基于Ⅲ型彈條的新型地鐵扣件設(shè)計(jì)研究

邢俊，蔡敦錦，田春香，王平

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031; 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

基于Ⅲ型彈條的新型地鐵扣件設(shè)計(jì)研究

邢俊1，蔡敦錦1，田春香2，王平1

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031; 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

基于彈條Ⅲ型彈性分開式扣件設(shè)計(jì)了一種新型地鐵扣件，從主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面將其與彈條Ⅲ型扣件作了較全面的對(duì)比，并對(duì)新型扣件系統(tǒng)的主要部件——鐵墊板及螺栓的受力與變形進(jìn)行了分析。新型扣件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)為:優(yōu)化了鐵墊板設(shè)計(jì)，增加其寬度和厚度，改善了傳力性能;增大了螺栓孔處圓角半徑，且在邊緣設(shè)置小段切線;將擋肩與鐵墊板下部連接處的直角連接改為圓弧過(guò)渡連接，并增設(shè)圓弧過(guò)渡區(qū)，減緩了突變處的應(yīng)力集中，使得在最不利荷載作用下鐵墊板的強(qiáng)度能夠滿足使用要求，有足夠強(qiáng)度富余且其橫向和垂向位移很小;減小螺桿長(zhǎng)度，增大螺紋段的長(zhǎng)度，使其在60 kN抗拔力和30 kN橫向力荷載分別作用和共同作用下的受力更加合理，螺栓強(qiáng)度與套管強(qiáng)度均能滿足使用要求，強(qiáng)度得到充分利用。新型扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在使用壽命、養(yǎng)護(hù)維修方面具有一定優(yōu)越性。

新型扣件 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鐵墊板 螺栓

1 新型扣件設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

參照國(guó)內(nèi)外多種類型扣件的技術(shù)要求，對(duì)新型地鐵扣件主要基于原有的彈條Ⅲ型彈性分開式扣件進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)［1－3］。新型扣件的主要技術(shù)參數(shù)為:①扣壓力＞11 kN，彈程13 mm。②軌下調(diào)高量為10 mm，鐵墊板下調(diào)高量為15 mm，扣件系統(tǒng)整體調(diào)高量為25 mm。③軌距調(diào)整量為－8～+4 mm［4－5］。

結(jié)構(gòu)的主要承力和傳力部件為18 mm厚的鐵墊板。軌道結(jié)構(gòu)垂向力傳遞路徑為:鋼軌→扣件→軌枕→道床→路基［6］。軌道結(jié)構(gòu)橫向力傳遞的路徑為:鋼軌→軌距塊→鐵墊板→螺栓→軌枕。

1.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

新型扣件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與既有彈條Ⅲ型彈性分開式扣件類似(圖1)，主要改進(jìn)的部分為鐵墊板及螺栓。

圖1 新型扣件與彈條Ⅲ型彈性分開式扣件對(duì)比

鐵墊板的改進(jìn)主要有:①鐵墊板寬度增加了5 mm，改善了扣件的受力與傳力能力，增加了線路的穩(wěn)定性。為進(jìn)一步改善鐵墊板角度和形狀，下部厚度由原來(lái)的16 mm增加到18 mm，這有利于增加螺栓孔周邊強(qiáng)度。②鐵墊板的2個(gè)螺栓孔處的圓角半徑由原來(lái)的5 mm改進(jìn)為40 mm，且在邊緣設(shè)有小段切線，這有利于節(jié)約材料且造型美觀。③鐵墊板下表面2個(gè)螺栓孔處增加了2個(gè)凸出3.5 mm高度的直徑為33 mm的圓孔，這有利于螺栓擰固。④擋肩與鐵墊板下部連接處由原來(lái)的直角連接改為用半徑5 mm的圓弧過(guò)渡連接，擋肩上表面的平圓過(guò)渡處增設(shè)半徑10 mm的圓弧過(guò)渡區(qū)，減緩了突變處的應(yīng)力集中。⑤擋肩寬度由原來(lái)的70 mm增加到74 mm;⑥鐵墊板側(cè)邊也有微小改變，從側(cè)向來(lái)看，各側(cè)邊垂向均設(shè)3°的斜角。⑦鐵墊板拐角處采用圓弧過(guò)渡，使得鐵墊板整體結(jié)構(gòu)更加合理。

為使螺栓在扣件系統(tǒng)中的受力更加合理，強(qiáng)度得到充分的利用，螺栓改進(jìn)部分主要有:螺桿總長(zhǎng)度減小6 mm，螺桿螺紋段的長(zhǎng)度增加6 mm。

