城市軌道交通有螺栓扣件研究設(shè)計淺析

陸 明

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都610031)

軌道交通扣件種類繁多，主要由扣壓件、彈性墊板和錨固聯(lián)結(jié)件三大部分組成。組成扣件系統(tǒng)的各部件的形狀、種類及材質(zhì)與系統(tǒng)功能、聯(lián)結(jié)方式、制造難易、施工養(yǎng)護方法及經(jīng)濟成本等密切相關(guān)。

扣件系統(tǒng)按扣壓件的緊固方式區(qū)分：(1)有螺栓扣件系統(tǒng)；(2)無螺栓扣件系統(tǒng)。

1 國內(nèi)地鐵的現(xiàn)狀

國內(nèi)地鐵正線，以整體道床為主，結(jié)構(gòu)沉降的小量變化均需要通過鋼軌扣件來調(diào)整，所以彈性分開式扣件是目前國內(nèi)軌道交通正線的主要型式。

扣件的主要扣壓件有彈條和彈片兩種型式，國內(nèi)主要采用彈條式扣壓件。

依據(jù)工程特性及成因條件，一些地區(qū)(以華東范圍為主)有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，流塑狀態(tài)，具高壓縮性，遍及整個平原，層位穩(wěn)定，為淺部軟土層，是影響建筑物沉降變形的主要層位。可以預(yù)計軌道交通隧道結(jié)構(gòu)可能存在較大程度的整體沉降和局部沉降。因此，從運營角度來講，需要調(diào)整量大的扣件形式(有螺栓扣件系統(tǒng))，減少處理工作量。

針對以上情況，筆者擬對有螺栓扣件進行些許改進，以期發(fā)揮更好的性能。

2 有螺栓扣件系統(tǒng)選型設(shè)計

扣件系統(tǒng)應(yīng)具有良好的通用性，最好能滿足于地下線、高架線、地面線整體道床的使用要求。

扣件系統(tǒng)零部件應(yīng)盡量標準化, 結(jié)構(gòu)簡單，易鋪設(shè)及維修。

2.1 扣件零部件選擇

2.1.1 扣壓件的選擇

根據(jù)試驗研究結(jié)果及長期運營實踐，單個扣壓件只需有10 kN的扣壓力和10 mm的彈程，便可控制彈性和位移。這種彈性扣壓件的扣壓力，除可防止鋼軌爬行外，還能以其彈性變化吸收來自鋼軌的沖擊能量，緩沖振動，降低錨固螺栓因振動沖擊而引起的松弛。

目前地鐵的ω型彈條多采用B型彈條，從彈條性能上分析，Ⅱ型彈條單件設(shè)計彈程為10 mm、扣壓力為10 kN，優(yōu)于設(shè)計彈程8 mm、扣壓力9 kN的B型彈條，屈服強度和抗拉強度均有明顯提高。從彈條材料上看，優(yōu)質(zhì)彈簧鋼60Si2CrA性能優(yōu)于60Si2Mn(表1)，同時Ⅱ型彈條外形改變后，彈條應(yīng)力分布更加合理，殘余變形小。目前國內(nèi)Ⅱ型彈條在混凝土枕碎石道床上大量使用，Ⅱ型彈條在價格上也與B型彈條相當。所以，采用標準件Ⅱ型彈條作為扣壓件是合理可行，安全可靠的。

表1 彈條性能比較

2.1.2 鐵墊板的選擇

國內(nèi)鐵墊板以前采用18 mm厚、可鍛鑄鐵KTH350-10制造，本設(shè)計采用球墨鑄鐵QT450-10，材料性能優(yōu)越(表2)。等同寬度情況下，18 mm厚的可鍛鑄鐵等強于14 mm厚的球墨鑄鐵。參照行業(yè)內(nèi)其他扣件鐵墊板厚度，本次設(shè)計為16 mm厚是合理可行的。

