基于Ⅱ型彈條的小半徑曲線扣件設(shè)計研究

陳　漫，肖杰靈，張　波，劉淦中，劉　成

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都　610031；2.廣州鐵路公司衡陽工務(wù)段，湖南衡陽　421200)

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基于Ⅱ型彈條的小半徑曲線扣件設(shè)計研究

陳漫1，肖杰靈1，張波2，劉淦中1，劉成1

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都610031；2.廣州鐵路公司衡陽工務(wù)段，湖南衡陽421200)

通過對既有普通線路小半徑曲線扣件系統(tǒng)存在的彈條扣壓力衰減快、軌距塊斷裂、墊板裂化等問題展開小半徑曲線用扣件系統(tǒng)優(yōu)化研究。在II型扣件系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增設(shè)12 mm厚鐵墊板和4 mm厚的尼龍墊片，將擋板座與鐵墊板一體化設(shè)計，共同承擔(dān)鋼軌傳來的橫向力，改進后的扣件系統(tǒng)與Ⅲa型軌枕配套使用，軌距調(diào)整量可達18 mm，滿足小半徑曲線軌距加寬15 mm的使用要求。并用有限元軟件計算彈條采用不同半徑時的各項技術(shù)指標，結(jié)果表明：彈條直徑選用14 mm時，扣壓力較大，最大等效應(yīng)力和彈程適當(dāng)，各項性能最優(yōu)。將設(shè)計優(yōu)化后的扣件系統(tǒng)在某編組站溜放線進行試裝，接近1年的使用表明該扣件系統(tǒng)應(yīng)用狀況良好，未出現(xiàn)彈條松動、軌距擴大現(xiàn)象，Ⅲa型軌枕的病害也大大減少。

小半徑曲線；扣件系統(tǒng)；彈條；軌距加寬；Ⅲa型軌枕

扣件系統(tǒng)是鋼軌與軌枕(軌道板之間)的聯(lián)結(jié)零件，是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分?？奂到y(tǒng)能起到保持鋼軌的幾何形位等作用，也是影響軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵部件[1]。小半徑曲線軌道作為普通鐵路線路三大薄弱環(huán)節(jié)之一，受力情況比直線上復(fù)雜得多，扣件系統(tǒng)易發(fā)生彈條磨損、折斷，軌距塊翹曲、斷裂，墊板裂化等病害[2]。因此，小半徑曲線對扣件系統(tǒng)要求更為嚴格。我國目前鋼軌扣件主要有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，Ⅰ型扣件由于強度安全儲備小、扣壓力相對不足、彈條易損壞等原因不適合在小半徑曲線上應(yīng)用；Ⅱ型扣件是在Ⅰ型扣件基礎(chǔ)上研制的，具有扣壓力大、強度安全儲備大、殘余變形小等優(yōu)點，但仍保留了擋肩，在小半徑曲線上應(yīng)注意軌距擴大問題；Ⅲ型扣件為無擋肩無螺栓彈性扣件，保持軌距能力特別強，但其適用范圍為直線和大半徑曲線地段[3]?？紤]到小半徑曲線上扣件系統(tǒng)的惡劣使用環(huán)境，相關(guān)單位及學(xué)者嘗試了多種改進辦法：1964年，鐵科院設(shè)計了一種預(yù)先在軌枕釘孔位置上埋設(shè)螺釘套管的無肩混凝土枕，用螺釘直接承受剪力來代替擋肩，在浙贛線的小半徑曲線上進行了試鋪，由于單個扣件承受的橫向力較大，一大半的螺釘都被擠彎[4]；1972年，鐵科院聯(lián)合多家單位開發(fā)設(shè)計出了72-1型、72-2型、72-3型3種無擋肩軌枕，由于采用了直徑32 mm的加強螺釘，可以承受較大的橫向力，但扣件的傳力方式有缺點未推廣使用[5]；1973年，鐵科院改善扣件的傳力方式，重新設(shè)計了73-1型無擋肩扣件，在昆明局小半徑曲線上進行了試鋪，經(jīng)過5年的運營，扣件未發(fā)現(xiàn)損壞和磨耗，軌距保持良好[6]；2004年成都局開發(fā)了Ⅲb型混凝土軌枕，將其配套使用的橡膠墊板及Ⅲ型彈條在管內(nèi)小半徑曲線上進行了試鋪，上道使用不久后發(fā)現(xiàn)Ⅲ型彈條扣壓力衰減較快，尤其是小半徑曲線換軌頻繁，換軌后扣壓力衰減很快，許多扣件用簡易工具便能輕易退出，給鐵路運輸帶來了安全隱患。不少扣件在安裝或使用過程中出現(xiàn)斷裂、彈出現(xiàn)象，危及線上工人的生命安全。該扣件配套使用的軌下膠墊厚10 mm，在小半徑曲線地段彈性不足，致使鋼軌波紋等病害突出[7-8]。