2 鐵墊板受力變形分析

2.1 模型的建立

為分析鐵墊板受力變形規(guī)律，利用有限元軟件建立鐵墊板的實(shí)體模型，對(duì)其進(jìn)行靜力分析，并按照第四強(qiáng)度理論進(jìn)行檢算。鐵墊板采用球墨鑄鐵QT450－10材料，抗拉強(qiáng)度為450 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，采用Solid45單元模擬。鐵墊板下的彈性基礎(chǔ)采用厚度12 mm、剛度70～80 kN/mm的橡膠墊板，泊松比為0.3，采用Combine14單元模擬。

2.2 荷載工況及參數(shù)選取

鐵墊板上的主要荷載如圖2所示。

圖2 鐵墊板上的主要荷載示意

地鐵列車為B型客車，軸重為14 t，設(shè)計(jì)速度為80 km/h［7］。車輪作用在鋼軌上并傳遞至墊板的豎向荷載PA與彈條對(duì)墊板的壓力Pv共同作用并均布于承軌面上，總荷載值為彈條扣壓力與機(jī)車軸重設(shè)計(jì)荷載之和。單個(gè)彈條的扣壓力Pv取10 kN，機(jī)車荷載PA根據(jù)軌道動(dòng)力響應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算方法［8］計(jì)算，取50 kN，則總的荷載值為70 kN。

車輪作用在鋼軌上并傳遞至鐵墊板彈條座側(cè)面的橫向力PH取為機(jī)車垂向設(shè)計(jì)荷載乘以0.8的系數(shù)，為40 kN。螺栓預(yù)緊力P簡(jiǎn)化為作用于墊板螺栓孔周圍圓環(huán)區(qū)域的均布?jí)毫?。根?jù)螺栓扭矩?fù)Q算所得的預(yù)緊力取60 kN。彈條尾部落在鋼軌上，每個(gè)彈條對(duì)鋼軌產(chǎn)生一個(gè)與扣件扣壓力相等的壓力，為10 kN。T形螺栓對(duì)凸圓柱產(chǎn)生的抗拔力PL取10 kN。

鐵墊板下彈性基礎(chǔ)剛度為固定值70 kN/mm，采用厚度12 mm的橡膠墊板。

2.3 邊界條件

計(jì)算模型中的橡膠墊板采用彈簧模擬，對(duì)橡膠墊板進(jìn)行三個(gè)方向的位移約束，在墊板的螺栓孔附近設(shè)沿直徑方向的位移約束。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

將所有豎向及橫向荷載同時(shí)作用在鐵墊板上時(shí)，鐵墊板的應(yīng)力及變形情況為:①鐵墊板絕大部分區(qū)域的應(yīng)力都在50 MPa以下，螺栓孔附近的應(yīng)力大多在100 MPa以下，彈條支承座大部分區(qū)域的應(yīng)力均在100 MPa以下，擋肩在橫向力作用處出現(xiàn)最大應(yīng)力為131 MPa，小于極限強(qiáng)度(450 MPa)。②高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在墊板直接承受鋼軌荷載與橫向力的區(qū)域，由于彈條孔壁較薄，彈條對(duì)墊板的扣壓力、鋼軌對(duì)墊板的壓力以及橫向力三者相互作用，使得該處應(yīng)力最大。但由材料力學(xué)知識(shí)可知，該區(qū)域的應(yīng)力對(duì)其他區(qū)域影響不大。螺栓孔附近區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，但應(yīng)力較小，影響范圍有限，僅小部分區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。綜上可知，在最不利荷載作用下，鐵墊板的強(qiáng)度均小于材料的極限強(qiáng)度(450 MPa)，滿足使用要求，說(shuō)明鐵墊板加厚的強(qiáng)度富余量較大。③在最不利的工況下，鐵墊板的豎向最大位移值僅為4.25×10－3mm，可以忽略。④在橫向力與垂向力共同作用下，擋肩處發(fā)生的最大橫向位移為1.09×10－3mm，滿足要求。

綜上可知，鐵墊板應(yīng)力和位移均較小。增加鐵墊板的厚度是為了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中避免拆卸和施工影響螺栓孔的強(qiáng)度，留有足夠強(qiáng)度富余量。這說(shuō)明新型扣件系統(tǒng)中鐵墊板不是受力變形的主要控制部件，新型扣件系統(tǒng)對(duì)鐵墊板的優(yōu)化設(shè)計(jì)有良好的效果，對(duì)于延長(zhǎng)扣件系統(tǒng)的壽命和養(yǎng)護(hù)維修具有一定優(yōu)越性。

3 螺栓強(qiáng)度分析

3.1 計(jì)算模型

新型扣件系統(tǒng)與彈條Ⅲ型彈性分開式扣件系統(tǒng)一樣，采用φ30螺栓，但在長(zhǎng)度及螺紋布置方面有所改進(jìn)。其具體尺寸如圖3所示。

