時(shí)速160 km城市快軌有擋肩扣件研究

冉 蕾 馬佳駿 劉雪鋒

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

1 研究背景

根據(jù)受力結(jié)構(gòu)的不同，扣件可分為有擋肩扣件和無(wú)擋肩扣件。國(guó)內(nèi)城市軌道交通多采用無(wú)擋肩扣件，通過(guò)錨固螺栓將鐵墊板與軌枕聯(lián)結(jié)為一體，典型的有DTⅥ2型、DTⅢ2型、ZX-2型、ZX-3型等。無(wú)擋肩扣件的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)高和調(diào)距方便，且調(diào)整量大；缺點(diǎn)是列車(chē)速度較快或曲線半徑較小時(shí)，錨固螺栓受力過(guò)大。在部分城市軌道交通線路的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，發(fā)生過(guò)錨固螺栓受剪破壞的現(xiàn)象，增加了養(yǎng)護(hù)維修工作量。

有擋肩扣件由鐵墊板、軌距擋板、軌距塊、板下墊板、軌下墊板等部件組成，可直接將橫向力傳至軌枕?yè)跫缟?，錨固螺栓不再承受橫向力，優(yōu)化了扣件的受力結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了扣件使用壽命，對(duì)高速行車(chē)以及小半徑曲線的適應(yīng)性較好。目前，高鐵扣件以有擋肩扣件為主，有代表性的扣件有WJ-8型、vossloh300型等[1-3]。

為了提供更大的扣壓力和彈性，高速鐵路扣件采用了尺寸較大的彈條，導(dǎo)致扣件、配套軌枕等部件尺寸均較大，造價(jià)較高。

隨著城市軌道交通設(shè)計(jì)速度的不斷提高，對(duì)軌道的穩(wěn)定性、平順性提出了更高的要求，既有無(wú)擋肩扣件無(wú)法滿足高速行車(chē)的要求。為滿足大運(yùn)量、高速度、少維修的運(yùn)營(yíng)條件，急需研究一種穩(wěn)定性更好的扣件結(jié)構(gòu)類型，以保證行車(chē)安全、平穩(wěn)。

2 城市軌道交通扣件存在問(wèn)題

現(xiàn)有城市軌道交通大多為整體道床，采用無(wú)擋肩彈性分開(kāi)式扣件，根據(jù)各城市的地質(zhì)條件、線路條件、運(yùn)營(yíng)習(xí)慣等，又可分為無(wú)螺栓扣件或有螺栓扣件。地鐵無(wú)螺栓扣件有ZX-3型、DTⅥ2型和單趾彈簧扣件等。有螺栓扣件有ZX-2型、DTⅢ2型和WJ-2A型小阻力扣件等。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，均存在不同程度的問(wèn)題。

2.1 無(wú)螺栓扣件彈條退出

無(wú)螺栓扣件靠彈條的變形提供扣壓力，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，缺點(diǎn)是彈條拆卸易引起彈條塑性變形，從而導(dǎo)致扣壓力損失及彈條退出等情況(見(jiàn)圖1)。

圖1 無(wú)螺栓彈條退出

2.2 無(wú)螺栓扣件彈條折斷

無(wú)螺栓彈條的變形對(duì)扣壓力和應(yīng)力影響較大，加工精度偏差、施工過(guò)程不規(guī)范都會(huì)造成彈條應(yīng)力偏大。在高強(qiáng)度振動(dòng)荷載下，容易引起彈條的折斷(見(jiàn)圖2)[9-10]。某城市地鐵曾發(fā)生彈條折斷飛起、將車(chē)站鋼化玻璃墻擊碎的情況。為防止車(chē)站彈條飛起傷人，需將車(chē)站范圍內(nèi)的彈條用鐵絲串聯(lián)起來(lái)，并用綁扎帶進(jìn)行固定。

圖2 無(wú)螺栓彈條斷裂

2.3 錨固螺栓折斷、套管失效

無(wú)擋肩扣件主要靠墊板摩擦力承受橫向力，當(dāng)螺栓未擰緊或墊板摩擦系數(shù)較低時(shí)，將導(dǎo)致橫向力超過(guò)摩擦力的抵抗范圍。此時(shí)，橫向力傳到錨固螺栓上，易造成錨固螺栓彎曲、斷裂等問(wèn)題(見(jiàn)圖3)。

