軋制鋼枕的應(yīng)用探討

尚德如, 崔兵兵

（1. 遼寧紫竹集團(tuán)有限公司,遼寧鞍山 114000；2. 鞍山燈塔冶金工程有限公司，遼寧鞍山 114000）

軋制鋼枕的應(yīng)用探討

尚德如1, 崔兵兵2

（1. 遼寧紫竹集團(tuán)有限公司,遼寧鞍山 114000；2. 鞍山燈塔冶金工程有限公司，遼寧鞍山 114000）

文章在論述鋼枕特點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)比了 2 種不同鋼枕扣件連接形式的優(yōu)劣，采用 Inventor 軟件建立三維模型，運(yùn)用有限元分析手段，對(duì)軋制鋼枕的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，提出未來軌枕的應(yīng)用與發(fā)展前景。

軋制；鋼枕；結(jié)構(gòu)分析；特點(diǎn)；應(yīng)用

1　鋼枕的特點(diǎn)

鋼枕與木枕、混凝土枕相比具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。

（1）鋼枕使用壽命長，可重復(fù)循環(huán)利用。鋼枕報(bào)廢后，可以利用廢鋼價(jià)格銷售或回爐重新冶煉加工其他鋼材。

（2）鋼枕易加工、易維護(hù)。可延長線路維護(hù)周期，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，經(jīng)切割拼接修補(bǔ)后能重復(fù)使用。

（3）鋼枕較混凝土枕輕，便于搬運(yùn)、施工，不易碰傷。尤其在礦井運(yùn)輸軌道等不易運(yùn)輸、搬運(yùn)的施工地點(diǎn)，優(yōu)勢(shì)更為凸顯。

（4）鋼枕承載力大，整體性能強(qiáng)，結(jié)構(gòu)制作簡單。

（5）鋼枕是軌枕中回收率最高者，廢鋼回收率高達(dá) 70%，使鐵路線路建設(shè)總造價(jià)降低。鋼枕可節(jié)約線路占地 10% ，節(jié)約道渣 30%～35%。

（6）鋼枕可在木枕容易被白蟻和腐蝕菌類侵蝕的熱帶鐵路線上廣泛采用。

（7）鋼材的強(qiáng)度和抗變形能力比其他材料都穩(wěn)定，具有生產(chǎn)過程簡單， 承受荷載大， 可提供較大的縱、橫向阻力等特點(diǎn)。

（8）鋼枕鋪設(shè)施工方便、擺放靈活，只需進(jìn)行道碴整平和壓實(shí)，由人工就能抬運(yùn)擺放鋼枕，大大提高了施工效率。

2　鋼枕軌道連接方式

2.1彈條扣件連接方式

彈條扣件連接方式采用彈條擠壓鋼軌軌底，將鋼軌固定在軌枕上，保持軌距并阻止鋼軌相對(duì)于軌枕的橫縱向移動(dòng)。彈條扣件連接如圖1所示，根據(jù)所需軌距尺寸要求，在軋制鋼枕上表面，經(jīng)鍛壓沖孔（U型孔），將彈條一端插入U(xiǎn)型孔內(nèi)，另一端用大錘錘擊壓緊鋼軌軌底，使彈條扣壓在軌底和鋼枕上，保證鋼軌與鋼枕緊密連接。

圖 1 彈條扣件連接

該鋼枕扣件連接方式，優(yōu)點(diǎn)是僅用彈條扣壓鋼軌，不需要其他零部件，目前全國通用的鐵路扣件連接辦法是4～6個(gè)零件單獨(dú)連接，安裝、拆卸方便，成本低。不足之處在于列車在動(dòng)載荷作用下，產(chǎn)生的振動(dòng)容易造成彈條松動(dòng)脫落，增加了線路的養(yǎng)護(hù)維修工作量及安全隱患。

2.2壓板扣件連接方式

壓板扣件連接方式采用壓板凸臺(tái)卡在鋼枕方孔內(nèi)，并用T型螺栓壓緊軌底，保證鋼軌與軌枕聯(lián)結(jié)可靠，增強(qiáng)了安全性。壓板扣件連接如圖 2 所示，根據(jù)所需軌距尺寸要求，在軋制鋼枕上表面，經(jīng)鍛壓沖孔（方型孔），將帶有凸臺(tái)的壓板插入方孔內(nèi)，壓板壓緊鋼軌軌底，同時(shí) T 型螺栓從方孔下面穿出，使得T型螺栓卡在壓板凸臺(tái)處，保證在緊固螺栓的過程中，螺栓不打轉(zhuǎn)，使鋼軌牢固地固定在鋼枕上。

圖 2 壓板扣件連接

該鋼枕扣件連接方式具有軌道結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、能夠更好保持軌距的優(yōu)點(diǎn)，延長了線路的維修周期，減少了養(yǎng)護(hù)維修工作量，結(jié)構(gòu)制作簡單。且在使用中既不容易脫落失效，又不降低原有的使用要求，增強(qiáng)了安全性。

3　軋制鋼枕結(jié)構(gòu)與受力分析

軌道是由鋼軌、軌枕和緊固扣件組成的一個(gè)整體，應(yīng)具有整體抗變形能力以及一定的承載力和強(qiáng)度。采用軋制鋼枕替代其他軌枕，按軌距尺寸在鋼枕上沖孔、壓型、焊接彈條墊板等連接型式，使得彈條或壓板直接安裝在鋼枕上并固定鋼軌，保證鋼軌與鋼枕的緊密連接。

3.1軋制鋼枕結(jié)構(gòu)

