200 km/h無(wú)砟軌道道岔扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鐘苑

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司, 河北秦皇島　066205)

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200 km/h無(wú)砟軌道道岔扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鐘苑

(中鐵山橋集團(tuán)有限公司, 河北秦皇島066205)

摘要：以增加岔枕螺栓強(qiáng)度安全以及板下彈性墊層在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低剛度的兩大技術(shù)關(guān)鍵為研究目的，通過(guò)吸收遂渝線結(jié)構(gòu)形式和客運(yùn)專(zhuān)線蓋板形式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn),研究時(shí)速200 km無(wú)砟軌道道岔扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、可供選擇的方案以及采用的扣件各零件，使200 km/h無(wú)砟軌道道岔扣件系統(tǒng)充分利用Ⅱ型彈條的調(diào)距功能，軌下橡膠墊板和板下彈性墊板的緩沖功能，調(diào)高墊板對(duì)道床不均勻沉降的調(diào)整功能，結(jié)合高壽命的尼龍?zhí)坠芡忸A(yù)埋不銹鋼外套結(jié)構(gòu)和整體設(shè)計(jì)的復(fù)合定位套,將岔枕螺栓的薄弱部位遠(yuǎn)離受力點(diǎn)保證其強(qiáng)度安全?？奂到y(tǒng)既滿足線路運(yùn)營(yíng)需要,也適當(dāng)考慮制造成本。

關(guān)鍵詞：無(wú)砟道岔；扣件系統(tǒng)；彈性；剛度；設(shè)計(jì)

1概述

目前無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)特征、技術(shù)水平體現(xiàn)了道岔發(fā)展水平?？奂到y(tǒng)是無(wú)砟軌道的重要組成部分，其具有兩大技術(shù)關(guān)鍵[1]：岔枕螺栓強(qiáng)度安全和板下彈性墊層在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低剛度。

(1)岔枕螺栓強(qiáng)度安全

隨著彈性墊層厚度和調(diào)高量的增加，由墊板傳遞至岔枕螺栓的橫向力作用點(diǎn)高度也隨之上升，使岔枕螺栓的受力狀態(tài)不斷惡化。改善岔枕螺栓受力狀態(tài)，防止出現(xiàn)斷裂是技術(shù)關(guān)鍵。主要優(yōu)化對(duì)策：對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低橫向力作用點(diǎn)高度；避免墊板螺栓孔壁與岔枕螺栓直接接觸，通過(guò)中間介質(zhì)實(shí)現(xiàn)軟接觸，以緩沖橫向作用力；延長(zhǎng)螺栓光桿長(zhǎng)度，降低光桿與螺栓交界面高度，以增強(qiáng)岔枕螺栓自身承載能力。

(2)板下彈性墊層在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低剛度

降低岔區(qū)軌道剛度[2]，是無(wú)砟道岔滿足旅客舒適度要求必不可少的前提，要在有限的厚度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)板下彈性墊層低剛度及剛度保持是技術(shù)關(guān)鍵[3]。主要優(yōu)化對(duì)策：改變橡膠墊層結(jié)構(gòu)形式，包括單向溝槽、雙向溝槽、圓柱體、空心圓柱體等形式；采用新型材料(主要指聚胺脂等)替代橡膠。岔枕與墊板的連接機(jī)構(gòu)既要保持穩(wěn)定的軸向力，同時(shí)保持彈性墊層的正常工作。

兩大技術(shù)關(guān)鍵是彼此關(guān)聯(lián)的，在扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，二者需相互聯(lián)動(dòng)。本文基于以上技術(shù)關(guān)鍵對(duì)無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2研究?jī)?nèi)容

針對(duì)時(shí)速200 km線路無(wú)砟軌道道岔扣件系統(tǒng)[4]，包括彈條、普通墊板、軌下橡膠墊板、板下彈性墊板、調(diào)高墊板、岔枕螺栓、預(yù)埋套管、復(fù)合定位套等零件。扣件系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)原則是：滿足線路運(yùn)營(yíng)需要，適當(dāng)考慮制造成本。

該套扣件系統(tǒng)是在吸收了遂渝線結(jié)構(gòu)形式和客運(yùn)專(zhuān)線蓋板形式[5]，結(jié)合目前加工技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了整體性設(shè)計(jì)，采用橡膠彈性體分體式扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。扣件系統(tǒng)集成如圖1所示。

圖1　扣件系統(tǒng)集成(單位：mm)

