地鐵扣件DI彈條安裝受力分析及工藝優(yōu)化改進(jìn)研究

陳明明,盧 俊,余 鴻,王 平,趙才友

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031；3.中鐵隆昌鐵路器材有限公司,四川內(nèi)江 642150)

扣件系統(tǒng)在保證軌道彈性和幾何尺寸方面起著重要作用，彈條是扣件系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，為扣件系統(tǒng)提供必要的扣壓力[1-5]。研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市地鐵線路存在著彈條扣壓力不足、彈條斷裂、彈條銹蝕等病害，這些病害對(duì)地鐵行車安全、扣件系統(tǒng)的使用壽命都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[6-8]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)彈條受力特性進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[9]應(yīng)用非線性接觸理論模擬彈條與預(yù)埋鐵座的接觸，研究彈條的變形和應(yīng)力，并與只考慮彈條模型的傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)[10]論證了適于彈條強(qiáng)度校核的理論為畸變能強(qiáng)度理論，提出了彈條優(yōu)化設(shè)計(jì)的衡量指標(biāo)與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[11]應(yīng)用有限元法，研究了Ⅲ型彈條不同安裝狀態(tài)和彈程對(duì)其扣壓力和應(yīng)力的影響。文獻(xiàn)[12]基于彈條靜動(dòng)態(tài)受力和頻譜特性，對(duì)扣件系統(tǒng)疲勞傷損機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，揭示了彈條的斷裂原因，并預(yù)測(cè)彈條的疲勞壽命，最后提出了彈條優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[13]研究了彈條在安裝過(guò)程中的受力及列車動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)特性，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)鋼軌波磨明顯加劇了扣件彈條的振動(dòng)，從而會(huì)加速?gòu)棗l的疲勞損傷。總之，以往的研究主要從彈條的靜動(dòng)態(tài)受力特性方面提出改進(jìn)措施，對(duì)彈條生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進(jìn)卻鮮見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為此，以地鐵扣件中常用的DI彈條為研究對(duì)象，通過(guò)建立DI彈條有限元模型分析彈條扣壓力不足及彈條斷裂的原因，并從生產(chǎn)工藝角度提出彈條的優(yōu)化改進(jìn)措施，為DI彈條的生產(chǎn)、制造和安裝提供技術(shù)參考。

1 DI彈條主要病害

(1)扣壓力不足

扣壓力是軌道保持平順和整體形狀不變的重要保證。鋼軌與地面之間的穩(wěn)固連接依靠穩(wěn)定且合適的扣壓力來(lái)保證。當(dāng)彈條本身的扣壓力不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，防爬阻力不夠，彈條無(wú)法保證鋼軌之間的連接強(qiáng)度，鋼軌將產(chǎn)生相對(duì)于軌枕的縱橫向移動(dòng)，軌距也會(huì)產(chǎn)生變化，滾動(dòng)過(guò)程中要求緊密貼合的火車車輪與鋼軌也將發(fā)生脫離，造成列車脫軌的嚴(yán)重事故[14]。如在長(zhǎng)沙地鐵某線車輛段調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于彈條沒(méi)有安裝到位，扣壓力不足導(dǎo)致鋼軌在縱向爬行了5 mm，嚴(yán)重威脅行車安全。

(2)彈條斷裂

實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市地鐵線路存在彈條頻繁斷裂現(xiàn)象，且斷裂位置多集中在彈條后拱小圓弧與中肢連接處，如圖1所示。彈條一旦斷裂，將失去對(duì)鋼軌的扣緊作用。偶爾有一兩根彈條失效，對(duì)軌道安全的影響還不是很大，但是如果相鄰彈條斷裂5根以上，扣件對(duì)鋼軌的扣壓作用將喪失。由此將引起鋼軌爬行、軌道位移等一系列連鎖反應(yīng)，甚至導(dǎo)致列車脫軌翻車[15]。

