新型有軌電車(chē)用扣件研究與設(shè)計(jì)

馮 雁

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

有軌電車(chē)作為城市軌道交通一種主要的組成形式，以地面敷設(shè)方式為主，其扣件設(shè)計(jì)不同于一般鐵路和地鐵，有其特殊性?，F(xiàn)代有軌電車(chē)主要采用埋入式軌道結(jié)構(gòu)，軌道維修困難，要求鋼軌扣件少維修或免維修，同時(shí)具有較高的防腐防銹性能[1]。因此，研究開(kāi)發(fā)一種適用于現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)環(huán)境的有軌電車(chē)扣件，盡量減少零部件的數(shù)量，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量，提高扣件的耐久性顯得尤為重要。

2 有軌電車(chē)扣件主要設(shè)計(jì)原則

有軌電車(chē)敷設(shè)方式和運(yùn)營(yíng)環(huán)境有別于傳統(tǒng)的軌道交通，扣件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮其特殊性對(duì)扣件設(shè)計(jì)的影響[2,3]：

1)現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)輛軸重輕，最大軸重不超過(guò)12.5 t。2)現(xiàn)代有軌電車(chē)速度低，設(shè)計(jì)最大速度70 km/h，實(shí)際運(yùn)營(yíng)最高速度約為50 km/h，旅行速度20 km/h～30 km/h。3)扣件設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足承載力要求的前提下，應(yīng)盡量簡(jiǎn)單合理，減少零部件的數(shù)量，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量。4)現(xiàn)代有軌電車(chē)線路條件多為適應(yīng)城市道路而定，曲線半徑較小，故扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮扣件的縱橫向阻力能否滿足要求。5)現(xiàn)代有軌電車(chē)軌道結(jié)構(gòu)多位于綠化地段，扣件系統(tǒng)長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中，尤其是沿海地區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)考慮扣件系統(tǒng)的防腐性能，并盡量減少鐵件的使用。

3 有軌電車(chē)扣件設(shè)計(jì)參數(shù)研究

3.1 足夠的強(qiáng)度和耐久性

扣件承受荷載大小主要取決車(chē)輛軸重、運(yùn)行速度、曲線半徑、鋼軌垂橫向剛度以及扣件的垂橫向剛度等因素?？奂膹?qiáng)度和耐久性主要通過(guò)疲勞試驗(yàn)加以驗(yàn)證，有軌電車(chē)線路一般曲線半徑小，要求適用于最小曲線半徑25 m，其受橫向作用力明顯，參照國(guó)內(nèi)外同類(lèi)型扣件的設(shè)計(jì)荷載，其疲勞荷載應(yīng)為最大垂向荷載45 kN，橫向荷載35 kN。經(jīng)300萬(wàn)次荷載循環(huán)后，各零部件不得傷損，軌距擴(kuò)大應(yīng)小于6 mm，且扣壓力、鋼軌縱向阻力和節(jié)點(diǎn)靜剛度滿足一定要求，從而確?？奂膹?qiáng)度和耐久性[4]。

3.2 適量的節(jié)點(diǎn)剛度

軌道剛度對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性、輪軌相互作用和舒適性等具有較大的影響，有軌電車(chē)軌道主要采用整體道床形式，其結(jié)構(gòu)剛度較大。良好的扣件彈性，可以有效降低列車(chē)荷載的沖擊，將輪軌間的荷載均勻地傳遞到下部基礎(chǔ)[5]?？奂偠戎饕c墊層剛度有關(guān)，墊層剛度越小，單個(gè)扣件節(jié)點(diǎn)承受的垂向荷載越小，列車(chē)沖擊越小，但是過(guò)小的墊層剛度易引起軌距擴(kuò)大，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致鋼軌的垂向位移過(guò)大，危及行車(chē)安全。因此，扣件剛度取值應(yīng)兼顧鋼軌垂向位移和鋼軌外翻，同時(shí)考慮既有扣件的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)在有軌電車(chē)采用整體道床結(jié)構(gòu)，但其運(yùn)行速度與地鐵相比相對(duì)較低，其扣件節(jié)點(diǎn)垂直靜剛度可設(shè)定在30 kN/mm～50 kN/mm，墊板剛度控制在25 kN/mm～45 kN/mm。

3.3 良好的絕緣性能

在有軌電車(chē)軌道設(shè)計(jì)中，要求扣件應(yīng)具有良好的絕緣性能，具有絕緣作用的零部件其常態(tài)絕緣電阻應(yīng)不小于108Ω，從而保證扣件滿足絕緣性能的要求。

3.4 良好的維修調(diào)整能力

由于軌道結(jié)構(gòu)在建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，不可避免存在施工誤差和不均勻沉降，輪軌反復(fù)左右也會(huì)惡化軌道幾何狀態(tài)，使高低和軌距發(fā)生變化。因此，扣件應(yīng)具有一定的調(diào)整能力[6]?？紤]有軌電車(chē)采用埋入式軌道結(jié)構(gòu)，工務(wù)大修周期長(zhǎng)，日常維修條件差，整體道床扣件軌距調(diào)整量取值為+8 mm,-12 mm。目前修建現(xiàn)代有軌電車(chē)的城市多為南方沿海城市，地質(zhì)條件較差、易產(chǎn)生不均勻沉降，應(yīng)考慮大調(diào)高量的需求，在常規(guī)調(diào)整需求下應(yīng)至少30 mm，當(dāng)高低調(diào)整量超高30 mm時(shí)，應(yīng)對(duì)零部件進(jìn)行加強(qiáng)處理。

