扣件組裝測試系統(tǒng)及性能試驗

韓彬 陳興慧 宋峒橋 / .蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院；.蘇州高新城市軌道交通檢驗認證有限公司

0 引言

鋼軌與軌枕之間的聯(lián)結(jié)零件稱為扣件組裝（即扣件系統(tǒng)），主要由彈條、彈性墊板、T形螺栓、鐵墊板、道釘、軌距塊、調(diào)高墊板等組成，主要作用為固定鋼軌、保持軌距、提供彈性、阻止鋼軌相對軌枕的縱橫向移動、使軌道絕緣等。目前在城市軌道交通軌道工程中常用的扣件有DTⅢ2型、WJ-2A型、壓縮型減振扣件、混凝土枕彈條Ⅰ形扣件、檢查坑彈條Ⅰ形分開式扣件（分別適用于60 kg/m或50 kg/m 鋼軌）等，扣件系統(tǒng)的損壞或失效會給行車安全帶來較大風(fēng)險。如扣件系統(tǒng)須有充足的扣壓力、彈程，方可保證扣件系統(tǒng)能提供足夠大的縱向阻力阻止鋼軌爬行；如彈性墊板的材料強度低于所承受應(yīng)力時，墊板容易發(fā)生壓裂。因此，扣件系統(tǒng)在進場施工前或供貨過程中，對同廠家同型號的批量供貨產(chǎn)品按一定比例抽樣檢查，開展相關(guān)性能試驗，顯得尤為必要，有助于提高軌道工程扣件系統(tǒng)質(zhì)量。

1 測試系統(tǒng)

扣件系統(tǒng)的性能試驗方法，目前參照TB/T 3396系列、EN 13146系列等標準，如表1所示，產(chǎn)品限值由扣件廠商或設(shè)計單位提出，供軌道工程質(zhì)量驗收時作為判據(jù)，各試驗方法依據(jù)見表1。而標準對測試系統(tǒng)的要求，只針對關(guān)鍵部件，如設(shè)備的加載速率（可任意設(shè)置，如鋼軌縱向阻力測試時為9～11 kN/min）、靜態(tài)加載力（如組裝靜剛度測試時達到110 kN）、動態(tài)加載力（如組裝疲勞性能測試，單個承軌面在3～5 Hz頻率下達到100 kN）；測試系統(tǒng)中位移傳感器的示值誤差為0.01 mm、荷載傳感器的準確度等級為0.5級；記錄設(shè)備的采樣頻率不低于50 Hz，在試驗過程中能進行數(shù)字記錄，并畫出荷載-位移曲線。各種方法的原理均通過對扣件系統(tǒng)加載荷載，記錄荷載-位移曲線，從曲線中得到或提取測量值進行計算，為測試系統(tǒng)的設(shè)計提供指導(dǎo)。

表1 試驗方法與標準

2 測試系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)采用電液伺服技術(shù)，包括鐵墊板平臺、立柱主機框架、250 kN作動器（考慮到加力架法疲勞試驗時，最大荷載為2pV或4pV，pV為垂直于鋼軌的單個承軌面最大荷載分量）、50 kN作動器、恒壓伺服泵站、油冷機組、控制系統(tǒng)（含軟件）及相關(guān)試驗夾具等，系統(tǒng)的硬件配置及要求見表2。值得一提的是，在泵站與伺服作動器之間加入分油器，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和液壓油的清潔性，實現(xiàn)測試系統(tǒng)高低壓切換的緩升緩降，最終交付使用的測試系統(tǒng)，如圖1、圖2所示。由于性能試驗對環(huán)境溫度有要求，因此試驗平臺、分油器及軟件控制臺置于一個密閉的房間內(nèi)，泵站及油冷機組在緊鄰的半敞開房間（隔絕設(shè)備噪聲和降低溫度干擾）。

表2 測試系統(tǒng)硬件要求

圖1 試驗平臺

圖2 泵站及油冷機組

測試系統(tǒng)的軟件能根據(jù)試驗要求進行靜動態(tài)加載設(shè)定、參數(shù)設(shè)定（如試驗力值、試驗步驟、試驗時間）；可產(chǎn)生包括正弦波、三角波等試驗波形；控制模式包括力值、位移控制等，并切換平滑；提供峰值顯示、谷值顯示、計數(shù)器顯示，繪制試驗力-位移曲線等，可輸出并保存為Excel格式文件。

