現(xiàn)代有軌電車新型扣件系統(tǒng)研究

劉雪鋒，李俊璽，馬佳駿

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

1 引言

現(xiàn)代有軌電車作為一種介于輕軌和公交之間的軌道交通系統(tǒng)，以其安全舒適、靈活性好、運(yùn)能適中、造價(jià)低、美觀環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為眾多城市完善綜合交通運(yùn)輸體系的重要手段，并且多地均有大力發(fā)展現(xiàn)代有軌電車作為城市綜合交通骨干的意愿。

現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)工作環(huán)境一般位于地面以下，傳統(tǒng)扣件系統(tǒng)主體為金屬結(jié)構(gòu)，金屬件易產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕；小半徑曲線地段在車輪橫向沖擊作用下，扣件系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)損壞，由于工作環(huán)境特殊性，運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)維修不便。因此，對現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)十分必要。

對于現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)存在的問題，文章進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。通過改善扣件系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)材料屬性提高防腐性能；通過設(shè)置防松措施保證扣件系統(tǒng)在隱蔽工作環(huán)境中穩(wěn)定的工作狀態(tài)，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量；通過采用有擋肩結(jié)構(gòu)提高扣件系統(tǒng)強(qiáng)度。

2 新型扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 既有扣件系統(tǒng)存在的問題

現(xiàn)代有軌電車在迅速發(fā)展同時(shí)，由于特有運(yùn)營環(huán)境，導(dǎo)致現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)存在不同于地鐵和輕軌的問題。

（1）金屬件腐蝕嚴(yán)重。現(xiàn)代有軌電車軌道扣件系統(tǒng)常年埋設(shè)于地面下，潮濕的工作環(huán)境加速扣件系統(tǒng)金屬件化學(xué)腐蝕，而埋設(shè)于地下的走行軌將產(chǎn)生更多雜散電流，加劇扣件系統(tǒng)金屬件電化學(xué)腐蝕，進(jìn)而降低扣件系統(tǒng)使用壽命。

（2）養(yǎng)護(hù)維修不便。安裝完成的現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)埋設(shè)于地下，出現(xiàn)彈條或螺栓等零部件松動(dòng)或傷損問題時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，無法及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修的軌道結(jié)構(gòu)將加速病害蔓延，并且更換鋼軌、扣件系統(tǒng)等軌道部件的工序繁瑣。

（3）橫向荷載過大?，F(xiàn)代有軌電車線路不同于地鐵或輕軌，受道路交通限制，線路曲線半徑較小，軌道系統(tǒng)將承受更大橫向作用力，引起錨固螺栓剪斷或彈條折斷等病害。

2.2 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及目前存在的問題，設(shè)計(jì)需要遵循以下5個(gè)方面原則。

（1）足夠的強(qiáng)度。作為聯(lián)結(jié)鋼軌和道床核心部件，足夠的強(qiáng)度是確保列車平穩(wěn)、安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。

（2）合理的剛度。降低扣件系統(tǒng)剛度可有效衰減輪軌間相互作用，但同時(shí)削弱了扣件系統(tǒng)穩(wěn)定性，選擇合理的剛度才能同時(shí)保證安全性和減振效果。

（3）良好的絕緣、防腐性能?，F(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)工作環(huán)境多位于地面以下，良好的絕緣、防腐性能可避免金屬部件受到腐蝕。

（4）足夠的調(diào)整能力。針對運(yùn)營過程中線路可能出現(xiàn)的沉降或偏移，扣件系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的調(diào)高、調(diào)距能力。

（5）降低養(yǎng)護(hù)維修工作量。扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求簡單，緊固部件應(yīng)有足夠的防松能力。

2.3 創(chuàng)新設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及存在的問題，對其進(jìn)行創(chuàng)新及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3.1 新型基板

基板是現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)核心組件，現(xiàn)有基板以金屬材質(zhì)為主，由于長期埋設(shè)于地下，金屬材質(zhì)易被腐蝕且自重較大不利于養(yǎng)護(hù)維修。