(3)彈條銹蝕

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，南京某地鐵線路所用DI彈條出現(xiàn)大規(guī)模、大面積銹蝕現(xiàn)象。彈條銹蝕會(huì)破壞彈條的表面處理層，使其失去防銹效果。如不及時(shí)對(duì)銹蝕處進(jìn)行修補(bǔ)，銹蝕點(diǎn)會(huì)漸漸擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)會(huì)布滿彈條整個(gè)表面并進(jìn)一步向內(nèi)部擴(kuò)散，如圖2所示。久而久之，彈條的強(qiáng)度、塑性、韌性等會(huì)被削弱，幾何形狀會(huì)被破壞，與其他配件之間的磨損也會(huì)增加，疲勞壽命也會(huì)縮短，甚至?xí)斐闪熊嚸撥壍葹?zāi)難性事故。

圖1 DI彈條斷裂情況

圖2 彈條銹蝕

2 DI彈條病害原因分析

2.1 DI彈條扣件系統(tǒng)有限元模型

扣件彈條形狀復(fù)雜，體積小，工作時(shí)的邊界條件和受力情況復(fù)雜[11]。為盡可能真實(shí)地模擬扣件系統(tǒng)的受力特征，并考慮到計(jì)算成本，根據(jù)扣件系統(tǒng)實(shí)際尺寸建立了簡(jiǎn)化后的DTVI2型扣件系統(tǒng)，包括DI彈條、鐵墊板。簡(jiǎn)化后扣件系統(tǒng)有限元模型及DI彈條各部位的名稱如圖3(a)所示。

圖3 扣件系統(tǒng)有限元模型

為比較真實(shí)地模擬彈條工作時(shí)的受力特性，在彈條中肢與鐵墊板插孔以及彈條跟端與鐵墊板承臺(tái)之間分別設(shè)置一個(gè)面-面接觸對(duì)，鐵墊板下表面則設(shè)置為全約束。根據(jù)DI彈條圖紙技術(shù)說(shuō)明，彈條后拱小圓弧內(nèi)側(cè)與鐵墊板端部的距離d應(yīng)保持在8～10 mm，如圖3(b)所示。

本文取為9 mm。計(jì)算時(shí)，在彈條趾端下表面施加向上的位移，模擬彈條彈程的變化，以探究彈條扣壓力和最大等效應(yīng)力與彈條彈程的關(guān)系。

DI彈條材料為60Si2MnA，屈服強(qiáng)度為1 400 MPa，抗拉強(qiáng)度1 600 MPa[16]，材料本構(gòu)模型采用理想線性強(qiáng)化彈塑性模型，強(qiáng)度理論采用第四強(qiáng)度理論。彈條及鐵墊板的材料屬性如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.2 彈條扣壓力不足、斷裂原因分析

由上述模型，計(jì)算可得彈條扣壓力、最大等效應(yīng)力與彈程關(guān)系，如圖4所示。圖5、圖6分別為彈程為10.5 mm時(shí)，彈條豎向位移、等效應(yīng)力的分布情況。

圖4 扣壓力、最大等效應(yīng)力與彈程關(guān)系

由圖4、圖5可知，彈條彈程越大，扣壓力也越大，彈條扣壓力通過(guò)安裝時(shí)彈條的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)生產(chǎn)彈程不足，安裝時(shí)彈條基本不需要變形就能裝入鐵座(圖7)，從而導(dǎo)致彈條扣壓力不足。由圖6可知，彈程為10.5 mm時(shí)，彈條最大等效應(yīng)力值為1 400 MPa，發(fā)生在彈條后拱小圓弧內(nèi)側(cè)，此區(qū)域?yàn)閺棗l關(guān)鍵受力區(qū)(圖8)。隨著列車的反復(fù)通過(guò)，彈條容易在局部應(yīng)力集中處萌生裂紋，最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致彈條發(fā)生疲勞斷裂[11]。

圖5 彈條變形云圖

圖6 彈條等效應(yīng)力云圖

圖7 彈條產(chǎn)生彈程示意(單位：mm)

圖8 彈條關(guān)鍵受力區(qū)

