单趾弹簧扣件PR弹条断裂原因分析

分类：建筑工程论文发表 时间：2012-09-15 10:45 关注：(1)

　　摘要：采用化学分析、金相检验、硬度测定和受力分析方法，对单趾弹簧扣件PR弹条在使用过程中出现的断裂现象进行了分析。认为弹条断裂的原因是安装工艺不规范、导致弹条的工作弹程和应力超过设计状态引起的。

　　关键词：弹条 断裂 检验 受力分析

　　Abstract: the chemical analysis, metallographic examination, the hardness testing and stress analysis method, the single toe spring fastener PR play in use article appeared in the process of fracture is analyzed. Think of the fracture reason is article installation process is not standard, lead to the work of the article cheng and stress caused by more than design state.

　　Key words: article the fracture inspection stress analysis

　　中图分类号：U213.2+1 文献标识码：A 文章编号：

　　1 前言

　　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。

　　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。

　　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。

　　(a) 500X均匀回火屈氏体+微量

　　贝氏体+微量断续铁素体

　　(b) 500X均匀回火屈氏体+少量贝氏体+微量断续铁素体

　　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。

　　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　　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，

(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。

　　(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。

　　3.3 计算结果及分析

　　(a)整体 (b)断裂截面

　　(a)整体 (b)断裂截面

　　(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。

　　4 结论

　　(1)通过以上化学成分分析、金相检验、硬度测定和受力分析，认为弹条自身的质量是合格的，其断裂表现为宏观上的脆性断裂。

　　(2)弹条安装工艺不规范，导致弹条的工作弹程和应力超过设计状态是造成弹条断裂的根本原因。

　　(3)铁垫板生产时忽略了插孔两端的圆弧，加剧了弹条与插孔接触状态的变化，恶化了弹条的受力条件，对弹条的断裂具有相当的贡献。

　　5 建议

　　(1)在弹条安装过程中，将PR弹条插入铁垫板插孔的长度严格控制在设计范围以内，在运营维护过程中加强检查，保证弹条的安装位置符合设计要求。

　　(2)扣件总成设计单位应通盘考虑弹条、铁垫板的配合要求及各项公差的配套条件，如增加铁垫板插孔开口处的弧度，改善弹条的受力条件，避免出现应力集中。

　　参考文献

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　　作者简介：雷华明，男，工学硕士，工程师，现任职于广州市地下铁道总公司总工程师室，从事工程建设技术管理和研究工作。