4 有軌電車(chē)扣件主要受力部件設(shè)計(jì)

新型有軌電車(chē)扣件主要由螺旋道釘、彈條、預(yù)埋套管、軌距擋板、彈性墊板、軌下調(diào)高墊板和整體調(diào)高墊板等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.1 彈條設(shè)計(jì)

扣壓件作為扣件系統(tǒng)的主要受力部件，其尺寸與結(jié)構(gòu)的合理性直接影響其他相關(guān)部件的設(shè)計(jì)，彈程、直徑、前后肢距、后肢半徑、前后肢半徑中心間距、中肢拱高、側(cè)肢拱高等因素對(duì)彈條扣壓力、彈程以及最大應(yīng)力均有一定的影響[7]。彈條設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分利用材料的彎曲和扭曲應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)線形的較大變化，具有良好的彈性性能。為了評(píng)價(jià)彈條尺寸設(shè)計(jì)的合理性，可建立有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算[8]，當(dāng)彈條達(dá)到設(shè)計(jì)彈程時(shí)，扣壓力約為9.5 kN，滿足彈條扣壓力不小于9 kN的要求，最大應(yīng)力出現(xiàn)在后肢位置，為1 300 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度1 375 MPa，見(jiàn)圖2，圖3。

4.2 預(yù)埋套管與螺旋道釘設(shè)計(jì)

扣件主要通過(guò)預(yù)埋套管與錨固螺栓之間的螺紋配合進(jìn)行固定，為了確定合理的螺紋匹配長(zhǎng)度，建立了套管與螺栓在軸向拉力作用下的計(jì)算模型，在滿足抗拔力60 kN的情況下，相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～圖7。

從圖4～圖7中可以看出，螺旋道釘?shù)呢Q向應(yīng)力影響范圍為9圈螺紋，Von Mises等效應(yīng)力影響范圍7圈螺紋；預(yù)埋套管的豎向應(yīng)力影響范圍7圈螺紋，Von Mises等效應(yīng)力影響范圍6圈螺紋。因此，螺旋道釘和套管在設(shè)計(jì)時(shí)，螺紋數(shù)量不宜超過(guò)9圈。此外，在滿足抗拔力60 kN的情況下各零部件的應(yīng)力情況，可以看出：螺旋道釘Von Mises等效應(yīng)力445.778 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度970 MPa；預(yù)埋套管的等效應(yīng)力122.996 MPa，小于屈服強(qiáng)度170 MPa，均滿足強(qiáng)度要求。

4.3 軌距擋板設(shè)計(jì)

軌距擋板主要抵抗鋼軌橫向荷載并保持軌距，作為主要受力部件，其強(qiáng)度滿足一定的要求。根據(jù)擬定軌距擋板尺寸，建立軌距擋塊分析模型，通過(guò)計(jì)算表明，軌距擋塊的第四強(qiáng)度理論應(yīng)力為115.037 MPa，小于其許用應(yīng)力130.8 MPa，滿足強(qiáng)度安全設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)圖8。

5 新型扣件零部件和試組裝試驗(yàn)結(jié)果

一組新型扣件研制時(shí)，應(yīng)確定各零部件制造工藝方案、工藝流程、關(guān)鍵工藝特點(diǎn)、關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備及控制產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗(yàn)方法等。通過(guò)各零部件的試制和檢驗(yàn)，其產(chǎn)品均滿足合格。為檢驗(yàn)扣件整體組裝情況下的性能，保證運(yùn)營(yíng)安全，必須進(jìn)行組裝疲勞試驗(yàn)，以檢驗(yàn)各部件的耐久性。試驗(yàn)參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13146-4《鐵路應(yīng)用—軌道—扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法——第4部分：重復(fù)加載的影響》的規(guī)定執(zhí)行[9]?？奂M裝時(shí)鋼軌調(diào)高30 mm。試驗(yàn)荷載參數(shù)為：PV=45 kN，PL=35 kN，實(shí)驗(yàn)用鋼軌高度100 mm。試驗(yàn)時(shí)用試驗(yàn)扣件將一段長(zhǎng)度約0.5 m的59R2短鋼軌固定在混凝土軌枕上。經(jīng)300萬(wàn)次荷載循環(huán)后，扣件未發(fā)現(xiàn)任何傷損，軌距擴(kuò)大2.5 mm，扣壓力與鋼軌縱向阻力變化均小于20%，節(jié)點(diǎn)靜剛度變化小于25%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足試驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)的全部要求，如圖9所示。

6 結(jié)語(yǔ)

新型扣件為一種有軌電車(chē)用斜擋肩扣件系統(tǒng)，適用于有軌電車(chē)鋪設(shè)59R2或60R2槽型鋼軌的地段。通過(guò)零部件設(shè)計(jì)、樣品試制以及試組裝試驗(yàn)表明，產(chǎn)品各部件符合要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。該扣件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件少，便于養(yǎng)護(hù)維修，金屬件部件少，潮濕環(huán)境中耐腐蝕性強(qiáng)，高低調(diào)整量大，整體性能具有一定的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)小規(guī)模的上道試鋪驗(yàn)證后可在有軌電車(chē)工程中應(yīng)用并推廣。