弯矩作用下的钢轨疲劳实验夹具

摘要

一种弯矩作用下的钢轨疲劳实验夹具，其上夹具的上部为与实验机力传感器螺纹连接的螺杆，下部为开口向下的矩形槽，矩形槽内插入三角形加载头的平顶部，穿过矩形槽及加载头的螺钉，将上夹具与加载头连接；加载头的下端呈曲率半径1～10mm的弧形；下夹具为长方形平台，下夹具上设有与实验机液压缸螺纹安装孔相对应的长条安装孔，下夹具底部设有与实验机液压缸连接座凹槽相匹配的凸台，下夹具上表面的长边两侧具有凸起，且在凸起上有用于固定试样的螺纹孔。使用该实验夹具能够更好地模拟钢轨在服役过程中的实际工况，并方便地向其施加法向载荷，更准确地进行弯矩作用下的钢轨疲劳实验，实验结果能为钢轨的选材与设计提供可靠、有效的依据。

说明书

所属技术领域：

本发明属于钢轨材料在弯矩作用下的疲劳性能实验技术领域。

背景技术：

钢轨是通过道钉固定在枕木上的，钢轨在每两段枕木处形成一对固定端接触。当车轮在钢轨上滚动的时候，不可避免的会对钢轨产生一个法向的载荷，这个法向载荷就会使得钢轨不断地受到弯矩的作用。也就是说法向载荷将使钢轨产生向下的弯曲变形，即钢轨下部区域受拉力作用伸长，上部区域受压力作用而缩缺；这时能量耗散也与纯切向力有所不同。与此同时，如果疲劳裂纹在钢轨表面或者次表面萌生，那么也将受到压缩或者拉伸的作用，这种情况下弯矩不可避免的会对疲劳裂纹的萌生和扩展产生影响，促使疲劳裂纹扩展到钢轨心部，进而导致钢轨疲劳断裂，对机车的运行带来严重的安全隐患。目前，我国试运行的高速线路，如大秦线和广深线均出现了大量的疲劳裂纹。在国家大力发展轨道交通运输的今天，钢轨疲劳机理和防预措施的研究与实验，就显得越来越重要。研究弯矩作用下钢轨疲劳裂纹的扩展行为可以为机车、轮轨匹配设计，以及钢轨选择、安装维护提供必要的有用信息和依据，对于铁路的安全运行具有重要的意义。

目前，对于材料在弯矩作用下的疲劳实验采用标准实验准则，普通夹具进行。实验时，试样两端不固定，具有多个自由度，因此不能够模拟钢轨材料在具有弯矩作用的实际使用过程中的工作条件，从而实验结果难以对钢轨的选材、设计与制造提供可靠、有效的依据。

发明内容：

本发明的目的是提供一种弯矩作用下的钢轨疲劳实验夹具，使用该实验夹具能够更好地模拟钢轨在服役过程中的实际工况，并方便地向其施加法向载荷，更准确地进行弯矩作用下的钢轨疲劳实验，实验结果能为钢轨的选材与设计提供可靠、有效的依据。且实验控制与测试的精度高，实验数据的重现性好。

本发明实现发明目的所采用的技术方案是：一种弯矩作用下的钢轨疲劳实验夹具，包括上夹具、下夹具，其结构特点是：

上夹具的上部为与实验机力传感器螺纹连接的螺杆，下部为开口向下的矩形槽，矩形槽内插入三角形加载头的平顶部；穿过矩形槽及加载头的螺钉，将上夹具与加载头连接；加载头的下端呈曲率半径1～10mm的弧形；

下夹具为长方形平台，下夹具上设有与实验机液压缸螺纹安装孔相对应的长条安装孔，下夹具底部设有与实验机液压缸连接座凹槽相匹配的凸台，下夹具上表面的长边两侧具有凸起，且在凸起上有用于固定试样的螺纹孔。

本发明的实验夹具的使用方法是：将上夹具上部的螺杆与实验机的力传感器通过螺纹连接，下夹具底部凸台置入液压缸的连接座凹槽中；再将中心已预制0.1～0.2mm的裂纹的试样，通过螺钉固定在下夹具左右两端的凸起上；将安装螺钉穿过下夹具长条形安装孔并拧紧在液压缸安装座螺纹孔中，再调节下夹具与液压缸的相对位置，使得加载头中心与试样中心重合，最后拧紧安装螺钉。安装完成后，启动实验机，设置载荷幅值、加载速率，控制液压缸的上下运动，对试样施加法向载荷加载进行疲劳实验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、试样的两端被固定在下夹具的长方形平台的长边两侧的凸起上，与钢轨两端被固定在枕木上的实际安装形式相同，从而真实地模拟了钢轨在服役过程中的实际工况。并通过液压缸的上下运动方便地向其施加法向载荷，从而能准确地进行钢轨在弯矩作用下的疲劳实验，实验结果能为钢轨的选材与设计提供更可靠、有效的依据。同时因为加载头、试样两端被固定，实验控制与测试的精度高，实验数据的重现性好。