綜上所述，用無擋肩扣件替換有擋肩扣件可以解決小半徑曲線軌距擴大問題，減少扣件病害，但目前小半徑曲線上鋪設(shè)的混凝土枕很大部分沒有達到失效狀態(tài)，全部用無擋肩軌枕替代，成本太大[6]。為此，本文在普遍使用的Ⅱ型彈條扣件基礎(chǔ)上，設(shè)計了與Ⅲa型軌枕配套使用的Ⅱ型彈條扣件，在小半徑曲線上進行了試鋪，觀測使用效果。

1　扣件系統(tǒng)優(yōu)化方案設(shè)計

《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定：曲線半徑R<300 m曲線需加寬15 mm。而目前現(xiàn)有新Ⅱ型、Ⅲa型、YⅡ-F型預(yù)應(yīng)力混凝土有擋肩軌枕標準圖的承軌槽的尺寸與扣件系統(tǒng)大多按軌距1435 mm設(shè)置，50、60 kg/m鋼軌扣件系統(tǒng)的軌距調(diào)整量為-8～+12 mm，不能滿足曲線加寬需求。在小半徑曲線上由于鋼軌承受的橫向力較大，鋼軌外翻嚴重，造成彈條工作變形大于設(shè)計值，使彈條出現(xiàn)超容許工作應(yīng)力而發(fā)生殘余變形，出現(xiàn)扣壓力衰減和折斷，小半徑曲線軌道的嚴峻運營條件對彈條的強度要求很高。

為滿足小半徑曲線軌道軌距加寬需求，解決在小半徑曲線軌道上彈條殘余變形過大，扣壓力衰減，彈條松動，使橡膠墊板具有良好的彈性和足夠的強度以及在荷載作用下發(fā)生合理的變形減少鋼軌外翻和輪軌動力作用，從而減少波浪磨耗，為滿足運輸要求確保行車安全，決定從以下方面對扣件系統(tǒng)進行改進：

(1)研究Ⅱ型彈條直徑改變時其各項技術(shù)指標變化規(guī)律，從中選出一個最佳直徑；

(2)將擋板座與鐵墊板一體化設(shè)計，共同承擔(dān)軌距擋板傳來的橫向力，改善軌枕擋肩受力；

(3)加深Ⅲa型軌枕承軌槽深度，對扣件系統(tǒng)的彈條、軌距擋板進行尺寸微調(diào)，達到曲線加寬15 mm的需求，螺旋道釘?shù)拈L度也相應(yīng)有所增加，由原來的195 mm加大到210 mm。

2?、蛐蛷棗l受力分析

2.1計算模型及參數(shù)

分析以空間三維梁有限元計算方法為理論基礎(chǔ)，采用大型有限元軟件ANSYS中的Beam188單元來模擬彈條，建立彈條的空間三維梁模型。Beam188梁單元模擬的是鐵木辛柯梁，不僅考慮了梁的彎曲變形效應(yīng)，還考慮了梁的剪切變形效應(yīng)。Ⅱ型彈條扣件裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示，用M24螺栓將彈條扣在軌距擋板上，通過軌距擋板傳遞彈條的扣壓力于鋼軌上。Ⅱ型彈條直徑為13 mm，設(shè)計彈程為10 mm，標準工作狀態(tài)為彈條中肢前端下鄂與軌距擋板剛好接觸，即三點接觸狀態(tài)。Ⅱ型彈條模型如圖2所示，其材料為60Si2CrA彈簧鋼，彈條的屈服強度取為1 600 MPa，彈性模量取為2.06×105MPa，泊松比取為0.3[9-11]。