為適應(yīng)現(xiàn)代有軌電車扣件所處的特殊環(huán)境，首次采取玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66材質(zhì)注塑成型基板，在保證基板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)，極大提高了扣件系統(tǒng)的防腐、絕緣性能，同時(shí)降低了扣件結(jié)構(gòu)的重量，便于施工及養(yǎng)護(hù)維修，如圖 1所示。

圖1 新型基板

2.3.2 新型防松墊圈

現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)長期埋設(shè)于地下，出現(xiàn)螺旋道釘松動(dòng)，彈條扣壓力不足等問題時(shí)，不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而影響扣件系統(tǒng)整體性能。

設(shè)計(jì)首次采用新型防松墊圈，使墊圈壓緊螺旋道釘螺帽的同時(shí)兩翼卡緊彈條中趾，持續(xù)為螺帽提供壓緊力，防止螺旋道釘松脫，保證螺旋道釘和彈條長期處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，如圖2所示。

2.3.3 主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2 新型防松墊圈

現(xiàn)代有軌電車線路曲線半徑小，輪軌作用橫向力大，因此應(yīng)提高扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)由于扣件系統(tǒng)長期埋設(shè)于地下，不便于養(yǎng)護(hù)維修，需在滿足使用功能基礎(chǔ)上，盡量減少扣件系統(tǒng)組成部件。

新型扣件系統(tǒng)采用有擋肩結(jié)構(gòu)，利用混凝土軌枕擋肩承受輪軌作用傳遞的橫向力，降低螺旋道釘所受的剪切力，提高扣件穩(wěn)定性。

新型扣件系統(tǒng)采用彈性不分開式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，最大程度降低了養(yǎng)護(hù)維修工作量，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)代有軌電車新型扣件系統(tǒng)

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)代有軌電車新型扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。新型扣件系統(tǒng)采用有擋肩、有螺栓、彈性不分開式結(jié)構(gòu)，主要由基板、彈性墊板、螺旋道釘、Ⅱ型彈條、防松墊圈、絕緣軌距塊、尼龍?zhí)坠艿冉M成。

（1）新型扣件系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)運(yùn)營需求，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

（2）通過設(shè)置軌下調(diào)高墊板和板下調(diào)高墊板方式實(shí)現(xiàn)鋼軌調(diào)高，調(diào)高水平為0 ～20 mm；通過調(diào)整絕緣軌距塊配置方案實(shí)現(xiàn)鋼軌調(diào)距，調(diào)距水平為 - 8～+ 4 mm。調(diào)高調(diào)距方式簡便，滿足現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營后養(yǎng)護(hù)維修要求，如圖4所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)匯總表

（3）扣壓件選用Ⅱ型彈條，為城市軌道交通中最普遍應(yīng)用形式，技術(shù)成熟，扣壓力適中，通用性高，如圖 5所示。

3 新型扣件系統(tǒng)理論計(jì)算

通過建立有限元分析模型，對工作狀態(tài)下新型扣件系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行理論分析。

圖4 現(xiàn)代有軌電車新型扣件系統(tǒng)調(diào)高調(diào)距方案

圖5 Ⅱ型彈條

3.1 有限元模型參數(shù)取值

有限元模型參數(shù)取值如表2所示。通過設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行荷載理論計(jì)算。

3.2 計(jì)算荷載

3.2.1 垂向荷載

新型扣件系統(tǒng)垂向荷載影響因素主要包括車輛軸重、運(yùn)行速度等，根據(jù)我國軌道強(qiáng)度計(jì)算方法。枕上動(dòng)壓力Rd為：

式（1）中，Rs為靜輪載計(jì)算得到的枕上壓力，取30 kN。軸重取12.5 t，荷載分配系數(shù)取0.48；α為速度系數(shù)，取0.315。速度取70 km/h，機(jī)車類型取電力機(jī)車；β為偏載系數(shù)，取0.1。車輛重心高度取1 500 mm，不均衡超高值取75 mm。左右鋼軌中心線間距取1 500 mm。