表2 鐵墊板材料性能對比表

鐵墊板上螺栓孔按錯列式布置，在《機械設(shè)計手冊規(guī)范》中規(guī)定：螺栓六角頭對邊尺寸S為46 mm時(本設(shè)計中螺栓按標準設(shè)計，T30×6螺栓，六角頭對邊尺寸S為46 mm)，其套筒空間D應(yīng)為φ82 mm(見圖1)。

圖1 套筒扳手安裝尺寸要求示意

根據(jù)比較，DTⅢ2型扣件的螺栓縱向孔距為110 mm，套筒空間僅為68 mm；橋上使用的WJ-2型扣件的螺栓縱向孔距為127 mm，套筒空間僅為80 mm；本次設(shè)計考慮制造存在的誤差，在螺栓安裝過程中，避免套筒扳手與鐵墊板上凸臺的干涉，扳手空間比規(guī)定的最小空間φ82 mm放大3mm，兩螺栓釘孔距為130 mm，方便了施工。也使得高架線與地下線的扣件接口得到統(tǒng)一。

同時，在鐵墊板中部加兩個“耳朵”以阻擋軌下膠墊的縱向位移。

2.1.3 彈性墊板的選擇

在滿足剛度要求的情況下，考慮到經(jīng)濟性，本扣件系統(tǒng)采用橡膠墊板；小阻力地段采用不銹鋼與橡膠墊板的復(fù)合板。

2.1.4 其他零部件的選擇

套管、絕緣軌距塊、T型螺栓、平墊圈、彈簧墊圈等均可以采用標準件或已經(jīng)大量使用過的成熟產(chǎn)品，螺旋道釘也是軌道設(shè)計中常用零部件，性能完善，工藝成熟，均可按以往工藝制造。

根據(jù)上述分析及選型研究，改進成了新型有螺栓扣件系統(tǒng)，其中地下線及U型槽采用常阻力扣件系統(tǒng)，有小阻力要求的高架線采用小阻力扣件系統(tǒng)。(圖2、圖3)

1-鐵墊板下彈性墊板 2-鐵墊板 3-Ⅱ型彈條 4-平墊圈 5-螺母 6-T型螺栓 7-軌距塊 8-軌下彈性墊板 9-軌下調(diào)高墊板 10-鐵墊板下調(diào)高墊板 11-螺旋道釘(調(diào)高20 mm時采用Ⅱ型) 12-重型彈簧墊圈 13-平墊圈30 14-預(yù)埋套管圖2 小阻力扣件系統(tǒng)

圖3 新型扣件效果圖

圖4 新型扣件零部件

鋼軌由螺栓及有彈性扣壓件緊固于鐵墊板上，鐵墊板通過螺旋道釘與預(yù)先埋設(shè)的絕緣套管配合直接緊固在基礎(chǔ)上。軌下和鐵墊板下均設(shè)彈性墊層提供彈性。

將絕緣螺旋套管預(yù)埋于基礎(chǔ)中，旋入螺旋道釘，以150～200 N·m的緊固力矩擰緊，小半徑曲線部分采用緊固力矩為200～250 N·m。單件套管抗拔力為100 kN,安全可靠。

軌下彈性墊層靜剛度為30～40 kN/mm，墊板下彈性墊層靜剛度為65～75 kN/mm，系統(tǒng)靜剛度為30±10 kN/mm (即20～40 kN/mm)。

扣件通過采用不同型號的絕緣軌距塊進行軌距調(diào)整。軌距誤差-12～8 mm能滿足軌道交通的使用功能。

通過在軌下及鐵墊板下墊入調(diào)高墊板的方式進行調(diào)高，最大調(diào)高量可達到40 mm(其中軌下10 mm，鐵墊板下30 mm)。

小阻力扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本與常阻力扣件系統(tǒng)相同，兩者區(qū)別在于：為了滿足小阻力要求，軌下墊板采用橡膠墊板與不銹鋼墊板的復(fù)合板?？奂到y(tǒng)所用其余零部件均相同。安裝時，通過控制螺母安裝扭矩控制彈條扣壓力，螺母安裝扭矩參考值為70～90 N·m，使扣壓力為7 kN，配合復(fù)合軌下墊板，實現(xiàn)線路小阻力。