3 DI彈條優(yōu)化改進(jìn)

3.1 原材料優(yōu)化

DI彈條采用φ18 mm的60Si2Mn或60Si2MnA鋼棒作為原材料，這兩種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示[16]。由表2可知，P、S元素在60Si2MnA中含量更低，而P、S在鋼中都屬于有害元素。P會(huì)使鋼材的冷脆敏感性和回火脆性增加，降低其塑性，破壞鋼的冷彎性能；在S的作用下鋼會(huì)產(chǎn)生熱脆性，其延展性和韌性都顯著降低，裂紋在鍛造和軋制時(shí)更易形成，耐腐蝕性也會(huì)降低[17]；此外，60Si2MnA的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能都優(yōu)于60Si2Mn。為驗(yàn)證60Si2MnA彈簧鋼力學(xué)性能的優(yōu)越性，從由這兩種原材料生產(chǎn)的成品中各選取3件進(jìn)行扣壓力和疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表2 彈簧鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能

由表3可進(jìn)一步看出，相比60Si2Mn，由60Si2MnA彈簧鋼生產(chǎn)的彈條，其扣壓力從8.17 kN提高至8.79 kN，疲勞次數(shù)從503萬(wàn)次提高至541萬(wàn)次，力學(xué)性能更加優(yōu)越。

因此，宜選用φ18 mm的60Si2MnA鋼棒作為DI彈條的原材料。

表3 兩種原材料性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

(1)加強(qiáng)坯料加熱控制

坯料的加熱溫度和受熱均勻性對(duì)成品強(qiáng)度有很大影響。因此，中頻加熱時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制坯料溫度，保證坯料受熱均勻[18]。為使棒料受熱均勻，中頻加熱線圈里的玻璃管采用適用于φ18 mm棒料的石英玻璃管，并將生產(chǎn)頻率從13件/min減小到10.5～12件/min，以達(dá)到組織轉(zhuǎn)變更均勻的目的。

(2)加強(qiáng)淬火溫度控制

中頻加熱升溫快，坯料可在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到壓型所需溫度，然后進(jìn)行模具壓型和淬火。但從坯料加熱結(jié)束到開(kāi)始淬火，坯料溫度會(huì)大幅下降，而入油溫度又與彈條的淬火硬度密切相關(guān)[19-20]。因此，為探究淬火溫度對(duì)彈條淬火硬度的影響，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，壓型溫度為960 ℃，淬火介質(zhì)采用HLN32號(hào)機(jī)油，介質(zhì)溫度取為64，66，70 ℃，分析不同淬火溫度對(duì)彈條淬火硬度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 淬火溫度對(duì)彈條淬火硬度影響

由圖9可知，淬火溫度對(duì)彈條的淬火硬度有較大影響，淬火溫度越低，彈條的淬火硬度越小。因此，生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格控制淬火時(shí)的入油溫度在830 ℃以上。與坯料加熱類似，對(duì)自動(dòng)測(cè)溫儀判定不合格的工件，由翻料裝置將其轉(zhuǎn)入廢料區(qū)，以避免不合格工件進(jìn)入下一道工序。

(3)優(yōu)化淬火介質(zhì)

淬火后的組織和性能受冷卻介質(zhì)的直接影響。對(duì)60Si2MnA彈簧鋼來(lái)說(shuō)，冷卻介質(zhì)常選用油，油的運(yùn)動(dòng)黏度和工作溫度是影響淬火性能的主要指標(biāo)。因此，分別選取4種不同的油作為淬火介質(zhì)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同淬火介質(zhì)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，綜合考慮各種因素，選擇32號(hào)機(jī)油作為淬火介質(zhì)較好。對(duì)淬火后的彈條進(jìn)行金相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)基本上是馬氏體，有少量貝氏體和殘余鐵素體夾雜其中。其中淬火馬氏體為均勻的細(xì)小針狀馬氏體(1級(jí))，殘余鐵素體≤2級(jí)，貝氏體≤1級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求[21]。

(4)優(yōu)化回火工藝

將淬火后的樣件送入網(wǎng)帶式連續(xù)回火爐進(jìn)行回火，回火參數(shù)如表5所示，分別取32號(hào)機(jī)油和水做為冷卻介質(zhì)，最后測(cè)量其硬度，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 回火參數(shù)