另外，扣件調(diào)整量較大時(shí)，需要松開(kāi)錨固螺栓進(jìn)行調(diào)距，這個(gè)過(guò)程易造成套管螺紋損壞等問(wèn)題。

圖3 扣件錨固螺栓斷裂

2.4 高架線和地下線扣件類型不統(tǒng)一

目前，城市軌道交通高架橋小阻力扣件多采用WJ-2A扣件或相同彈條的配套扣件，地下線一般采用無(wú)螺栓扣件或Ⅱ型彈條配套分開(kāi)式扣件。地下線和高架線扣件結(jié)構(gòu)差異較大，部件基本不能通用，造成運(yùn)營(yíng)備品備件種類繁多、養(yǎng)護(hù)維修非常不便。

綜上所述，軌道部件所存在的問(wèn)題都會(huì)直接影響行車(chē)的安全性、平穩(wěn)性，增大線路養(yǎng)護(hù)維修工作量。為解決以上問(wèn)題，適應(yīng)城市軌道交通運(yùn)量大、小半徑曲線多、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短的特點(diǎn)，需研究一種新型扣件。

3 有擋肩扣件研究

3.1 研究思路

(1)解決扣件存在的主要問(wèn)題

目前，城市軌道交通扣件存在彈條斷裂、T型螺栓后傾或折斷、錨固螺栓折斷、軌下墊板脫出等問(wèn)題。應(yīng)對(duì)扣件各部件的受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以解決目前存在的問(wèn)題。

(2)滿足160 km/h線路的使用條件

針對(duì)160 km/h運(yùn)行速度，應(yīng)提高扣件的橫向剛度，在保持鋼軌垂向位移控制要求的前提下，盡量減少軌頭橫向位移，提高軌道在高速行車(chē)下的穩(wěn)定性。

(3)地下線與高架線通用

目前，城市軌道交通地下線和高架線分別采用不同的扣件，造成備品備件種類較多，養(yǎng)護(hù)維修不便。因此，扣件應(yīng)采用地下線與高架線通用的結(jié)構(gòu)。

(4)降低扣件的造價(jià)

應(yīng)盡量?jī)?yōu)化各部件尺寸，降低扣件的造價(jià)，使新扣件造價(jià)與普通地鐵扣件相當(dāng)。

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)荷載

扣件的受力取決于諸多因素：如車(chē)輛的軸重、固定軸距、曲線半徑、鋼軌抗彎剛度、扣件剛度等。目前，尚未有公認(rèn)成熟的理論計(jì)算來(lái)確定單個(gè)扣件的橫向力，一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算，并通過(guò)測(cè)試加以驗(yàn)證。其中，垂向力為

R=0.5ψW

式中ψ——?jiǎng)虞d系數(shù)，根據(jù)《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)速度小于等于160 km/h取2.0；

W——名義輪重。

橫向力為

H=0.6×R(小半徑曲線)

車(chē)輛軸重按17 t計(jì)算，垂向力R=85 kN；橫向力H=51 kN。

(2)扣壓力和縱向阻力取值

有砟軌道混凝土枕用扣件的防爬阻力必須大于道床縱向阻力。而無(wú)砟軌道的縱向阻力完全取決于扣件縱向阻力，設(shè)計(jì)時(shí)可參考有砟軌道的縱向阻力相當(dāng)值[2，15，16]。

《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，設(shè)計(jì)速度為160 km/h時(shí)，有砟軌道道床縱向阻力≥12 kN/枕(20 kN/m)。常阻力扣件采用Ⅱ型彈條，扣壓力為10 kN；橡膠墊板與鋼軌之間摩擦系數(shù)取0.65，軌距塊與鋼軌之間摩擦系數(shù)取0.25，縱向阻力r=2×10(0.25+0.65)/0.6=31.6 kN/m，扣件防爬阻力大于道床縱向阻力，可滿足無(wú)縫線路鋪設(shè)要求。

