1 彈條是軌道結構的重要部件，其有效與否直接關系到行車的安全。它主要利用彈性變形時所儲存的能量起到緩和機械上的震動和沖擊作用，在動荷載下承受長期的、周期性的彎曲、扭轉等交變應力。某單位生產的彈條為單趾彈簧扣件PR彈條，其結構型式如圖1所示，設計彈程為14.1mm，安裝時彈條穿入鐵墊板的長度為72～76mm，材質為60Si2Mm熱軋彈簧鋼，在某地鐵線路高架橋彎曲段使用過程中某批次彈條中共有55根出現斷裂。
　　（a）正視圖（b）俯視圖
　　圖1彈條結構型式
　　2 檢驗及分析
　　選取8組斷裂樣品分別進行了化學成分分析、金相檢驗和硬度測定。
　　2.1 化學成分分析
　　采用IRIS Intriped ICP發射光譜儀，紅外C、S測定儀等儀器設備，測定斷裂樣品的化學成分，其中C、S、Si、P、Mm元素的含量見表1。從表中可以看出，彈條中上述有害元素的含量均在國標（GB/T1222-1984）規定的范圍之內。
　　表1彈條化學成分檢測結果
　　元素CSSiPMn
　　實測值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 金相檢驗
　　采用GX金相顯微鏡，對斷裂樣品進行金相組織檢測。沿斷裂件橫截面取金相試樣，磨制、拋光切片橫斷面，達到鏡面光潔度；然后用2～4%的硝酸酒精溶液侵蝕，制成金相試樣在GX71金相顯微鏡下觀察，以最差視場作為評定結果。檢驗結果表明，彈條金相組織為均勻回火屈氏體+微量（少量）貝氏體+微量鐵素體，符合彈條技術要求。部分試樣金相檢驗照片見圖2。
　　圖2彈條金相組織
　　2.3 硬度測定
　　采用HR150B洛氏硬度計測定斷裂樣品的表面硬度，見表2。測定結果表明，彈條硬度符合相關技術要求。
　　表2彈條洛氏硬度測定結果
　　項目HRC
　　實測值42.543.044.043.542.545.045.042.0
　　標準值41～46
　　上述檢驗結果表明，該批次彈條的化學成分符合GB/T1222-1984標準中的60Si2Mn成分要求；采用三次成型、余熱淬火工藝制造，經淬回火后獲得了最佳組織——回火屈氏體，無脫碳現象；表面硬度為42.0～45.0，滿足GB/T 230─1991標準中的彈簧鋼表面硬度要求。彈條質量合格，綜合性能良好。
　　3 受力分析
　　該線路通車時間較短，彈條斷裂時間集中，鋼軌溫差很小。觀察發現，彈條斷裂部位均在彈條中肢尾部，斷口處有點接觸的壓痕，斷肢與鐵墊板插孔的接觸狀態為兩點接觸，見圖3和圖4。
　　圖3彈條斷裂位置圖4斷肢兩點接觸
　　據了解，受工期影響，該批次彈條安裝進度很快，部分彈條插入鐵墊板插孔過長，出現超限安裝狀態，特別是發現斷裂的彈條，基本上都是超限安裝。結構裝配分析表明，彈條插入長度過長，將導致其中肢出現下沉，彈程增大。在該批次彈條撤換重新安裝后，同一地段未發現新的斷裂現象。初步分析認為，彈條的實際安裝狀態與設計存在差異，使得彈條與插孔的接觸狀態及其彈程發生變化，從而導致彈條斷裂。為更好的找出彈條斷裂的原因，佐證初步分析的結論，對彈條進行了有限元應力仿真分析。
　　3.1 計算模型及參數
　　PR彈條為一復雜的三維空間結構，除了承受彎、扭、剪相互作用外，還與鐵墊板插孔、軌距塊發生擠壓作用，因此采用三維實體有限單元法分析彈條的受力。采用20節點等參數實體單元對彈條進行結構離散，共劃分為15146個節點和9247個單元，每個節點有3個方向的平動自由度，模型網格剖分見圖5。
　　圖5模型網格剖分
　　3.2 計算工況
　　根據中肢插入長度、彈程分為兩種計算工況，筆耕文化推薦期刊，見表3。
　　表3計算工況
　　工況彈程/mm中肢插入長度/mm與插孔接觸狀態備注
　　A14.172～76線接觸設計工作狀態
　　B>14.182點接觸超限安裝狀態
　�。�1）設計工作狀態下，中肢穿入鐵墊板插孔內的長度在72mm至76mm之間，并與插孔呈線性接觸狀態，彈條趾端的垂向位移達到設計彈程14.1mm，見圖6和圖7。
　　圖6設計工作狀態圖7現場安裝狀態
　�。�2）超限安裝狀態下，中肢穿入鐵墊板插孔內的長度達82mm，超過設計允許的76mm，若鐵墊板插孔兩端無R6mm的圓弧，將導致彈條與鐵墊板的接觸狀態呈斷續點接觸；同時彈條插入長度過長后，其中肢下沉0.7mm，導致彈條彈程增大，增大量為0.7*（42+55）=1.62mm，見圖8和圖9。
　　圖8超限安裝狀態圖9超限安裝變形圖
　　3.3 計算結果及分析
　　圖10、圖11為PR彈條在兩種工況下根據第四強度理論計算得到的等效應力分布。
　　（a）整體（b）斷裂截面
　　圖10工況A等效應力分布
　�。╝）整體（b）斷裂截面
　　圖11工況B等效應力分布
　　從圖6、圖7可以看出：
　　（1）當彈條處于設計工作狀態時，最大等效應力為1127MPa，小于彈簧鋼的屈服強度1200MPa。最大等效應力出現在彈條中肢尾部與鐵墊板接觸點處，彈條中肢與跟端連接小圓弧的應力也較大，約為753～877MPa。斷裂截面的應力四周大，中間小，表現出扭轉受力的特征，彈條表面與鐵墊板插孔接觸點的應力又稍大于其他周邊，表明在該點存在一個較小的擠壓作用。
　�。�2）當彈條處于超限安裝狀態時，最大等效應力為1363MPa，大于彈簧鋼的極限強度1300MPa。彈條在接觸點出現裂紋，隨著列車的反復通過，裂紋逐漸擴大，最終出現斷裂。最大等效應力出現在彈條中肢尾部與鐵墊板接觸點處，中肢頭部與鐵墊板接觸點的應力接近最大等效應力。與工況A相比，彈條中肢與跟端連接小圓弧的應力水平大幅降低，僅為271～540MPa。斷裂截面的應力接觸點最大，從接觸點向下快速減小，整個截面應力分布表現為擠壓應力特征，并有明顯的應力集中現象。

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