軋制鋼枕是由軋制U型鋼材經(jīng)沖孔、鍛壓制造成形，其外形尺寸及質(zhì)量要求符合鋼枕技術(shù)規(guī)范UIC865和BS500標(biāo)準(zhǔn)（圖3）。

圖 3 軋制鋼枕

軋制 U 型材原料一般選用材質(zhì) Q275B 鋼坯，經(jīng)加熱爐加熱到一定溫度后，進(jìn)入 3 機(jī)架 650 中型軋機(jī)，采用孔型軋制方法，使鋼坯進(jìn)行多道次反復(fù)擠壓成型，最終軋制成 U 型材，保證其力學(xué)性能和化學(xué)性能。

軋制鋼枕加工過程：軋制 U 型材原料，經(jīng)沖床剪斷定尺后，按不同軌距規(guī)格要求進(jìn)行沖孔加工，同時(shí)進(jìn)入壓彎、壓形沖壓模具，使兩端頭處壓扁成型，保證道砟碎石不從內(nèi)部漏出，壓彎過程中要保證鋼枕上表面 1 : 20斜度，使其符合鐵路線路安裝、施工技術(shù)要求。

3.2軋制鋼枕受力分析

采用Inventor三維建模軟件并運(yùn)用有限元分析方法，對(duì)軋制鋼枕進(jìn)行載荷強(qiáng)度及抗彎能力校核。我國鐵路貨車軸重普遍采用19 t、20 t、21 t、23 t、25 t。選取鐵路貨車最大軸重為 25 t，則作用在每根鋼軌兩端最大力為 12.5 t。

結(jié)合力學(xué)分析，12.5 t 荷載施加在軌枕與鋼軌的連接位置，方向垂直向下，軌枕安裝在道碴之上，受到道碴施加的固定約束。根據(jù) ANSYS 有限元分析方法，對(duì)軌枕進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，在軌枕與鋼軌連接面處網(wǎng)格劃分盡量密集且均勻，使得計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確（圖4）。

通過運(yùn)算分析可以看出，鋼枕在車軸重為 25 t 條件下，應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在鋼軌與鋼枕的連接位置，其最大應(yīng)力為 1 091 MPa。最大應(yīng)變同樣出現(xiàn)在鋼軌與鋼枕的連接位置，其最大的應(yīng)變量為 0.004 509，完全滿足強(qiáng)度要求，通過三維建模理論分析，軋制鋼枕在實(shí)際應(yīng)用中符合運(yùn)行要求，結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)合理。

4　軋制鋼枕的應(yīng)用及發(fā)展前景

鋼枕具有生產(chǎn)加工簡單、承受荷載大、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但鋼枕較其他軌枕造價(jià)高。目前，鋼枕的使用數(shù)量較少， 只在露天采礦、礦井等窄軌鐵路、冶金鋼鐵企業(yè)運(yùn)輸線上鋪設(shè)。隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，我國正研究發(fā)展承載能力大、自重輕、造價(jià)低、設(shè)計(jì)合理的新型軋制鋼枕，使之既能承受大軸重的重載貨物列車和高速旅客列車的強(qiáng)烈振動(dòng)與沖擊，也能從根本上滿足現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸對(duì)信號(hào)和軌道電路技術(shù)的要求。目前世界各發(fā)達(dá)國家的鐵路，都普遍重視了鋼枕的研究和發(fā)展。軋制鋼枕作為鐵路運(yùn)輸線路重要的組成材料，它的經(jīng)濟(jì)性越來越受到重視，一旦以新型軋制型材為原料的鋼枕問世，鋼枕亦具有廣泛的發(fā)展前景。

圖 4 鋼枕有限元分析

軋制鋼枕在鞍鋼礦渣公司運(yùn)輸線上已成功應(yīng)用（圖5），經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)完全可以滿足使用要求。這種鋼枕承載能力大，整體性強(qiáng)，延長了線路的維修周期，減少了養(yǎng)護(hù)維修工作量，在鐵路運(yùn)輸線路上可推廣使用。

圖 5 鞍鋼礦渣公司運(yùn)輸線現(xiàn)場(chǎng)

5　結(jié)束語

目前軋制鋼枕在國內(nèi)應(yīng)用還很有局限性，只在一些露天礦場(chǎng)、礦井巷道等輕型軌道中使用，還未在重載荷鐵路正線上應(yīng)用。而鋼枕憑借其制作簡單、節(jié)約成本、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，已在歐美、拉美等國家部分使用。隨著鋼鐵、鐵路工業(yè)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)重載荷、高強(qiáng)度、優(yōu)結(jié)構(gòu)的新型鋼枕是未來研究和發(fā)展的方向。

［1］ 張曉東. 鐵道工程［M］. 北京：中國鐵路出版社，2012.

［2］ 盧祖文. 鐵路軌道結(jié)構(gòu)及維修［M］. 北京：中國鐵路出版社，2002.

［3］ 陳伯雄. Inventor 機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)［M］. 北京：北京人民郵電出版社，2002.

［4］ 鐵路第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京：中國鐵道出版社，1995.

［5］ 沈陽鐵路局工務(wù)處. 鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)［M］. 北京：中國鐵道出版社，1987.

責(zé)任編輯 孫銳嬌

Application Disscussion of Rolled Steel Sleeper

Shang Deru， Cui Bingbing

Based on the discussion of the ssteel sleeper characteristics， the paper makes comparison of the advantages and disadvantages of the two different steel sleepers and fastening connection. By using Inventor software to establish threedimensional model， it uses fi nite element analysis method， and makes analysis on the rolling steel sleeper structure strength， puts forward the future prospects for the application and development of the steel sleeper.

rolling， steel sleeper， structure analysis，characteristic， application

U213.3

2016-02-19

尚德如（1982—），男，工程師