青藏線路基凍脹地段用調(diào)高扣件的研發(fā)

李彥山，高寶林，閆子權(quán)，方杭瑋，張海山，楊　楠( ．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　0008; ．青藏鐵路公司，青海西寧　80007)

?

青藏線路基凍脹地段用調(diào)高扣件的研發(fā)

李彥山1，高寶林2，閆子權(quán)1，方杭瑋1，張海山2，楊楠2
( 1．中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 2．青藏鐵路公司，青海西寧810007)

摘要:針對青藏鐵路出現(xiàn)的路基凍脹病害情況，在彈條Ⅰ型調(diào)高扣件的基礎上，通過優(yōu)化扣件結(jié)構(gòu)和強化關(guān)鍵零部件研發(fā)了青藏線路基凍脹地段用調(diào)高扣件，并進行了扣件組裝性能試驗。結(jié)果表明:該扣件適用于鋪設50 kg/m和60 kg/m鋼軌線路，可實現(xiàn)鋼軌高低位置最大調(diào)整量40 mm、鋼軌軌距調(diào)整量－8～+ 8 mm( 50 kg/m)和－12～+ 8 mm( 60 kg/m) ;保持軌距能力強，即使在鋼軌調(diào)高40 mm情況下，扣件組裝疲勞性能也能滿足《扣件組裝疲勞試驗方法》( TB /T 2491—94)的規(guī)定，可保證列車安全運行。關(guān)鍵詞:青藏鐵路調(diào)高扣件凍脹鋼軌調(diào)高量優(yōu)化

青藏鐵路大部分線路穿越高原凍土區(qū)，海拔較高，氣候環(huán)境極其惡劣。青藏鐵路凍脹地段主要出現(xiàn)在西格段，該段最小曲線半徑700 m，凍害處較多且凍害較為嚴重，每年凍害上脹和春融回落期間線路質(zhì)量很不穩(wěn)定，行車安全隱患較大［1］。

青藏鐵路大部分地段采用彈條Ⅱ型扣件，個別地段采用彈條Ⅰ型扣件。彈條Ⅰ型、Ⅱ型扣件允許最大鋼軌調(diào)高量為10 mm，在正常情況下可滿足使用要求，且應用情況良好。但在青藏線路基低溫凍脹地段及橋頭路基下沉處，由于整治路基凍融循環(huán)引起的不平順，所需的鋼軌調(diào)高量遠遠大于扣件的實際調(diào)整能力。

由于凍脹量為漸進式變化，無法通過一次道床搗固實現(xiàn)較長時間內(nèi)軌道的平順性。前期也曾采用注漿、埋設加熱棒等方式以期徹底解決路基凍脹問題，但效果均不明顯［2-4］，目前只能采用增大扣件高低位置調(diào)整量的方式來解決凍脹期和融化期鋼軌高低位置調(diào)整量過大的問題。

1　扣件結(jié)構(gòu)設計

1. 1結(jié)構(gòu)方案

彈條Ⅰ型調(diào)高扣件已在我國大量鋪設，有30余年的工程實踐經(jīng)驗，使用效果良好。本扣件結(jié)構(gòu)是在彈條Ⅰ型調(diào)高扣件的基礎上，通過以下措施加大鋼軌調(diào)高能力［5］:

1)將混凝土軌枕擋肩高度由25 mm調(diào)整為50 mm。

2)將螺旋道釘長度加長30 mm，同時將強度等級提高至5. 6級，保證使用安全。

3)增設加厚擋板座，用于鋼軌調(diào)高量＞20 mm時。

4)將彈條Ⅰ型調(diào)高扣件用A型彈條更換為W1型彈條(適用50 kg/m鋼軌)或W2型彈條(適用60 kg/m鋼軌)，提高了彈條的扣壓力和彈程，減少扣件的維修工作量，同時可保證與既有扣件相當或更大的鋼軌縱向阻力。