2.1采用Ⅱ型彈條

Ⅱ型彈條(有螺栓扣件)，具有調(diào)距功能[6]。該彈條在國(guó)內(nèi)應(yīng)用普遍，是成熟的技術(shù)。

2.2普通墊板

普通墊板采用整鑄或焊接形式：其承軌槽中心厚度27 mm，寬度180 mm，為減少?gòu)?fù)合定位套規(guī)格，便于安裝調(diào)配，墊板在岔枕螺栓部位厚度均采用25 mm；在客運(yùn)專(zhuān)線系列道岔及GLC系列道岔中均選用了該種墊板厚度和規(guī)格。在墊板下部設(shè)置了下凸臺(tái)，可降低墊板所受岔枕螺栓橫向力的傳遞位置，從而提高岔枕螺栓抵抗橫向力的能力。這是無(wú)砟道岔與有砟道岔墊板的主要區(qū)別。為了提高板下彈性體的強(qiáng)度，墊板長(zhǎng)度較有砟墊板單側(cè)加長(zhǎng)8 mm，總計(jì)加長(zhǎng)16 mm。

2.3板下彈性墊板

依據(jù)現(xiàn)代道岔設(shè)計(jì)理論，軌下橡膠墊板僅起緩沖作用[7]。本設(shè)計(jì)剛度的選擇[8]與客運(yùn)專(zhuān)線道岔一致，為300 kN/mm。

板下彈性墊板是扣件系統(tǒng)組件對(duì)軌道提供彈性的主體。經(jīng)過(guò)理論分析，無(wú)砟道岔節(jié)點(diǎn)剛度選擇為25 kN/mm，板下則需提供27 kN/mm的剛度[9]。

為較好實(shí)現(xiàn)低剛度的需求[10]，彈性墊層厚度增加到20 mm，且采用新型彈性方式實(shí)現(xiàn)。目前橡膠墊板實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)整一般有以下幾種方式。

(1)溝槽結(jié)構(gòu)：這是最為常見(jiàn)的方式，制造工藝成熟，成本較低，應(yīng)用較為普遍。但是該種結(jié)構(gòu)受橡膠材料本身性能的影響，剛度的實(shí)現(xiàn)受到的限制較大，同時(shí)受溝槽方向影響，膠墊縱橫向變形及剪切存在較大差異。在遂渝線道岔中采用分級(jí)提供彈性的方式使軌道獲得較低剛度。在實(shí)現(xiàn)合理剛度值的情況下，可有效提高橡膠墊板自身強(qiáng)度，提高使用壽命。該方式可方便實(shí)現(xiàn)組合剛度目標(biāo)值。但是遂渝線為客貨共線線路，所需剛度不算很低(40～50 kN/mm)，較為方便實(shí)現(xiàn)，但是在彈性墊層20 mm厚度的條件下，實(shí)現(xiàn)20 kN/mm的剛度還有待進(jìn)一步研究。

(2)柱形結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)在地鐵道岔中應(yīng)用較多，在鐵路正線軌下也有應(yīng)用。由于柱形橡膠墊板變形能力不足，提供低剛度更為困難。

(3)塊式結(jié)構(gòu)：這是客運(yùn)專(zhuān)線道岔初期研發(fā)的一種結(jié)構(gòu)形式，主要是針對(duì)客運(yùn)專(zhuān)線道岔低剛度要求。通過(guò)彈性墊板中塊的大小、高低實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)整。缺點(diǎn)是模具制作成本較大。由于塊式結(jié)構(gòu)屬于非均衡提供彈性，各部位抗剪能力相差較大。在前期客運(yùn)專(zhuān)線道岔使用中出現(xiàn)了邊部鼓曲、拉筋破裂的現(xiàn)象。

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，研發(fā)了空心釘式橡膠墊板結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該種結(jié)構(gòu)基于柱形橡膠墊板，進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)形成的新型結(jié)構(gòu)，改進(jìn)柱形墊板難以提供較低剛度的不足，其理論分析如圖3所示。

圖2　空心釘式板下橡膠墊板

圖3　空心釘式板下橡膠墊板理論分析

2.4調(diào)高墊板

調(diào)高墊板是無(wú)砟整體道床必備零件，用于道床不均勻沉降的調(diào)整。根據(jù)遂渝線道岔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用了-4～26 mm的調(diào)高配置，初始狀態(tài)設(shè)置厚6 mm調(diào)高墊板；備用調(diào)高墊板厚度規(guī)格為2、3、5 mm三種。

2.5岔枕螺栓

岔枕螺栓是連接墊板與岔枕不可缺少的零件，在無(wú)砟道岔中由于需要調(diào)高，螺栓受力點(diǎn)不易控制，無(wú)砟道岔節(jié)點(diǎn)剛度低，墊板在橫向力作用下的橫向位移相對(duì)較大，因此螺栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)非常重要。結(jié)合預(yù)埋套管、復(fù)合定位套，對(duì)岔枕螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使受力點(diǎn)遠(yuǎn)離岔枕螺栓的薄弱部位，提高岔枕螺栓的使用壽命。

