Si、P、Mm元素的含量见表1。从表中可以看出，弹条中上述有害元素的含量均在国标（GB/T1222-1984）规定的范围之内。
　　表1弹条化学成分检测结果
　　元素CSSiPMn
　　实测值0.56～0.610.004～0.0161.83～1.980.007～0.0190.71～0.78
　　GB/T1222-19840.56～0.64≤0.0351.50～2.00≤0.0350.60～0.90
　　2.2 金相检验
　　采用GX金相显微镜，对断裂样品进行金相组织检测。沿断裂件横截面取金相试样，磨制、抛光切片横断面，达到镜面光洁度；然后用2～4%的硝酸酒精溶液侵蚀，制成金相试样在GX71金相显微镜下观察，以最差视场作为评定结果。检验结果表明，弹条金相组织为均匀回火屈氏体+微量（少量）贝氏体+微量铁素体，符合弹条技术要求。部分试样金相检验照片见图2。
　　图2弹条金相组织
　　2.3 硬度测定
　　采用HR150B洛氏硬度计测定断裂样品的表面硬度，见表2。测定结果表明，弹条硬度符合相关技术要求。
　　表2弹条洛氏硬度测定结果
　　项目HRC
　　实测值42.543.044.043.542.545.045.042.0
　　标准值41～46
　　上述检验结果表明，该批次弹条的化学成分符合GB/T1222-1984标准中的60Si2Mn成分要求；采用三次成型、余热淬火工艺制造，经淬回火后获得了最佳组织——回火屈氏体，无脱碳现象；表面硬度为42.0～45.0，满足GB/T 230─1991标准中的弹簧钢表面硬度要求。弹条质量合格，综合性能良好。
　　3 受力分析
　　该线路通车时间较短，弹条断裂时间集中，钢轨温差很小。观察发现，弹条断裂部位均在弹条中肢尾部，断口处有点接触的压痕，断肢与铁垫板插孔的接触状态为两点接触，见图3和图4。
　　图3弹条断裂位置图4断肢两点接触
　　据了解，受工期影响，该批次弹条安装进度很快，部分弹条插入铁垫板插孔过长，出现超限安装状态，特别是发现断裂的弹条，基本上都是超限安装。结构装配分析表明，弹条插入长度过长，将导致其中肢出现下沉，弹程增大。在该批次弹条撤换重新安装后，同一地段未发现新的断裂现象。初步分析认为，弹条的实际安装状态与设计存在差异，使得弹条与插孔的接触状态及其弹程发生变化，从而导致弹条断裂。为更好的找出弹条断裂的原因，佐证初步分析的结论，对弹条进行了有限元应力仿真分析。
　　3.1 计算模型及参数
　　PR弹条为一复杂的三维空间结构，除了承受弯、扭、剪相互作用外，还与铁垫板插孔、轨距块发生挤压作用，因此采用三维实体有限单元法分析弹条的受力。采用20节点等参数实体单元对弹条进行结构离散，共划分为15146个节点和9247个单元，每个节点有3个方向的平动自由度，模型网格剖分见图5。
　　图5模型网格剖分
　　3.2 计算工况
　　根据中肢插入长度、弹程分为两种计算工况，笔耕文化推荐期刊，见表3。
　　表3计算工况
　　工况弹程/mm中肢插入长度/mm与插孔接触状态备注
　　A14.172～76线接触设计工作状态
　　B>14.182点接触超限安装状态
　　（1）设计工作状态下，中肢穿入铁垫板插孔内的长度在72mm至76mm之间，并与插孔呈线性接触状态，弹条趾端的垂向位移达到设计弹程14.1mm，见图6和图7。
　　图6设计工作状态图7现场安装状态
　　（2）超限安装状态下，中肢穿入铁垫板插孔内的长度达82mm，超过设计允许的76mm，若铁垫板插孔两端无R6mm的圆弧，将导致弹条与铁垫板的接触状态呈断续点接触；同时弹条插入长度过长后，其中肢下沉0.7mm，导致弹条弹程增大，增大量为0.7*（42+55）=1.62mm，见图8和图9。
　　图8超限安装状态图9超限安装变形图
　　3.3 计算结果及分析
　　图10、图11为PR弹条在两种工况下根据第四强度理论计算得到的等效应力分布。
　　（a）整体（b）断裂截面
　　图10工况A等效应力分布
　　（a）整体（b）断裂截面
　　图11工况B等效应力分布
　　从图6、图7可以看出：
　　（1）当弹条处于设计工作状态时，最大等效应力为1127MPa，小于弹簧钢的屈服强度1200MPa。最大等效应力出现在弹条中肢尾部与铁垫板接触点处，弹条中肢与跟端连接小圆弧的应力也较大，约为753～877MPa。断裂截面的应力四周大，中间小，表现出扭转受力的特征，弹条表面与铁垫板插孔接触点的应力又稍大于其他周边，表明在该点存在一个较小的挤压作用。
　　（2）当弹条处于超限安装状态时，最大等效应力为1363MPa，大于弹簧钢的极限强度1300MPa。弹条在接触点出现裂纹，随着列车的反复通过，裂纹逐渐扩大，最终出现断裂。最大等效应力出现在弹条中肢尾部与铁垫板接触点处，中肢头部与铁垫板接触点的应力接近最大等效应力。与工况A相比，弹条中肢与跟端连接小圆弧的应力水平大幅降低，仅为271～540MPa。断裂截面的应力接触点最大，从接触点向下快速减小，整个截面应力分布表现为挤压应力特征，并有明显的应力集中现象。

本文编号：6876