圖1　彈條裝配結(jié)構(gòu)

圖2?、蛐蛷棗l模型

2.2邊界條件

彈條的中肢受到從錨固螺栓傳來的壓力，2個尾部后肢受到軌距擋板反作用的豎向力，扣壓鋼軌的兩前肢受到彈條扣壓力反力的作用。螺栓豎向壓力均布在彈條中部兩半圓弧上，尾部豎向和橫向位移受軌距擋板的約束，扣壓鋼軌的兩前肢豎向位移受鋼軌約束，在彈條中肢對稱軸處約束彈條沿線路方向的位移。在小半徑曲線上，鋼軌承受更大橫向力，會導(dǎo)致彈條松動，扣壓力衰減快，從而要求彈條具有足夠的扣壓力和適當(dāng)?shù)膹棾?。本文計算時以位移方式加載，把彈條中部前端下鄂豎向向下位移逐步加到設(shè)計彈程10 mm，分析整個彈條的應(yīng)力及位移分布，研究其變化規(guī)律。加載和約束如圖3所示。

圖3　加載和約束

2.3彈條采用不同半徑時受力比較

由于小半徑曲線換軌頻繁，換軌后扣壓力衰減快，彈條使用環(huán)境惡劣。在直徑13 mmⅡ型彈條基礎(chǔ)上，比較采用不同截面半徑時彈條的各項技術(shù)指標，以便從中選取一個最佳半徑。分析時，不改變彈條的原空間結(jié)構(gòu)，計算直徑為11、12、13、14 mm和15 mm時彈條的受力狀態(tài)。同時，為方便比較，分別以彈程相同、扣壓力相同和最大等效應(yīng)力相同，計算各半徑下彈條各項受力指標。

從表1可以看出：彈程均為10 mm時，扣壓力的增長隨半徑的增長是非線性的，半徑越大，增長幅度越大；最大等效應(yīng)力增長也較快，半徑為7.5 mm時，最大等效應(yīng)力達1 650 MPa，已超過彈條材料的屈服極限1 600 MPa。

表1　彈程相同、半徑不同時各項指標比較

從表2可以看出：扣壓力均為10.3 kN時，最大等效應(yīng)力和彈程均隨半徑的增加作非線性減小。其中，7.5 mm半徑彈條滿足10.3 kN的扣壓力只需6 mm的彈程，最大等效應(yīng)力只有1 030 kN，但彈程太小，可能出現(xiàn)膠墊壓縮量大于扣件彈程以致出現(xiàn)扣件、鋼軌和膠墊不密貼的反?，F(xiàn)象。

表2　扣壓力相同、半徑不同時各項指標比較

從表3可以看出：最大等效應(yīng)力均為1 550 MPa時，扣壓力隨著半徑的增加作非線性增長，半徑7.5 mm時，扣壓力可達15.7 kN，而彈程隨半徑的增加基本呈線性下降趨勢，半徑每增加0.5 mm，彈程減小0.7 mm左右。

表3　最大等效應(yīng)力相同、半徑不同時各項指標比較

綜合表1和表3可以看出：14 mm直徑彈條扣壓力較大，最大等效應(yīng)力和彈程適當(dāng)，各項性能都優(yōu)于其他幾種，建議彈條直徑采用14 mm。若14 mm直徑彈條采用原線型生產(chǎn)，彈程為10 mm時其最大等效應(yīng)力為1 520 MPa，未超過彈條使用極限，扣壓力可達13.7 kN。圖4～圖6分別為13、14 mm和15 mm直徑的彈條在10 mm彈程下的等效應(yīng)力分布。