為準(zhǔn)確模擬套管及螺栓在荷載作用下的受力和變形，采用等參數(shù)實(shí)體單元進(jìn)行建模，并通過(guò)Solid45單元實(shí)現(xiàn)。由于模型主要計(jì)算止退螺栓和套筒的強(qiáng)度，因此混凝土的尺寸只要能達(dá)到一定值就能達(dá)到實(shí)際受力情況的要求，本模型混凝土長(zhǎng)×寬×高尺寸取為60 mm×60 mm×125 mm。本次計(jì)算分析建立了如圖4所示的螺栓+塑料套管+混凝土的整體模型。

圖3 螺栓尺寸(單位:mm)

圖4 螺栓+套管+混凝土整體模型

3.2 荷載工況和計(jì)算參數(shù)選取

螺栓混凝土等級(jí)為C60，彈性模量取36 GPa，泊松比取0.15。螺紋套管外徑53 mm，厚度11 mm，材料為玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66型，拉伸屈服強(qiáng)度170 MPa，彈性模量9 GPa，泊松比0.25。止退錨固螺栓采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓，拉伸屈服強(qiáng)度為235 MPa，直徑為30 mm，材料為鋼質(zhì)Q235，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3。

模型計(jì)算工況如下:

工況1:參照歐標(biāo)(DIN EN 13481－2:2012－08－E)，取60 kN抗拔力作用于螺栓模型頂面，檢算螺栓在只有抗拔力作用時(shí)的強(qiáng)度［9］。

工況2:考慮螺栓抗剪能力，計(jì)算螺栓在30 kN橫向力作用于螺栓與軌下墊板相互作用部位時(shí)的強(qiáng)度。

工況3:偏于安全考慮，計(jì)算實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)可能出現(xiàn)的最不利荷載工況，即縱橫向力共同作用且同時(shí)達(dá)到最大時(shí)螺栓的強(qiáng)度。計(jì)算時(shí)取60 kN抗拔力和30 kN橫向力共同作用于螺栓。

3.3 邊界條件

按實(shí)際軌枕所受約束進(jìn)行模擬，模型邊界約束施加在混凝土外圍表面及底面，將混凝土4個(gè)外側(cè)面和底面全約束，混凝土與螺紋套管、螺紋套管與螺栓均粘接在一起，然后進(jìn)行求解。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

1)60 kN抗拔力作用下的應(yīng)力

60 kN抗拔力作用下螺栓與套管等效應(yīng)力如圖5所示?？芍?①螺栓最大應(yīng)力位于螺栓齒紋處，為100.2 MPa，遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度(350 MPa)，且小于極限強(qiáng)度的1/3，滿足抗拔強(qiáng)度要求;②套管主要受拉應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力發(fā)生在套管上表面四周，其值為13.4 MPa，遠(yuǎn)小于其極限強(qiáng)度(170 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

圖560 kN抗拔力作用下螺栓與套管等效應(yīng)力(單位:MPa)

2)30 kN橫向力作用下的應(yīng)力

30 kN橫向力作用下螺栓與套管等效應(yīng)力如圖6所示?？芍?①在30 kN橫向力作用下，螺栓與各自套管產(chǎn)生擠壓的區(qū)域應(yīng)力較大;應(yīng)力普遍較大區(qū)出現(xiàn)在螺栓螺紋上端約1/3以上區(qū)域，此部分最大應(yīng)力為231.4 MPa，接近極限強(qiáng)度(235 MPa)，滿足要求。在最頂端的螺紋處出現(xiàn)應(yīng)力集中，影響區(qū)域很小。總的來(lái)說(shuō)，螺栓強(qiáng)度滿足使用要求。②套管的應(yīng)力相對(duì)較大，與混凝土產(chǎn)生擠壓的面上應(yīng)力較大，最大值出現(xiàn)在套管頂部徑向兩端，但影響范圍較小，其值為51.9 MPa，小于極限強(qiáng)度(170 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

3)60 kN抗拔力與30 kN橫向力共同作用下的應(yīng)力(圖7)

由圖7可知:①模型中的螺栓最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺桿變截面與最頂端螺紋交接處、螺栓與塑料套管擠壓面上，最大應(yīng)力216.9 MPa，小于極限強(qiáng)度(235 MPa)，有一定強(qiáng)度富余。②套管的最大應(yīng)力位于其外邊緣與混凝土產(chǎn)生擠壓處，值為64 MPa，小于極限強(qiáng)度(170 MPa)。

綜上可知，螺栓與套管強(qiáng)度均滿足使用要求。

圖630 kN橫向力作用下螺栓與套管等效應(yīng)力(單位:MPa)

圖760 kN抗拔力與30 kN橫向力共同作用下螺栓與套管等效應(yīng)力(單位:MPa)