3.2.2 橫向荷載

新型扣件系統(tǒng)橫向荷載影響因素主要包括車輛軸重、曲線超高、運(yùn)行速度等，針對扣件橫向荷載計(jì)算，目前尚未有公認(rèn)計(jì)算公式，一般通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，考慮小半徑曲線下最不利情況，橫向力Rt取值為：

3.3 鋼軌位移計(jì)算

分別對正常組裝和最大調(diào)高狀態(tài)下新型扣件系統(tǒng)在輪軌接觸位置施加垂向力Rd= 42.45 kN，橫向力Rt=25.47 kN的荷載，提取鋼軌垂橫向位移如圖6、圖7、表3所示。

經(jīng)計(jì)算，2種狀態(tài)下鋼軌垂、橫向位移均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.4 新型扣件系統(tǒng)零部件受力檢算

提取加載狀態(tài)下新型扣件系統(tǒng)各主要零部件Mises應(yīng)力云圖，檢算各主要零部件受力情況。

表2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 正常狀態(tài)下鋼軌位移云圖（單位：mm）

3.4.1 基板

基板應(yīng)力集中部位為底座與彈條接觸位置和鋼軌傾翻一側(cè)頂面折角位置，最大應(yīng)力為54 MPa，如圖8所示。

圖7 最大調(diào)高狀態(tài)下鋼軌位移云圖（單位：mm）

表3 不同組裝狀態(tài)下鋼軌位移 mm

3.4.2 Ⅱ型彈條

Ⅱ型彈條彈程為10 mm，彈條中趾前端受壓向下彎曲10 mm后實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)接觸，此時(shí)彈條最大應(yīng)力為后趾圓弧內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力為1 349 MPa，如圖9所示。

3.4.3 螺旋道釘

由于新型扣件系統(tǒng)型式為有擋肩扣件系統(tǒng)，傳遞的輪軌橫向力主要由擋肩承受，螺栓所受剪力大大降低，與軌枕面接觸位置應(yīng)力為25 MPa，與彈條接觸位置應(yīng)力為38 MPa，如圖10所示。

3.4.4 防松墊圈

防松墊圈兩翼隨彈條中趾變形同步發(fā)生變形，墊圈應(yīng)力最大位置為兩翼根部，最大應(yīng)力為42 MPa，如圖 11所示。

圖8 基板Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖9 Ⅱ型彈條Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖10 螺旋道釘Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖11 防松墊圈Mises應(yīng)力云圖（單位：MPa）

經(jīng)計(jì)算，新型扣件系統(tǒng)主要零部件受力均滿足要求，且有適當(dāng)余量，如表4所示。

表4 主要零部件受力情況匯總表 MPa

3.5 新型扣件系統(tǒng)組裝靜剛度計(jì)算

對正常組裝狀態(tài)下和最大調(diào)高狀態(tài)下新型扣件系統(tǒng)分別施加F1= 5 kN和F2= 55 kN的垂向荷載，產(chǎn)生位移D1、D2。分別計(jì)算2種狀態(tài)下新型扣件系統(tǒng)的垂向靜剛度KSTA，計(jì)算結(jié)果如圖12、圖13、表5所示。

經(jīng)計(jì)算，正常狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下新型扣件系統(tǒng)組裝靜剛度均滿足40±5 kN/mm的設(shè)計(jì)要求。

4 廠內(nèi)試制試驗(yàn)

理論計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求后，對該扣件系統(tǒng)進(jìn)行廠內(nèi)試制試驗(yàn)，主要包括其零部件和組裝性能檢驗(yàn)。

圖12 正常狀態(tài)下鋼軌位移云圖（單位：mm）

圖13 最大調(diào)高狀態(tài)下鋼軌位移云圖（單位：mm）

表5 不同組裝狀態(tài)下新型扣件系統(tǒng)靜剛度計(jì)算

4.1 基板原材料性能檢測

基板主料為聚酰胺66，加入一定量玻璃纖維及一定比例的抗氧劑、偶聯(lián)劑、成核劑、增韌劑等，在滿足新型扣件系統(tǒng)絕緣要求同時(shí)，提高各個(gè)方向強(qiáng)度?；迨潜究奂到y(tǒng)中核心受力部件，因此對原材料性能進(jìn)行檢測，經(jīng)檢驗(yàn)，基板原材料各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均為合格，檢測結(jié)果如表6所示。

