扣壓力對重載線路扣件系統(tǒng)試驗的影響

李心，王進，林達文，劉曉倩，2

(1．株洲時代新材料科技股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412007;2．湖南工業(yè)大學包裝與材料工程學院，湖南株洲412007)

扣壓力對重載線路扣件系統(tǒng)試驗的影響

李心1，王進1，林達文1，劉曉倩1，2

(1．株洲時代新材料科技股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412007;2．湖南工業(yè)大學包裝與材料工程學院，湖南株洲412007)

以某新型重載扣件系統(tǒng)為對象，分析緊固扭矩和彈條扣壓力之間的力學關系，根據(jù)緊固扭矩計算扣壓力值，并在不同扣壓力條件下實施節(jié)點剛度和強化疲勞對比試驗，來研究扣壓力對節(jié)點剛度和疲勞性能的影響，同時對技術(shù)條件中的三點接觸組裝方法所帶來的試驗誤差問題進行深入探討。最后針對扣件系統(tǒng)試驗，提出合理的組裝建議，以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，減少試驗誤差。

重載扣件系統(tǒng) 扣壓力 緊固扭矩 三點接觸組裝法 節(jié)點剛度

軸重30 t、設計時速120 km的重載鐵路是近年國內(nèi)開展的重點建設項目，在國內(nèi)外尚無實施先例?？焖僦剌d的工況使輪軌關系極為復雜，只有高性能扣件系統(tǒng)才能保證快速重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)的可靠性、平順性和彈性均勻性［1］。處于研制階段的WJ-12型扣件是針對快速重載無砟軌道而設計的，應用于整體道床后其剛度增大，軌道的彈性主要依靠扣件和墊層提供［2］。在實驗室對WJ-12型扣件的各項性能進行檢測時，發(fā)現(xiàn)扣件系統(tǒng)組裝方法對扣壓力有明顯影響，而扣壓力影響到節(jié)點剛度、疲勞等其它性能的檢測和判定。

1 國內(nèi)外標準對扣壓力性能的規(guī)定

扣壓力是由扣件組裝的扣壓件施加到軌底上表面的垂直力［3］。扣件系統(tǒng)必須有足夠的扣壓力，以保證鋼軌與支承體之間的可靠聯(lián)結(jié)，并使整個系統(tǒng)形成合適的防爬阻力和減振性能［4］。歐洲標準雖然沒有對扣壓力取值和扣件組裝方法做具體要求，但制訂了扣壓力測試方法，并規(guī)定疲勞試驗前后扣壓力變化率不得超過20%，同時節(jié)點剛度變化率不得超過25%［5］。參照歐洲標準，并針對高速重載鐵路的特點，我國也制訂了一系列扣件暫行技術(shù)條件，提出了相關扣件的性能指標和試驗方法。在《WJ-12型扣件技術(shù)條件》(暫行)中(以下簡稱《暫行技術(shù)條件》)，規(guī)定了扣件組裝以擰緊螺母的方式緊固彈條，彈條扣壓程度以三點接觸為準，即彈條的緊固以彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊接觸為準(以下簡稱三點接觸法)，并規(guī)定組裝扣壓力≥20 kN，同時疲勞試驗前后板下墊板剛度變化率不超過20%。按照《暫行技術(shù)條件》，利用三點接觸法進行扣件組裝的緊固扭矩約130 N·m，但實測緊固扭矩有較大波動，在100～150 N·m之間，且100 N·m的情況居多，而扣壓力也會因緊固扭矩的不同而產(chǎn)生波動。

2 扣壓力與緊固扭矩的關系及計算

WJ-12型扣件屬于有螺栓扣件，組裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。該類型扣件通過螺母與T型螺栓之間的緊固扭矩，使彈條產(chǎn)生扣壓力，確?？奂灰姿蓜樱?］，通過緊固扭矩可以計算出螺紋聯(lián)結(jié)預緊力，再根據(jù)預緊力計算出扣件組裝扣壓力。

圖1 WJ-12型扣件組裝結(jié)構(gòu)

2.1 根據(jù)單個彈條緊固扭矩計算螺紋聯(lián)結(jié)預緊力

緊固扭矩M與螺紋聯(lián)結(jié)預緊力F0的關系為［7］

式中:F0為預緊力，kN;M為單個螺栓緊固扭矩，N·m; d2為螺紋中徑，mm;μs為螺紋副摩擦系數(shù);α為螺紋半角，度;β為螺紋升角，度;μn為支承面之間摩擦系數(shù); dn為螺紋支承面摩擦力矩等效直徑，mm。

WJ-12型扣件采用的T形螺栓規(guī)格為M24，取摩擦系數(shù)μs=μn=0.14［7］，當緊固扭矩M=100 N·m時，代入式(1)可計算得到預緊力F0=20.9 kN。

利用工程應用中的簡化公式，同樣可以根據(jù)緊固扭矩計算預緊力為［8］

式中:K為緊固扭矩系數(shù)，表面氧化且有潤滑情況下約為0.2;d為螺紋公稱直徑，mm。

將緊固扭矩M=100 N·m代入式(2)，可計算得到預緊力F0=20.8 kN，與利用公式(1)計算得到的結(jié)果非常接近。

2.2 根據(jù)螺紋聯(lián)結(jié)預緊力計算組裝扣壓力

對單個彈條進行受力分析(如圖2)，可以得到關系式如下

式中:N0為單個彈條扣壓力，N;N為組裝扣壓力，N。

圖2 單個彈條受力圖式

由WJ-12型扣件系統(tǒng)的彈條規(guī)格可知L=115 mm，l=50 mm。表1列出了緊固扭矩M分別為100，130和150 N·m時，利用式(2)、式(3)和式(4)計算得到的扣件系統(tǒng)組裝扣壓力。