岔枕螺栓需與預(yù)埋套管配合設(shè)計(jì)，調(diào)高量在-6～15 mm時(shí)選擇一種螺栓(圖4)，正常情況下可以滿足使用；調(diào)高量在10～30 mm時(shí)，選擇另一種長(zhǎng)度規(guī)格的螺栓(備用)，這樣可以簡(jiǎn)化套管的設(shè)計(jì)。

圖4　岔枕螺栓選擇(單位：mm)

2.6預(yù)埋套管

預(yù)埋套管為尼龍?zhí)坠芡忸A(yù)埋不銹鋼外套結(jié)構(gòu)(圖5)，可以提高預(yù)埋件使用壽命。尼龍?zhí)坠芡忸A(yù)埋不銹鋼外套結(jié)構(gòu)是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋套管損壞后修復(fù)困難問(wèn)題的改進(jìn)設(shè)計(jì)，在大秦線道岔、GLC系列道岔中均得到成功應(yīng)用。

圖5　預(yù)埋套管及不銹鋼外套(單位：mm)

由于無(wú)砟軌道岔枕與基床為整體連接，套管破壞后更換岔枕是不可能的，加之螺栓受力點(diǎn)提高對(duì)套管的不利影響更大，套管更易被破壞。預(yù)埋時(shí)鋼套與岔枕結(jié)合，尼龍?zhí)坠茉阡撎變?nèi)可旋入旋出，當(dāng)尼龍?zhí)坠芷茐暮螅芍苯有断录扔刑坠?，更換新的套管，操作簡(jiǎn)單方便，快速。

另一方面鋼套埋置于混凝土中可與混凝土同壽命。尼龍?zhí)淄饧愉撎缀?，可改善尼龍?zhí)坠苁芰l件，減少開(kāi)裂、破損等病害?；炷敛碚砺菟淄饧愉撎?，相當(dāng)于在螺栓孔周?chē)O(shè)置了一層箍筋，提高岔枕抗孔裂能力。

現(xiàn)對(duì)所選形式的適用性分析如下。

(1)光桿長(zhǎng)度。從使用性能分析可以得出，預(yù)埋套管的光桿部分是提高橫向受力能力的關(guān)鍵，在充分考慮調(diào)高量的基礎(chǔ)上對(duì)其光桿部分長(zhǎng)度進(jìn)行合理配置。

(2)螺紋長(zhǎng)度。螺紋長(zhǎng)度是保證螺紋鎖緊力與適應(yīng)軸向力的關(guān)鍵，同時(shí)需要考慮調(diào)高量對(duì)螺紋實(shí)際配合長(zhǎng)度的影響。假設(shè)一種螺栓的調(diào)高按最大20 mm考慮，就必須在最小螺紋長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，增加20 mm的長(zhǎng)度，使得在螺栓達(dá)到最大調(diào)高量的狀況下，滿足螺紋最小配合長(zhǎng)度。

根據(jù)上述因素分析以及調(diào)高量的分配，設(shè)計(jì)套管結(jié)構(gòu)。保證如下技術(shù)指標(biāo)：螺紋最小配合長(zhǎng)度70 mm，最小光桿部分貼合長(zhǎng)度25 mm。

2.7復(fù)合定位套

對(duì)復(fù)合定位套[11]進(jìn)行整體性設(shè)計(jì)(圖6)，使其具備如下功能。

圖6　復(fù)合定位套

(1)扣壓墊板功能，復(fù)合定位套蓋板下的彈性體采用了低剛度設(shè)計(jì)(總體剛度3～5 kN/mm)，理論變形量為4 mm，可實(shí)現(xiàn)任何狀況下復(fù)合定位套均對(duì)墊板進(jìn)行扣壓。

(2)降低岔枕螺栓受力點(diǎn)作用，通過(guò)控制岔枕螺栓與定位套的接觸點(diǎn)位置得以實(shí)現(xiàn)。復(fù)合套管的內(nèi)階梯可使岔枕螺栓實(shí)際受力點(diǎn)降低。墊板下部增設(shè)的下凸臺(tái)是為了降低墊板橫向傳力點(diǎn)的位置，為鋼套與岔枕螺栓接觸部位下移創(chuàng)造有利條件。

(3)保持板下彈性有效性。在提速系列道岔對(duì)有效保持板下彈性的重視程度不夠，岔枕螺栓的軸向力直接作用于墊板，導(dǎo)致板下彈性大幅度降低，影響彈性的實(shí)現(xiàn)。遂渝線道岔和客運(yùn)專(zhuān)線道岔對(duì)保持板下彈性的有效性引起了足夠的重視，也出現(xiàn)了不同的結(jié)構(gòu)形式。德國(guó)BWG道岔和國(guó)產(chǎn)客運(yùn)專(zhuān)線道岔采用整體硫化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)較為方便。復(fù)合定位套結(jié)構(gòu)對(duì)此項(xiàng)點(diǎn)充分進(jìn)行了考慮，并得以良好實(shí)現(xiàn)。蓋板下低剛度彈性體設(shè)置，使得扣壓力在12～20 kN，對(duì)板下彈性影響可以忽略(彈性墊層彈性測(cè)定最低壓力為20 kN)。