綜上所述，新設(shè)計的扣件系統(tǒng)具有以下特點：

(1)扣件系統(tǒng)扣壓件采用Ⅱ型彈條，為國內(nèi)成熟產(chǎn)品，通用性好，安全可靠。

(2)常阻力扣件與小阻力扣件系統(tǒng)零部件僅軌下墊板不同，扣件尺寸及外部接口一致，并能滿足減振扣件的使用條件，可以達到全線一致，統(tǒng)一性好，可以實施標準化。

(3)扣件系統(tǒng)高低、水平調(diào)整量大，便于運營后工務(wù)管理及養(yǎng)護維修，更好的適應(yīng)不良地質(zhì)條件。

(4)扣件各部件多為標準件，利于制造質(zhì)量控制， 130 mm的螺栓孔距便于施工器具的使用，保證標準扭力矩，利于施工管理。

3 零部件原材料選擇及制造工藝分析

3.1 原材料選擇

各零部件用原材料選擇為：鐵墊板采用QT450-10；

螺旋道釘、平墊圈、T型螺栓、螺母為Q235A；

Ⅱ型彈條為60Si2CrA；

重型彈簧墊圈為60Si2Mn；

軌下膠墊：高架線為天然橡膠與不銹鋼復(fù)合板，地下、地面線為天然膠；鐵墊板下彈性墊層為氯丁膠；調(diào)高墊板為橡塑混合體；

套管和軌距塊為玻纖增強聚酰胺66。

3.2 零部件工藝性研究

均為軌道設(shè)計中常用零部件，其工藝性能已經(jīng)過多年的完善，工藝性能較好，按以往的工藝即可進行制造。

4 室內(nèi)試驗

通過實驗室實尺試驗，該扣件系統(tǒng)完全達到了設(shè)計要求。3×106次組裝疲勞試驗后，扣件靜剛度由28 kN/mm 變?yōu)?1 kN/mm，零部件無損傷，軌距擴大量4 mm，單個軌頭橫向彈性位移1.6 mm。常阻力縱向阻力11.5 kN，小阻力扣件縱向阻力最小阻力5 kN，最大6 kN，平均5.5 kN。試驗結(jié)果表明，扣件系統(tǒng)及零部件強度滿足設(shè)計要求，動態(tài)軌距擴大小于2 mm，滿足運營要求。

5 經(jīng)濟性分析

根據(jù)2013年材料價格對零部件進行測算，與其他有螺栓扣件相比，具體分析如下：

(1)不經(jīng)表面處理的單個Ⅱ型彈條比B型彈條貴0.24元，比WJ2彈條便宜；

(2)鐵墊板采用16 mm厚度，重量有所減輕，材料總價降低，則鐵墊板成本不高于其他同類產(chǎn)品；

(3)在滿足系統(tǒng)剛度的前提下，橡膠墊板性價比最高；

(4)平墊圈、重型彈簧墊圈及螺母為標準件，成本不變；

(5)螺旋道釘、T型螺栓、調(diào)高墊板、絕緣套管及軌距塊為軌道交通常用零部件，成本與其他扣件相當；

(6)扣件進行防腐蝕處理，做法同地鐵其他扣件。

根據(jù)上述分析，改進型扣件系統(tǒng)與國內(nèi)地鐵主流扣件相比，經(jīng)濟性好?？奂到y(tǒng)采用集成供貨方式，有利于零部件之間配合，提高質(zhì)量控制，確保達到設(shè)計性能要求；扣件系統(tǒng)通用性好，利于供貨、減少備件，便于施工及運營管理，有利于降低維護成本。

6 結(jié)論

新型扣件，零部件多為國鐵標準件或地鐵通用件，有大量工程實例，性能穩(wěn)定，安全可靠；既可用于高架線，滿足無縫線路的鋪設(shè)要求，也能用于地下線，滿足調(diào)整量大的需求；便于制造及施工，接口亦適合減振扣件，可全線通用，經(jīng)過鋪設(shè)驗證后可以在城市軌道交通工程中應(yīng)用并推廣。