2、试验时加载头与试样垂向压紧，如果加载头以上夹具以垂向方式连接，则其安装、拆卸将极其困难。本发明的加载头与上夹具之间通过螺钉侧向连接，可以通过螺钉的侧向安装、拆卸，使加载头从水平的侧向方向装入、取出，因此可以非常方便、快捷地更换加载头，使试验操作更加简单、方便。

3、由于更换加载头十分方便，因此在每次实验中可以根据赫兹接触理论，计算出加载头下部的曲率半径，而更换相应曲率半径的加载头，使实验中的最大接触应力与钢轨实际工况中一致，实验结果与实际工况之间具有很高的关联性。也即本发明可通过更换不同大小的加载头，实现对多种工况的逼真模拟。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明：

图1是本发明实施例的主视结构结构示意图。

图2是本发明实施例的侧视结构结构示意图。

具体实施方式：

实施例

图1、图2示出，本发明的一种具体实施方式是：一种弯矩作用下的钢轨疲劳实验夹具，包括上夹具1、下夹具2。上夹具1的上部为与实验机力传感器34螺纹连接的螺杆11，下部为开口向下的矩形槽12，矩形槽内插入三角形加载头13的平顶部，穿过矩形槽12及加载头13的螺钉14，将上夹具1与加载头13连接；加载头13的下端部呈曲率半径1～10mm的弧形。下夹具2为长方形平台，下夹具2上设有与实验机液压缸31螺纹安装孔相对应的长条安装孔21，下夹具2底部设有与实验机液压缸31连接座凹槽33相匹配的凸台23，下夹具2上表面的长边两侧具有凸起24，且在凸起24上有用于固定试样4的螺纹孔25。

使用本例的实验夹具进行弯矩作用下的钢轨疲劳实验的具体步骤是：

上夹具1上部的螺杆11与实验机的力传感器34螺纹连接，下夹具2底部的凸台23置入液压缸31的连接座凹槽33中。已在中心位置预制有裂纹的试样4通过螺钉26连接在下夹具2长边两侧中部的凸起24上；将安装螺钉28穿过下夹具2长条形安装孔21并拧在液压缸安装座螺纹孔中，再调节下夹具2与液压缸31的相对位置，使得加载头13中心与试样4中心重合，最后拧紧安装螺钉28。通过实验机的数据采集控制系统控制实验机液压缸31及下夹具2的上下移动，并使加载头13与试样4施加设定的载荷幅值和设定的加载速率；同时通过数据采集控制系统采集到与上夹具1相连的力传感器34测出的载荷数据，以及液压缸31上下运动的位移数据和循环次数，分析得出在设定载荷和载荷加载速率条件下的载荷-位移曲线(F～D曲线)，以表征实验过程的材料变形过程。

采用本例的实验夹具对PD3钢轨材料进行了弯矩作用下的疲劳实验。实验时的具体参数为：加载幅值20～200N，加载速率：8mm/min。预制0.18mm宽裂纹，加载头曲率半径：1.3mm，试样规格：220x8x10(mm)。

实验结果说明：

1、根据实验过程中记录下的F～D(载荷-位移)曲线，PD3钢轨材料都呈现出了典型的金属材料特征。PD3钢轨第1次循环载荷～位移曲线是不闭合的，这说明材料在第1次循环后，出现了塑性变形。PD3钢轨第10次循环载荷～位移曲线闭合，说明残余位移消失，实验中每个循环所产生的耗散能减少。PD3钢轨第12000次循环载荷～位移曲线变得稳定，说明整个实验趋于稳定，每个循环消耗的能量相等。

2、从12000次循环实验后的裂纹宏观形貌图(100倍扫描电镜图)可看出，裂纹从预制裂纹顶端萌生。从12000次循环实验后裂纹尖端微观组织形貌图可见，裂纹附近组织产生大量塑性变形，PD3钢轨始终是以穿晶断裂的方式扩展的。