圖4　直徑13 mm時彈條von mises應(yīng)力分布(t=10 mm)

圖5　直徑14 mm時彈條von mises應(yīng)力分布(t=10 mm)

圖6　直徑15 mm時彈條von mises應(yīng)力分布(t=10 mm)

2.4軌距調(diào)整量檢算

為滿足小半徑曲線軌距加寬15 mm的要求，同時改善Ⅲa型軌枕擋肩和承軌槽的受力情況，對扣件系統(tǒng)進行了重新設(shè)計：(1)將擋板座與12 mm厚鐵墊板一體化設(shè)計，在承軌槽下滿鋪鐵墊板，減小承軌槽表面壓應(yīng)力；采用組合墊板是為了方便調(diào)節(jié)軌距和更換失效墊板；(2)鐵墊板下設(shè)置絕緣尼龍墊板，起到保護承軌槽表面不被鐵墊板磨損，增加扣件絕緣性能的作用，其厚度為4 mm，靠擋肩邊選用3 mm、6 mm厚度，可以調(diào)節(jié)軌距3 mm。改進后的扣件系統(tǒng)如圖7所示。

承軌槽深度就由原來的25 mm變更為40 mm，相應(yīng)螺紋道釘?shù)拈L度也由195 mm加大到210 mm，由于錨固螺栓和螺母均采用10.9級高強螺栓，在小半徑曲線上，考慮最不利工況，施加60 kN抗拔力，螺栓和螺母的強度均未超出極限強度，滿足強度要求[12-15]。本文采用帶擋肩、有螺栓的彈條Ⅱ型扣件，在小半徑曲線上鋼軌承受的橫向力大部分通過軌距擋板傳遞給軌枕擋肩，因此螺栓的抗剪強度也滿足使用要求，在安全使用范圍內(nèi)。主要是對軌距調(diào)整量進行檢算，看是否達到小半徑曲線軌距加寬15 mm要求。改進后的彈條Ⅱ型扣件參數(shù)見表4，軌距調(diào)整量見表5。

注：圖中數(shù)字含義見表4序號圖7　改進后的扣件(單位:mm)

表4　扣件零部件清單

表5　60 kg/m鋼軌小半徑扣件軌距調(diào)整范圍

從表5可以看出，60 kg/m鋼軌軌距調(diào)整范圍為：-7、+11 mm，調(diào)整量為18 mm，改進后的扣件系統(tǒng)滿足小半徑曲線軌距加寬15 mm要求。

3　現(xiàn)場試驗(圖8)

3.1試鋪地點的選擇

對衡陽工務(wù)段管內(nèi)正線小半徑曲線上使用的扣件系統(tǒng)病害進行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)某編組場峰下線路上行車密度最大、狀態(tài)變化最快，換軌頻繁；而且線路上大部分曲線半徑為180 m，軌道的幾何尺寸變化快，Ⅱ型扣件系統(tǒng)出現(xiàn)了彈條斷裂、彈出現(xiàn)象，扣壓力衰減很快，絕緣軌距塊出現(xiàn)了十分嚴重的翹曲、斷裂等病害，因此改進后的Ⅱ型扣件系統(tǒng)選在這個地段進行試裝具有典型代表性。

3.2試鋪

將改進后的Ⅱ型扣件系統(tǒng)在此編組場峰下溜1、溜3道與Ⅲa型軌枕配套進行了試鋪，在溜1道鋪設(shè)軌枕36根，溜3道鋪設(shè)38根，其他要求按照《鐵路線路修理規(guī)則》的規(guī)定設(shè)置，觀測試鋪后扣件使用效果。

圖8　小半徑曲線扣件試裝

3.3試鋪效果

(1)改進后的Ⅱ型扣件系統(tǒng)與Ⅲa型軌枕配套使用，60 kg/m鋼軌軌距調(diào)整量為18 mm，比原彈條Ⅱ型扣件的軌距調(diào)整量加大了6 mm，可解決小半徑曲線軌距加寬15 mm的要求。