(4)墊板位置的穩(wěn)定性。盡量減少間隙產(chǎn)生，使墊板橫向位移降到最低。采用復(fù)合定位套，使得岔枕螺栓與墊板僅存在兩層間隙，優(yōu)于前期客運(yùn)專(zhuān)線道岔，與整體硫化墊板間隙水平相當(dāng)。

(5)保證岔枕螺栓具有穩(wěn)定的軸向力，具有良好防松效果[12]。由于復(fù)合套管從蓋板上面到與調(diào)高墊板接觸的鋼套底面采用聚酰胺66硫化而成，在岔枕螺栓達(dá)到規(guī)定扭矩，完成蓋板下低彈性體4 mm變形后近似于剛體，可完全實(shí)現(xiàn)軸向力的要求，以確保防松效果。

(6)具備良好的絕緣性能。復(fù)合套管與墊板接觸部位都采用了橡膠體或聚酰胺66進(jìn)行隔離，保證了岔枕螺栓與墊板間的絕緣。

(7)緩沖墊板傳遞到岔枕螺栓上的沖擊力，提高岔枕螺栓使用壽命的有效措施是有效緩沖墊板傳遞的橫向沖擊力。但是這種緩沖程度需對(duì)軌距動(dòng)態(tài)擴(kuò)張進(jìn)行綜合考慮，疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明采用聚酰胺66材質(zhì)具備一定的緩沖能力，能夠滿足扣件組合狀態(tài)下岔枕螺栓的壽命要求，因此本設(shè)計(jì)采用了聚酰胺66材質(zhì)實(shí)現(xiàn)橫向緩沖。

(8)復(fù)合套管采用硫化偏心和不偏心兩種，硫化后復(fù)合套管均為圓柱形，有利于所有墊板螺栓孔徑統(tǒng)一，并保證蓋板在安裝時(shí)可較好控制方向，避免了客運(yùn)專(zhuān)線道岔非硫化墊板為保持安裝方向，在墊板和套管上采取的措施而帶來(lái)的成本增加，簡(jiǎn)化墊板及套管的加工工藝。

(9)復(fù)合套管金屬部分采用通用設(shè)計(jì)，其偏心在聚酰胺66硫化時(shí)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化復(fù)合套管制造工藝，降低了生產(chǎn)成本。

(10)由于采用軌距塊調(diào)整軌距較為方便，也被現(xiàn)場(chǎng)施工人員普遍接受，因此本設(shè)計(jì)仍以軌距塊調(diào)整為軌距調(diào)整主要方式(滑床墊板除外)。同時(shí)偏心復(fù)合套管也具備調(diào)整軌距的能力，現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)行聯(lián)合調(diào)整。

3結(jié)論

時(shí)速200 km無(wú)砟軌道道岔扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用普通墊板，板下彈性墊板，調(diào)高墊板，岔枕螺栓，復(fù)合定位套等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)道岔鋼軌扣壓，道岔軌距調(diào)整，軌下緩沖，調(diào)整剛度，適應(yīng)不均勻沉降，改善岔枕螺栓受力情況等功能，既滿足線路運(yùn)營(yíng)需要，也適當(dāng)考慮制造成本。運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，該套扣件系統(tǒng)能夠滿足高速鐵路的運(yùn)營(yíng)需求。

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Design of Fastening System for 200km/h Ballastless Track TurnoutWang Zhong-yuan

(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co., Ltd., Qinhuangdao 066205, China)

Abstract：This paper focuses on improving the strength of the concrete bolt and obtaining lower stiffness of the elastic layer under the plate within a limited space and studies the principles for the guiding the design of the fastening system for 200 km/h ballastless track with reference to SuiNing～ChongQing passenger dedicated line fastening structure, addresses the alternatives and components of fastening system to allow better utilization of II type clip adjustability and the cushioning capability of the pad under rail and plate, to improve the adjustability of the pad for the uneven settlement of the track bed. In combination with the long service embedded stainless bushing and composite sleeve, the weak part of the switch sleeper bolt is separated as far as possible from the load point for the sake of safety. The fastening system shall satisfy the requirements for operation and take account of the fabricating cost.

Key words：Ballastless track; Fastening system; Elasticity; Stiffness; Design

中圖分類(lèi)號(hào)：U213.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.007

文章編號(hào)：1004-2954(2015)02-0027-04

作者簡(jiǎn)介：王鐘苑(1982—)，女，工程師，2007年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，工學(xué)碩士，E-mail:147789258@qq.com。

收稿日期：2014-08-14； 修回日期：2014-09-15