4 結(jié)論與建議

本文介紹了基于彈條Ⅲ型彈性分開式扣件設(shè)計(jì)的一種新型地鐵扣件，闡述了其主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其主要部件——鐵墊板、螺栓與螺紋套管進(jìn)行了受力與變形分析，得到以下結(jié)論:

1)優(yōu)化鐵墊板設(shè)計(jì)，增加了其寬度和厚度，改善了傳力性能;增大螺栓孔處圓角半徑，且在邊緣設(shè)置小段切線;擋肩與鐵墊板下部連接處的直角連接改為圓弧過(guò)渡連接，并增設(shè)圓弧過(guò)渡區(qū)，減緩了突變處的應(yīng)力集中。

2)在最不利荷載作用下，鐵墊板的強(qiáng)度能滿足使用要求，有足夠強(qiáng)度富余量。其垂向、橫向最大位移均很小，說(shuō)明新型扣件系統(tǒng)對(duì)于鐵墊板起到了良好的優(yōu)化效果。

3)減小螺桿長(zhǎng)度，增大螺紋段的長(zhǎng)度，在60 kN抗拔力和30 kN橫向力荷載的分別作用和共同作用下其受力更加合理，螺栓強(qiáng)度與套管強(qiáng)度均能滿足使用要求，強(qiáng)度得到充分利用。在30 kN橫向力作用下螺栓的最大應(yīng)力為231.4 MPa，在60 kN抗拔力和30 kN橫向力共同作用下螺栓受到的最大應(yīng)力為216.9 MPa，均小于其極限強(qiáng)度。各種工況下的套管應(yīng)力均遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度。

新型扣件系統(tǒng)在使用壽命和養(yǎng)護(hù)維修方面具有一定優(yōu)越性。建議在某些線路條件復(fù)雜，扣件系統(tǒng)受力變形較大的情況下，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上通過(guò)改善扣件材料來(lái)改善整體受力狀態(tài)，提高扣件系統(tǒng)強(qiáng)度。

［1］程保青，楊其振，劉道通.城軌交通新型軌道扣件研究與設(shè)計(jì)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(4):90－94.

［2］于春華.城市軌道交通軌道扣件綜述［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2003(3):31－33，22.

［3］李毅，丁靜波.雙層非線性減振扣件選型設(shè)計(jì)［J］.科技信息，2010(15):713.

［4］王其昌.無(wú)砟軌道鋼軌扣件［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2006.

［5］周瓅珺.不同類型扣件在地鐵中的使用情況調(diào)查與分析［J］.城市軌道交通，2010(增):532－535.

［6］張麗平，蓋曉野，楊榮山.大調(diào)整量扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道建筑，2010(12):91－93.

［7］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)檢疫總局.GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

［8］易思蓉.鐵道工程［M］.2版.北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

［9］British Standards Institution.EN 13481－2:2002Railway Applications－Track－Performance Requirements for Fastening Systems－Part 2:Fastening Systems for Concrete Sleepers［S］. London:British Standards Institution，2012.

Design research of new type metro fastener based on Ⅲ-type elastic rod fastener

XING Jun1，CAI Dunjin1，TIAN Chunxiang2，WANG Ping1
(1.MOE Key Laboratory of High－speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China 2.China Railway Eryuan Engineering Group Limited Company，Chengdu Sichuan 610031，China)

The article introduces a new type metro fastener which is designed based onⅢ－type elastic separate fastener，and makes a comprehensive comparison betweenⅢ－type elastic fastener and the new type fastener from aspects of main parameters and structural design.The force and deformation of main components including iron plate and bolt were analyzed.Design key of the new type fastener includes optimizing iron plate design，increasing its width and thickness，improving power transmission performance，increasing the corner radius of the bolt hole，setting short tangent at the edge，and changing right angle connection to arc transition connection at the bottom connection point of retaining shoulder and the iron plate.And the addition of arc transition zone slows the stress concentration at the mutation，which makes strength of iron plate meet the use requirements and be enough sufficient in the most unfavorable load，and lateral and vertical displacement is very small.Reducing the screw arbor length and increasing the screw thread length will make new type fastener have more reasonable stress in various condition such as under 60 kN pullout resistance force and the 30 kN lateral force.Bolt strength and casing strength could meet the use requirement and the strength could be fully utilized，which could verify the new type fastener system has certain advantages in service life and maintenance.

New type fastener;Structure design;Iron plate;Bolt

U213.5+3

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.33

(責(zé)任審編 李付軍)

1003－1995(2015)10－0151－05

2015－06－27;

2015－07－30

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51425804);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378439);國(guó)家自然科學(xué)基金——高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金(U1334203;U1234201)

邢俊(1992—)，女，碩士研究生。