(2)由于將擋板座和鐵墊板一體化設(shè)計，減小了軌枕擋肩面所受橫向壓應(yīng)力，改善了擋肩受力；在鐵墊板下增鋪尼龍墊片，增大了承軌槽的受力面積，使承軌槽壓應(yīng)力減小，延長了Ⅲa型軌枕的使用壽命，降低了工區(qū)的維修養(yǎng)護工作量。

(3)從1年的使用情況來看，扣件系統(tǒng)未出現(xiàn)彈條斷裂、松動現(xiàn)象，扣壓力保持良好，尼龍擋板座未出現(xiàn)翹曲、斷裂現(xiàn)象，軌距保持良好，軌下膠墊未出現(xiàn)外側(cè)壓潰現(xiàn)象，使用壽命有所增加，綜合來看，改進后的Ⅱ型扣件系統(tǒng)具有良好的軌距、軌向保持能力。

4　結(jié)論與建議

通過理論分析和現(xiàn)場試驗效果來看，基于Ⅱ型彈條的小半徑曲線扣件設(shè)計研究可以得出以下結(jié)論：

(1)Ⅱ型彈條直徑從11 mm到15 mm變化時，采用14 mm直徑時各項性能均優(yōu)于其他幾種，建議在小半徑曲線上彈條直徑采用14 mm。14 mm直徑彈條采用原線型生產(chǎn)，彈程為10 mm時其最大等效應(yīng)力為1 520 MPa，扣壓力可達13.7 kN。

(2)在小半徑曲線上，建議將擋板座與鐵墊板做一體化設(shè)計，共同承擔(dān)軌距擋板傳來的橫向力，改善軌枕擋肩受力，延長軌枕使用壽命，降低工區(qū)養(yǎng)護維修工作量。

(3)在原Ⅱ型扣件系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了12 mm厚的鐵墊板和4 mm厚的尼龍墊片，相應(yīng)地，Ⅲa型軌枕承軌槽深度和擋肩坡度也有所改變，改進后的扣件與承軌槽結(jié)合良好，便于安裝，軌距調(diào)整量加大為18 mm，符合小半徑軌距加寬要求。

基于Ⅱ型彈條的扣件改造滿足小半徑曲線軌距加寬需求，改善了軌枕受力情況，扣壓力和軌向保持良好，新建小半徑曲線線路可考慮采用改進的扣件系統(tǒng)。

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Research on the Design of Small Radius Curve Fastener Based on Ⅱ-type Elastic Rod Fastener

CHEN Man1，XIAO Jie-ling1，ZHANG Bo2，LIU Gan-zhong1，LIU Cheng1

(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.Hengyang Engineering District, Guangzhou Railway (Group) Corporation，Hengyang 421200，China)

In view of the current problems related to the general fastening system on small radius curve，such as the rapid elastic bar pressure attenuation，the fracture of gauge block and the bearing plate cracking an optimization research is conducted on fastening system.Based on Ⅱ-type elastic rod fastener，with additional 12 mm thick steel plate and 4 mm thick nylon gaskets，the baffle is integrated with the steel plate to share the lateral force coming from the rail.The improved fastener system is used with Ⅲa-type sleeper to allow the gauge adjustment range to reach 18 mm and meet operation requirement for additional 15 mm of small radius curve gauge.The finite element software is used to calculate various technical indexes of the elastic bar used for different radius.The results indicate that when 14 mm diameter rod is selected，the buckle pressure is relatively high，the maximum equivalent stress and displacement are suitable and the properties are optimal.The optimized fastening system is installed and tested on a small radius curve in a marshalling yard.The operation of the system in the past year shows that the fastening system is in good condition without fastener loosening and gauge widening and the defects of Ⅲa-type sleeper are much reduced.

Small radius curve; Fastening system; Elastic bar; Gauge widening; Ⅲa-type sleeper

2016-03-21；

2016-04-03

國家杰出青年科學(xué)基金(編號：51425804)

陳漫(1992—)，男，碩士研究生，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)及軌道動力學(xué)研究，E-mail：547569940@qq.com。

1004-2954(2016)10-0009-05

U213.5+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.003