4.2 基板抗壓性能檢測

在原材料滿足設(shè)計(jì)要求情況下，對基板成品強(qiáng)度進(jìn)行檢測，經(jīng)檢驗(yàn)，基板各項(xiàng)抗壓性能指標(biāo)均為合格，如表7所示。

4.3 彈性墊板性能測試

彈性墊板是為新型扣件系統(tǒng)提供彈性的主要部件，同時(shí)也是與鋼軌直接接觸部件，對絕緣性能有較高要求，因此對彈性墊板性能進(jìn)行檢測，各項(xiàng)檢測指標(biāo)均為合格，如表8所示。

表6 基板原材料性能

表7 基板抗壓性能指標(biāo)匯總表 mm

表8 彈性墊板動(dòng)、靜剛度和工作電阻的測試

4.4 新型扣件系統(tǒng)組裝疲勞試驗(yàn)

組裝疲勞試驗(yàn)是將軌枕、鋼軌、螺旋道釘按一定標(biāo)準(zhǔn)組裝后，用疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行3×106次循環(huán)荷載，加載完成后觀察扣件系統(tǒng)損壞、變形以及軌距擴(kuò)張量，經(jīng)檢驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)后的新型扣件系統(tǒng)無損壞，軌距擴(kuò)張量為4 mm，該扣件系統(tǒng)組裝疲勞性能合格。

4.5 疲勞試驗(yàn)前后新型扣件系統(tǒng)垂向靜剛度試驗(yàn)

讀取垂向荷載F1= 5 kN和F2= 55 kN時(shí)鋼軌相對工裝的垂向位移值，計(jì)算單個(gè)扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)垂向靜剛度，經(jīng)檢驗(yàn)，該扣件系統(tǒng)垂向靜剛度和疲勞試驗(yàn)后靜剛度變化率均為合格，如表9所示。

4.6 新型扣件系統(tǒng)電阻值試驗(yàn)

測試在噴水條件下固定于單根軌枕上的2根短鋼軌之間的電阻值，鋼軌不能有裂紋和銹跡，軌枕表面應(yīng)干燥并且置于絕緣塊之上，噴水結(jié)束后記錄時(shí)間不小于3 min。分別對3組新型扣件系統(tǒng)進(jìn)行了測試，經(jīng)測試，新型扣件系統(tǒng)組裝電阻值合格，如表10所示。

表9 疲勞試驗(yàn)前后垂向靜剛度試驗(yàn)記錄表

表10 電阻試驗(yàn)記錄表 kΩ

5 結(jié)語

文章通過建立現(xiàn)代有軌電車新型扣件系統(tǒng)有限元模型，對新型扣件系統(tǒng)受力特性進(jìn)行計(jì)算分析，并進(jìn)行廠內(nèi)試制試驗(yàn)驗(yàn)證，得出主要結(jié)論如下。

（1）新型扣件系統(tǒng)基板采用玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66材質(zhì)注塑成型，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)，可有效提高新型扣件系統(tǒng)防腐和絕緣性能。

（2）新型扣件系統(tǒng)采用防松墊圈，在不便于養(yǎng)護(hù)維修情況下，可有效防止螺旋道釘松動(dòng)，保證彈條扣壓力。

（3）新型扣件系統(tǒng)采用彈性不分開式有擋肩結(jié)構(gòu)，在減少組成部件同時(shí)，可有效提高新型扣件系統(tǒng)抗橫向力水平。

基于以上研究結(jié)論，此種新型扣件系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)現(xiàn)代有軌電車扣件系統(tǒng)存在的問題，可在現(xiàn)代有軌電車工程中推廣使用。