e 型弹条疲劳试验对其使用性能的影响

吴海骏，王东哲，何淼君

（安徽省产品质量监督检验研究院，安徽 合肥 230601）

由弹条等组件构成的扣件系统在地铁等轨道结构中占有重要地位，其利用弹性变形储存能量发挥着固定钢轨、承受各向应力、减震缓冲的作用[1]。近年来，随着城市轨道交通的快速发展，弹条在城市轨道交通工程中的使用越来越多，弹条的失效问题也日益突出。

弹条的失效主要分为断裂失效、表面损伤失效和过量变形失效等，以往对于弹条失效的研究主要针对有限元模型计算和断裂后的失效分析[2，3]，而对于腐蚀和磨损引起的表面损伤失效、荷载作用下的过量变形失效等研究较少。本文针对城市轨道交通中应用较多的e型弹条，通过设计试验方案研究疲劳试验对其表面腐蚀、扣压力和残余变形等使用性能的影响。

1 试验材料

本试验采用e型无螺栓弹条，材料为60Si2Mn，加工工艺流程为： 剪切下料→加热成型→淬火→回火→抛丸→达克罗表面防腐处理→包装。

2 试验方法

（1）疲劳-腐蚀交替试验。由于地铁大多在地下潮湿环境下运行，对弹条等扣件的腐蚀往往较为严重，弹条断裂时有发生，弹条设计要求为采用达克罗处理，且经 300h 中性盐雾试验后保护级不得低于 9 级，但在实际工况下弹条存在振动和扭转，其对达克罗涂层的附着性能和防腐蚀效果的影响尚无研究。另外，弹条的疲劳性能要求为经 500 万次疲劳试验后不得折断，因此本文的试验方法为疲劳-腐蚀交替，即150万次疲劳试验→100h中性盐雾试验→150万次疲劳试验→100h中性盐雾试验→200万次疲劳试验→100h中性盐雾试验，其中疲劳试验的频率为16Hz，周期位移为mm。

图1 弹条扣压力试验示意图

（2）疲劳-扣压力试验。通过测试500 万次疲劳试验前后弹条扣压力的变化研究弹条疲劳试验对扣压力的影响。弹条扣压力试验如图1所示。将支架放置在万能试验机工作台上，被测弹条装入支架中，弹条小圆弧内侧与插入座端部相距8mm～10mm。试验机加载速度为0.5 kN/s，使弹条趾端向下产生垂直位移，当垂直位移为10.5mm时，试验机显示的载荷为弹条的扣压力。

3 试验结果与分析

（1） 疲劳-腐蚀交替试验。按该型号弹条技术要求，疲劳试验为每组3根。疲劳-腐蚀交替试验后，弹条均未发生断裂，经测量，3根弹条的残余变形分别为：0.60mm、0.78mm、0.58mm，均满足技术要求中残余变形不大于1mm的要求。

试验后弹条的达克罗表面未发生明显腐蚀，只在弹条的趾端与试验机接触处因磨损导致涂层脱落进而发生锈蚀。结合e型弹条的有限元分析，以及弹条在实际使用和检测过程中的断裂情况，弹条中肢与跟端连接的小圆弧处承受的拉伸、扭转载荷相对较大，也是最易断裂的位置。根据图2对弹条小圆弧内侧的局部放大可以看出，小圆弧内侧未发生涂层开裂等破坏现象，其表面也未见明显腐蚀。

图2 疲劳-腐蚀交替试验后弹条小圆弧内侧局部形貌

图3 弹条圆弧内侧截面边缘显微形貌

将试验后的弹条沿小圆弧垂直方向切开，圆弧内侧边缘经抛光后放大500倍的显微形貌如图3所示。该弹条的达克罗涂层厚度一般为5μm～10μm，可以看到在此范围内的弹条边缘比较整齐，未出现裂纹和剥落等现象，说明涂层在此处附着较为完好，并未受到疲劳过程中的形变影响，仍能对基体金属起到很好的保护作用。

（2）疲劳-扣压力试验。采用三个不同厂家同一批次的弹条进行疲劳-扣压力试验，疲劳试验前后的扣压力如表1所示，可以看到，经过500万次疲劳试验后，3组弹条的扣压力均出现了下降，下降幅度为6.7%～13.2%不等，这主要有两个原因，一是弹条疲劳后的应力松弛导致出现残余变形，从而在相同的弹程下扣压力值变小；二是由于弹簧钢本身的疲劳软化。依据国标GB/T 1222-2016《弹簧钢》，60Si2Mn弹簧钢的强屈比σb/σ0.2为1.14，一般来说，当材料的强屈比＜1.2时，材料的硬度值在疲劳后下降，表现为循环软化。

根据弹条的设计要求，该弹条在标准组装状态下的扣压力应不小于8kN。3组弹条在疲劳试验前扣压力均能满足要求，厂家C生产的弹条扣压力相对较小，在经过疲劳试验后，随着材料的应力松弛和疲劳软化，厂家C的弹条实际扣压力均已小于8kN，因此可能无法起到有效固定钢轨的作用。

表1 疲劳试验前后弹条扣压力值(kN)

实验中我们还发现，弹条经过扣压力试验后，再进行疲劳试验时，其残余变形相比未进行扣压力试验的样品更小，我们对每个厂家随机选择了3组6根弹条进行了对比试验，结果如表2所示。所有弹条均能通过500万次疲劳试验，但未经扣压力试验的弹条疲劳试验后的残余变形较大，而经过扣压力试验的弹条在疲劳试验后的残余变形量均在0.30mm以下。因此，可以适当通过对弹条施加预加载降低弹条在后期使用过程中的残余变形，起到保持弹条扣压力的作用。

表2 经过和未经过扣压力试验弹条的残余变形量(mm)

4 结论

通过对该型号弹条的一系列试验，结果表明，达克罗涂层在弹条表面的附着性较好，能够在承受疲劳过程中的形变的同时，对基体金属起到很好的防腐蚀保护作用。经过疲劳试验后，弹条的扣压力会出现不同程度的下降，可能对其固定钢轨产生不利影响；适当对弹条施加预加载可以降低弹条在后期使用过程中的残余变形，起到保持弹条扣压力的作用。