表6 回火硬度測(cè)量結(jié)果

由表6可知，與32號(hào)機(jī)油相比，以水作為回火介質(zhì)，得到的回火硬度較大。對(duì)回火后的彈條進(jìn)行金相檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)組織是均勻的回火屈氏體和回火索氏體，在心部有微量的斷續(xù)鐵素體，脫碳層≤0.25 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求[21]?；鼗鸾鹣嘟M織如圖10所示。

3.3 表面處理方式優(yōu)化

表面處理是彈條防銹性能的重要保證手段，特別是DI彈條多用于地鐵隧道內(nèi)，常年處于陰暗、潮濕、酸堿混合的惡劣環(huán)境，對(duì)防銹性能提出了更高的要求。故應(yīng)根據(jù)彈條的材料、生產(chǎn)工藝及具體的現(xiàn)場(chǎng)工況選擇表面處理方式。因此，選取多元合金共滲、熱浸鍍鋅、電泳涂漆、達(dá)克羅[22]等4種表面處理方式進(jìn)行附著力、疲勞和鹽霧的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。

圖10 回火金相組織

表7 不同表面處理方式試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，與其他3種表面處理方式相比，DI彈條表面在經(jīng)多元合金共滲處理后的綜合性能最好。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合以上論述，對(duì)各項(xiàng)優(yōu)化措施進(jìn)行固化，得到優(yōu)化后DI彈條各生產(chǎn)要素一覽表，如表8所示。

表8 優(yōu)化后DI彈條各生產(chǎn)要素

為驗(yàn)證優(yōu)化措施的有效性，對(duì)采用新工藝生產(chǎn)的DI彈條進(jìn)行扣壓力、疲勞試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)。

(1)扣壓力試驗(yàn)

參照鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[23]進(jìn)行彈條扣壓力測(cè)試，結(jié)果如表9所示。由表9可知，DI彈條扣壓力滿足技術(shù)要求。

(2)疲勞試驗(yàn)

對(duì)DI彈條進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[23]，以此來(lái)驗(yàn)證DI彈條的疲勞性能優(yōu)化措施的有效性。試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表9 扣壓力測(cè)試結(jié)果

由表10可知，經(jīng)500萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，3個(gè)彈條試樣均未發(fā)生斷裂，且其殘余變形均小于1 mm，滿足技術(shù)要求。

(3)鹽霧試驗(yàn)

對(duì)DI彈條樣件進(jìn)行多元合金共滲防銹處理后，為增強(qiáng)防腐效果，在滲層外面加做一層封閉。將處理后的樣件放入中性鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)，500 h后，對(duì)樣件的腐蝕效果進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果如表11所示，由表11可知，鹽霧試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

表11 彈條鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際反映出來(lái)的情況為基礎(chǔ)，總結(jié)了彈條的主要病害類型；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況并結(jié)合理論分析，研究了彈條扣壓力不足以及彈條斷裂的原因；從生產(chǎn)工藝角度入手，對(duì)彈條的原材料、工藝參數(shù)、表面處理方式進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

(1)彈條扣壓力通過(guò)安裝時(shí)彈條的變形來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般情況下，彈條彈程越大，扣壓力也越大，當(dāng)產(chǎn)生彈程不足，安裝時(shí)彈條基本不需要變形就能裝入鐵座，從而導(dǎo)致彈條扣壓力不足。

(2)彈條的最大等效應(yīng)力普遍發(fā)生在彈條后拱小圓弧內(nèi)側(cè)，此區(qū)域?yàn)閺棗l關(guān)鍵受力區(qū)；隨著列車的反復(fù)通過(guò)，彈條容易在局部應(yīng)力集中處萌生裂紋，最終裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致彈條發(fā)生疲勞斷裂。

(3)采用固化后工藝生產(chǎn)的DI彈條，其力學(xué)性能有了很大的提高；經(jīng)過(guò)3年多的跟蹤調(diào)查，采用新工藝生產(chǎn)的DI彈條服役狀況良好，再?zèng)]有出現(xiàn)過(guò)彈條斷裂現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的DI彈條優(yōu)化改進(jìn)措施的正確性、有效性，對(duì)彈條的生產(chǎn)、制造有一定的指導(dǎo)意義。