表1 不同緊固扭矩對應的WJ-12型扣件系統(tǒng)組裝扣壓力

由表1可見，當緊固扭矩為100 N·m時，組裝扣壓力約18 kN，未達到《暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的≥20 kN的要求;緊固扭矩為150 N·m時，組裝扣壓力約為27.2 kN，遠大于要求值;緊固扭矩為130 N·m時，組裝扣壓力約為23.6 kN，滿足設定要求且有一定安全余量。由此可見，三點接觸的組裝方法存在不確定性，會導致扣壓力波動大，從而造成扣件系統(tǒng)其它性能試驗存在較大誤差，影響相關性能的檢測和判定，如節(jié)點剛度和疲勞性能。

3 不同組裝扣壓力對應的節(jié)點剛度

為研究扣壓力的波動對節(jié)點剛度的影響，選擇了8塊剛度在40～60 kN/mm范圍的WJ-12型板下彈性墊板，材料為TPEE，即熱塑性聚酯彈性體［9］，分別在調(diào)高方式下進行節(jié)點組裝，組裝過程中保持扣件系統(tǒng)其它零件不變。每個節(jié)點分別在緊固扭矩100和150 N·m各測一次節(jié)點剛度，試驗方法參照標準EN13146-9［10］，檢測方式如圖3，試驗結(jié)果見表2。

圖3 WJ-12型扣件系統(tǒng)節(jié)點剛度檢測

表2 WJ-12型扣件系統(tǒng)不同組裝扣壓力對應的節(jié)點剛度

由表2可見，8個節(jié)點的剛度檢測結(jié)果呈現(xiàn)這樣一個趨勢，即緊固扭矩為150 N·m時，比緊固扭矩為100 N·m對應的節(jié)點剛度增加非常明顯，約7～9 kN/mm，平均增長幅度約為16%，說明組裝扣壓力對節(jié)點剛度產(chǎn)生了顯著影響。

4 不同扣壓力對應的強化疲勞性能

為研究扣壓力的波動對疲勞前后節(jié)點性能的影響，按照《暫行技術(shù)條件》規(guī)定的試驗條件，并參照標準EN13146-4加載方式［5］，選擇了2個節(jié)點Q-1#和Q-2#同時進行強化疲勞試驗，如圖4。2個節(jié)點組裝采用的所有零部件都相同(同批次生產(chǎn)，其中板下墊板選擇2塊剛度一致的TPEE彈性墊板)，僅組裝扣壓力不同。

圖4 WJ-12型扣件系統(tǒng)強化疲勞檢測

對節(jié)點Q-1#施加緊固扭矩100 N·m，對節(jié)點Q-2#施加緊固扭矩150 N·m。由表1可知2個節(jié)點的組裝扣壓力計算值分別為18 kN和27.2 kN，經(jīng)歷300萬次重復加載后，測出疲勞后節(jié)點剛度和板下墊板剛度，與2個節(jié)點各自的疲勞前性能進行對比，見表3。

由表3可見，強化疲勞試驗前，Q-1#和Q-2#的板下墊板剛度接近，強化疲勞試驗后，二者的板下墊板剛度也接近，相比疲勞前，變化率都小于20%，滿足《暫行技術(shù)條件》要求。對于節(jié)點剛度，強化疲勞試驗前，Q-1#比Q-2#小7.5 kN/mm，而強化疲勞試驗后，Q-1#僅比Q-2#小3.5 kN/mm，所以Q-1#節(jié)點剛度變化率達到33.6%，而Q-2#節(jié)點剛度變化率僅22.4%，若按照歐洲標準中節(jié)點剛度變化率不得超過25%的規(guī)定［5］，顯然節(jié)點Q-1#不滿足要求，而節(jié)點Q-2#則滿足要求。說明組裝扣壓力對疲勞前后節(jié)點性能試驗結(jié)果也產(chǎn)生了明顯影響。

表3 WJ-12型扣件系統(tǒng)不同組裝扣壓力對應的強化疲勞性能

5 結(jié)論

綜上所述，扣壓力對重載鐵路扣件系統(tǒng)試驗有顯著影響。必須在扣件組裝時保持扣壓力穩(wěn)定，才能獲得可靠的扣件系統(tǒng)性能檢測結(jié)果，采用三點接觸法進行扣件系統(tǒng)組裝，會造成實際扣壓力波動大，進而導致節(jié)點和疲勞性能試驗結(jié)果不穩(wěn)定。建議重載鐵路扣件組裝時，規(guī)定緊固扭矩值為130 N·m，采用該方法來滿足設定扣壓力的大小，保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，減少試驗誤差。

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(責任審編孟慶伶)

U213．5+3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．40

1003-1995(2015)04-0155-03

2014-08-31;

2015-01-20

李心(1977—)，女，四川樂山人，高級工程師，碩士。