高架橋小阻力扣件采用“小阻力彈條+復(fù)合墊板”的組合，根據(jù)無(wú)縫線路檢算[11]，建議防爬阻力取10 kN/m，復(fù)合墊板與鋼軌之間摩擦系數(shù)取0.25，軌距塊與鋼軌之間摩擦系數(shù)取0.25，縱向阻力r=2×6(0.25+0.25)/0.6=10 kN/m，小阻力彈條扣壓力按照6 kN進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3)靜剛度

扣件節(jié)點(diǎn)垂向剛度應(yīng)以30 kN/mm左右為宜[20]，與《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求的20～40 kN/mm及《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中20～30 kN/mm一致。

(4)軌距、高低調(diào)整量

扣件軌距調(diào)整量為±12 mm，高低調(diào)整量為30 mm，滿足無(wú)砟軌道軌距加寬、施工誤差等的調(diào)整要求。

3.3 扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)扣件方案設(shè)計(jì)

采用有擋肩、有螺栓結(jié)構(gòu)，將橫向力通過(guò)軌距擋板傳至軌枕?yè)跫缟?，錨固螺栓不再承受橫向力，優(yōu)化了受力結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)了扣件使用壽命，對(duì)高速行車(chē)以及小半徑曲線的適應(yīng)性更好?？奂陕菪泪敗⑵綁|圈、彈條(II型彈條和小阻力彈條)、絕緣塊、軌距擋板、軌下墊板(普通墊板和復(fù)合墊板)、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預(yù)埋套管組成(見(jiàn)圖4)。

圖4 有擋肩扣件組裝示意(單位：mm)

該有擋肩扣件主要有以下特點(diǎn)。

①在WJ-8型扣件基礎(chǔ)上，針對(duì)城際及市域鐵路的運(yùn)營(yíng)條件，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

②扣件系統(tǒng)為帶鐵墊板的彈性不分開(kāi)式扣件，混凝土軌枕或軌道板承軌槽設(shè)混凝土擋肩，由鋼軌傳遞而來(lái)的列車(chē)橫向荷載通過(guò)鐵墊板和軌距擋板傳遞至混凝土擋肩，降低了橫向荷載的作用位置，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

③扣壓件采用國(guó)鐵Ⅱ型彈條，經(jīng)過(guò)了幾十年的運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，技術(shù)成熟，通用性好，造價(jià)較低。

④通過(guò)軌距擋板和絕緣軌距塊共同實(shí)現(xiàn)軌距調(diào)整，調(diào)整量大，且調(diào)整方便。

⑤同一結(jié)構(gòu)可安裝多種彈條(II型彈條和小阻力彈條)，配合使用摩擦系數(shù)不同的軌下墊板(橡膠墊板或復(fù)合墊板)可獲得不同的線路阻力。

(2)靜力計(jì)算

采用ANSYS有限元分析軟件建立扣件的有限元模型，通過(guò)模擬扣件工作過(guò)程中的實(shí)際受力情況，對(duì)其靜剛度及各零部件的受力進(jìn)行分析，驗(yàn)證扣件力學(xué)性能是否滿足使用要求。

① 計(jì)算荷載說(shuō)明

在工作過(guò)程中，ZX-2Y型扣件主要承受車(chē)輪傳遞至鋼軌軌頭的垂向荷載和橫向荷載，內(nèi)部荷載為螺旋道釘擰緊后產(chǎn)生的對(duì)彈條的壓力，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)軌距塊和軌距擋板的壓力。模型加載情況如圖5所示(已對(duì)軌枕底面進(jìn)行約束處理)。

圖5 扣件加載方案示意

②計(jì)算模型

本模型中，鋼軌為60kg/m鋼軌，軌枕為有擋肩軌枕。為檢驗(yàn)小阻力彈條性能，扣件各零部件均采用實(shí)體模型；為保證計(jì)算效率，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，對(duì)扣件模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，主要包括：

簡(jiǎn)化螺旋道釘?shù)穆菁y，螺栓直徑保持不變；

省略平墊圈和絕緣套管；

對(duì)軌距擋板和軌距塊形狀進(jìn)行簡(jiǎn)化；

去除扣件模型中非關(guān)鍵部分R3以下的圓角。

③ 網(wǎng)格劃分

單元?jiǎng)澐植捎?D實(shí)體單元中的SOLID45實(shí)體元，采用自由劃分的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 扣件有限元模型