1. 2扣件組成

扣件由螺母、平墊圈、彈條、軌距擋板、擋板座、橡膠墊板、螺旋道釘和調(diào)高墊板組成?？奂M裝如圖1所示。

圖1路基凍脹地段用調(diào)高扣件組裝示意

1. 3鋼軌位置調(diào)整

1. 3. 1鋼軌高低位置調(diào)整

通過在橡膠墊板下放置適當厚度的調(diào)高墊板進行鋼軌高低位置調(diào)整，最大調(diào)高量40 mm，當調(diào)高量超高20 mm時，采用加厚擋板座，參見圖1左圖。

1. 3. 2鋼軌左右位置調(diào)整

通過更換不同號碼的擋板座和軌距擋板進行鋼軌左右位置調(diào)整，60 kg/m鋼軌和50 kg/m鋼軌的軌距調(diào)整量分別為－12 mm～+ 8 mm和－8 mm～+ 8 mm，調(diào)整級差為2 mm。

2　關(guān)鍵零部件設計

2. 1彈條

本扣件系統(tǒng)由于兼顧50 kg/m和60 kg/m鋼軌，而這兩種鋼軌軌底寬度不同，扣壓鋼軌的彈條長度L也會有所不同(見圖2)，因此需根據(jù)鋼軌軌底寬度和軌距擋板尺寸選取或設計適當尺寸的彈條。為了降低成本，盡量采用既有彈條。經(jīng)計算確認，長度86 mm 的W1型彈條和長度78 mm的W2型彈條，可分別用來扣壓50 kg/m和60 kg/m鋼軌。

圖2彈條安裝示意

此外，對于50 kg/m鋼軌，W1型彈條的扣壓力9 kN，較A型彈條扣壓力8 kN大;對于60 kg/m鋼軌，W2型彈條扣壓力10 kN，與Ⅱ型彈條的扣壓力相當，從而可保證本扣件的鋼軌縱向阻力不低于相應的既有扣件。A型、Ⅱ型、W1型和W2型彈條各項設計參數(shù)見表1?？梢?，本扣件采用的彈條彈程均高于相應的既有彈條，可有效減少現(xiàn)場養(yǎng)護維修量。

表1彈條設計參數(shù)

2. 2螺旋道釘

既有螺旋道釘長度為195 mm［6］，考慮到鋼軌調(diào)高40 mm的需要，將螺旋道釘上部加長30 mm，即本扣件的螺旋道釘總長度取為225 mm，見圖3。

既有螺旋道釘原材料為Q235-A，本扣件結(jié)構(gòu)當鋼軌調(diào)高20 mm或40 mm時彈條存在較大程度的上仰，加長的螺旋道釘會承受較大的彎矩，為提高其強度，將螺旋道釘?shù)膹姸鹊燃壴O計為5. 6級。

2. 3調(diào)高墊板

設計調(diào)高墊板時考慮到大調(diào)高狀態(tài)下調(diào)高墊板沿鋼軌方向爬行的問題，將調(diào)高墊板外形設計為圖4所示的形狀，在軌底兩側(cè)各設一槽口，安裝時使兩側(cè)的軌距擋板或擋板座嵌入槽口中。

圖4軌下調(diào)高墊板示意

為降低調(diào)高墊板對扣件組裝剛度的影響，調(diào)高墊板采用聚乙烯材料。60 kg/m鋼軌采用Ⅰ型調(diào)高墊板，50 kg/m鋼軌采用Ⅱ型調(diào)高墊板。每種調(diào)高墊板按厚度分為1，2，5，8，10，20 mm共6種，放置于橡膠墊板與軌枕承軌面之間。

2. 4軌距擋板

為防止軌距擋板沿鋼軌方向爬行，同時優(yōu)化軌距擋板的受力狀態(tài)，在彈條Ⅰ型調(diào)高扣件軌距擋板［7］的基礎上進行了局部優(yōu)化設計，見圖5。主要改進:①將軌距擋板的寬度由原來的104 mm增加為115 mm，以便與彈條更好地配合，同時加大了兩側(cè)肋板的寬度，提高了橫向承載強度;②將軌距擋板的釘孔形狀由方形改為長圓孔形，限制了軌距擋板沿鋼軌方向的位移。

為適應不同類型的鋼軌，設計了不同號碼的軌距擋板。60 kg/m鋼軌采用6號和10號軌距擋板; 50 kg/m鋼軌采用16號和18號軌距擋板。

2. 5擋板座

根據(jù)軌距擋板的尺寸對擋板座進行了重新設計，見圖6。將擋板座的寬度由彈條Ⅰ型調(diào)高扣件的102 mm［8］增加至115 mm。考慮現(xiàn)場螺旋道釘?shù)腻^固狀態(tài)，將擋板座釘孔開口擴大以防止由于錨固劑外溢致使擋板座無法安裝到位。

圖5軌距擋板示意

圖6擋板座示意

擋板座分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種，分別適用于60 kg/m 和50 kg/m鋼軌。每種擋板座按厚度又分為普通擋板座和加厚擋板座兩種，普通擋板座厚度與彈條Ⅰ型調(diào)高扣件擋板座相同，為3 mm;加厚擋板座用于鋼軌調(diào)高量＞20 mm時，厚度為23 mm。

3　扣件組裝性能試驗

路基凍脹地段用調(diào)高扣件試制完成后，按照相關(guān)標準對扣件進行了室內(nèi)試驗，確保上道使用后列車安全運行。試驗包括扣件各種狀態(tài)下的組裝靜剛度、組裝疲勞性能等方面。

3. 1組裝靜剛度試驗

參照《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第3部分:組裝靜剛度的測定》( TB /T 3396. 3—2015)，分別進行了50 kg/m鋼軌和60 kg/m鋼軌用扣件的組裝靜剛度試驗［9］。試驗時每種扣件又分5種調(diào)高狀態(tài):①不調(diào)高;②調(diào)高10 mm;③調(diào)高20 mm;④調(diào)高30 mm;⑤調(diào)高40 mm。

試驗時，50 kg/m鋼軌配用50-10-9橡膠墊板(靜剛度90～120 kN/mm)，60 kg/m鋼軌配用60-10-17橡膠墊板(靜剛度55～80 kN/mm)。試驗結(jié)果見表2。結(jié)果表明，與扣件不調(diào)高狀態(tài)時相比，即使在鋼軌調(diào)高40 mm狀態(tài)下，扣件組裝靜剛度變化率也不超過5%，不影響整體線路剛度的均勻性。

表2扣件組裝靜剛度試驗結(jié)果

3. 2組裝疲勞性能試驗

按照《扣件組裝疲勞試驗方法》( TB /T 2491—94)分別進行了50 kg/m鋼軌和60 kg/m鋼軌用扣件的組裝疲勞性能試驗。試驗參數(shù):垂直力PV= 70 kN、橫向力PL= 70 kN，鋼軌高度100 mm［10］。試驗時每種扣件又分為3種調(diào)高狀態(tài):①不調(diào)高;②調(diào)高20 mm;③調(diào)高40 mm。

經(jīng)2×106次疲勞試驗后，各零部件均未傷損。疲勞試驗前后軌距擴大量見表3。結(jié)果表明，該扣件保持軌距能力強，滿足軌距擴大量不大于6 mm的技術(shù)要求。

表3扣件組裝疲勞試驗前后軌距擴大量

4　結(jié)語

1)本扣件適用于鋪設50 kg/m和60 kg/m鋼軌線路，可實現(xiàn)鋼軌高低位置調(diào)整量0～+ 40 mm、鋼軌軌距調(diào)整量－8～+ 8 mm( 50 kg/m)和－12～+ 8 mm ( 60 kg/m)。