④計(jì)算參數(shù)

扣件各部件材料屬性見(jiàn)表1。

⑤組裝靜剛度計(jì)算

通過(guò)向組裝扣件系統(tǒng)的鋼軌施加垂直于鋼軌底面的荷載，計(jì)算鋼軌在荷載作用下產(chǎn)生的相對(duì)于軌枕的位移。根據(jù)產(chǎn)生單位位移變化增加的垂向力來(lái)確定組裝扣件系統(tǒng)的靜剛度[8，14]。

表1 扣件各部件材料屬性

注：鐵墊板下彈性墊板靜剛度為30 kN/mm。

對(duì)鋼軌分別施加5 kN和55 kN的垂向作用力，計(jì)算出兩種荷載作用下的鋼軌位移分別為1.721 mm和0.157 mm(如圖7所示)。

圖7 鋼軌位移

扣件的組裝靜剛度為

(1)

⑥受力檢算

對(duì)有擋肩扣件螺栓的預(yù)緊方式進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，建立如圖8所示的有限元模型，對(duì)鋼軌和軌距擋板進(jìn)行約束，在螺栓上施加預(yù)緊力，通過(guò)調(diào)整預(yù)緊力的大小來(lái)計(jì)算彈條扣壓力。通過(guò)計(jì)算得出，當(dāng)預(yù)緊力為12.5 kN時(shí)，彈條的扣壓力為6 kN。

在分析過(guò)程中，為鋼軌施加垂向85 kN、橫向51 kN的靜荷載，并對(duì)兩螺栓分別施加12.5 kN的預(yù)緊力，計(jì)算扣件各部件的受力情況，分析各部件的受力狀態(tài)，見(jiàn)圖9和表2。

圖8 螺栓預(yù)緊力計(jì)算有限元模型

圖9 各部件應(yīng)力

表2 各部件計(jì)算結(jié)果匯總 MPa

經(jīng)計(jì)算，有擋肩扣件的組裝靜剛度為32.0 kN/mm，在列車(chē)靜載作用下，各部件的受力特性滿足要求[17-19]。

3.4 扣件試驗(yàn)試制及室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)扣件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，并進(jìn)行部件的組裝試驗(yàn)，驗(yàn)證其性能。

(1)彈條試驗(yàn)

針對(duì)新型小阻力彈條，進(jìn)行了尺寸、外觀、裂紋、硬度、金相組織、表面脫碳層、殘余變形、扣壓力、疲勞性能等試驗(yàn)。

經(jīng)檢驗(yàn)，小阻力彈條的尺寸、金相組織、脫碳層滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，扣壓力在5.5～6.5 kN之間，殘余變形小于1 mm，疲勞試驗(yàn)后彈條無(wú)損傷，疲勞變形小于1 mm。試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)扣件組裝試驗(yàn)

按照《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法》的測(cè)試要求，對(duì)扣件進(jìn)行組裝疲勞試驗(yàn)(見(jiàn)圖10)[4-7]。

圖10 有擋肩扣件組裝疲勞試驗(yàn)

取常阻力扣件、小阻力扣件、小阻力調(diào)高扣件(調(diào)至最大調(diào)高量時(shí))各兩組分別進(jìn)行組裝疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 扣件組裝疲勞性能結(jié)果

扣件的各項(xiàng)試驗(yàn)均滿足規(guī)范的要求，疲勞試驗(yàn)前后，軌距加寬、扣壓力變化、靜剛度變化、縱向阻力變化均滿足要求。

4 結(jié)論

(1)理論計(jì)算表明，有擋肩扣件具有較大的抗橫

向力，鋼軌穩(wěn)定性好，剛度均勻，可適用于時(shí)速160 km城市快軌。

(2)該扣件地下線與高架線可通用，僅通過(guò)更換彈條和軌下墊板就可調(diào)節(jié)縱向阻力，備品備件少，方便養(yǎng)護(hù)維修。

(3)組裝疲勞試驗(yàn)表明，軌距擴(kuò)張量、靜剛度、扣壓力、縱向阻力變化率均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。