2)本扣件的彈條扣壓力和鋼軌縱向阻力與既有扣件相當或略有提高。

3)即使在鋼軌調(diào)高40 mm情況下，扣件組裝靜剛度變化率也不超過5%，不會產(chǎn)生較大的動態(tài)不平順，可保證列車平穩(wěn)運行。

4)本扣件保持軌距能力強，即使在鋼軌調(diào)高40 mm情況下，扣件組裝疲勞性能也能滿足TB /T 2491—94的規(guī)定，可保證列車安全運行。

參考文獻

［1］牛富俊，馬巍，吳青柏．青藏鐵路主要凍土路基工程熱穩(wěn)定性及主要凍融災害［J］．地球科學與環(huán)境學報，2011( 2) : 196-205．

［2］程國棟，馬?。嗖罔F路建設中凍土工程問題［J］．自然雜志，2006( 6) : 315-320．

［3］高志華，石堅，羅麗娟．青藏鐵路路基凍脹變形特點的研究［J］．鐵道建筑，2010( 6) : 94-96．

［4］薛春曉，程建軍，蔣富強，等．青藏鐵路多年凍土區(qū)段沿線生態(tài)修復新技術(shù)與實踐［J］．鐵道建筑，2010( 9) : 146-148．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB/T 1911. 1—87彈條Ⅰ型調(diào)高扣件組裝配置［S］．北京:中國鐵道出版社，1987．

［6］中華人民共和國鐵道部．TB/T 564—92螺旋道釘［S］．北京:中國鐵道出版社，1992．

［7］中華人民共和國鐵道部．TB/T 1911. 2—87彈條Ⅰ型調(diào)高扣件軌距擋板［S］．北京:中國鐵道出版社，1987．

［8］中華人民共和國鐵道部．TB/T 1911. 3—87彈條Ⅰ型調(diào)高扣件擋板座［S］．北京:中國鐵道出版社，1987．

［9］中華人民共和國鐵道部．TB/T 2491—94扣件組裝疲勞試驗方法［S］．北京:中國鐵道出版社，1994．

［10］國家鐵路局．TB/T 3396. 3—2015高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第3部分:組裝靜剛度的測定［S］．北京:中國鐵道出版社，2015．

(責任審編葛全紅)

Research and development of height-adjustable fastening used in frost-heaving subgrade section on Qinghai-Tibet railway

LI Yanshan1，GAO Baolin2，YAN Ziquan1，F(xiàn)ANG Hangwei1，ZHANG Haishan2，YANG Nan2
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Qinghai-Tibet Railway Company，Xining Qinghai 810007，China)

Abstract:According to the situation of subgrade frost-heaving in Qinghai-T ibet railway line，the height-adjustable fastening for subgrade frost-heaving area in Qinghai-T ibet railway line was researched and designed by optimizing the fastening structure and strengthening the key parts on the basis of the elastic barⅠtype fastening，and the fastening assemblies performance test was made．T he results show that this type of fastening is suitable for the rail line of 50 kg /m and 60 kg /m，the maximum adjustment between rail high and low position is 40 mm，the rail gauge adjustment is－8～+ 8 mm( 50 kg /m) and－12～+ 8 mm( 60 kg /m)，the fastening has a good ability of keeping the gauge，and fastening assemblies fatigue performance could meet the requirement of Test Methods of Fastening Assemblies Fatigue( T B /T 2491—94) even if the rail height is adjusted to 40 mm，which could ensure the train operation safety．

Key words:Qinghai-T ibet railway; Height-adjustable fastening; Frost-heaving; Rail height adjustment amount; Optimization

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0080-04

中圖分類號:U213．1+4

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．17

作者簡介:李彥山( 1986—)，男，助理工程師。

基金項目:中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目( 2014G002-F)

收稿日期:2015-10-11;修回日期: 2015-12-20