3 扣件組裝性能試驗

以某城軌軌道工程的扣件系統(tǒng)為例，開展疲勞性能試驗前的鋼軌縱向阻力、組裝扣壓力、組裝靜剛度的測定，以及組裝疲勞性能試驗。試驗前，將扣件系統(tǒng)在23 ℃±5 ℃環(huán)境中靜置24 h，按標準要求把鋼軌用扣件系統(tǒng)固定在軌枕的承軌面，并布置位移傳感器。

3.1 鋼軌縱向阻力試驗

以10 kN/min的恒定速率向鋼軌的一端施加拉力[1]，從加載開始,自動測量荷載及鋼軌相對軌枕的縱向位移。當鋼軌出現(xiàn)滑移或荷載超出扣件性能要求的4倍時，迅速卸載至零，并連續(xù)測定鋼軌位移2 min。重復(fù)該試驗3次,每次間隔 3 min，畫出每次荷載-位移曲線。從曲線圖中確定位移D1、D2，計算初始彈性位移D3：（D3=D1-D2）mm，由曲線圖中D3確定力值F。第1個F值棄用，取后3個F值的平均值為測試結(jié)果，試驗布置如圖3所示。

圖3 鋼軌縱向阻力試驗布置

3.2 組裝扣壓力試驗

同理，以10 kN/min的恒定速率向鋼軌施加荷載[2]，直到軌下鐵墊板能被剛好抽出。抽出墊板，卸載至位移傳感器的平均示值為零，記為p1值，繼續(xù)卸載至0.9p1。然后加載，直到荷載為1.1p1，記錄d值（4個傳感器的平均值）。由荷載-位移曲線讀取d=0時的p0值，該值即為扣件組裝扣壓力。再重復(fù)該試驗兩次，每次間隔 3 min，以3次試驗的平均值為測試結(jié)果，試驗布置如圖4所示。

圖4 組裝扣壓力試驗布置

3.3 組裝靜剛度試驗

建議在試驗前預(yù)加靜載100 kN，卸載停留1 min，再重復(fù)一次加載100 kN，卸載停留1 min，然后開始正式試驗[3]。試驗時，以120 kN/min的恒定速率向鋼軌加載荷載至70 kN[4]，分別記錄荷載加至F1（5 kN）和F2（55 kN）時鋼軌的位移D1、D2（均為4個位移傳感器的平均值）。按式（1）計算扣件組裝靜剛度：

重復(fù)該試驗兩次，每次間隔 3 min，以第3次試驗值為測試結(jié)果，試驗布置如圖5所示。

圖5 組裝靜剛度試驗布置

3.4 組裝疲勞性能試驗

組裝疲勞性能試驗用來檢驗扣件抗橫向力及保持軌距的能力。在試驗前，首先需判斷扣件系統(tǒng)是否屬于對稱型；其次，因試驗是用于模擬工程現(xiàn)場扣件系統(tǒng)的抗傾覆能力，需對鋼軌進行處理。取一根長度約0.5 m的60 kg/m短鋼軌，在軌腰處截去15 mm后重新焊接[5]（焊接后的軌腰要滿足在同一垂直面，不得出現(xiàn)上下偏離），使總高度為161 mm，并在鋼軌兩側(cè)補焊加強筋。隨著非對稱型扣件系統(tǒng)在軌道工程中廣泛使用，加力架法疲勞性能試驗布置如圖6所示（需兩根軌枕、四套扣件）。另外，還有一種單個扣件傾角法疲勞性能試驗，即用扣件把單根鋼軌固定在半根軌枕上，傾角臺角度為α，最大荷載為pV/cosα，如圖7所示。

圖6 加力架法疲勞性能試驗布置（非對稱型扣件）

圖7 單個扣件傾角法疲勞性能試驗布置

以某對稱型扣件系統(tǒng)為例，采用加力架法試驗，加載角度α為26°，其單個扣件承受的橫向力pL為5～40 kN，由pL/pV=tanα計算出垂向力pV約為10～80 kN，對加力架施加周期荷載20～160 kN（單根軌枕），加載頻率為5 Hz（伺服系統(tǒng)中電機運轉(zhuǎn)頻率），循環(huán)次數(shù)為300萬次。試驗后，觀察各零部件是否出現(xiàn)傷損，測量軌距擴大量（用數(shù)顯軌距尺在加力架兩側(cè)分別測量，并取平均值），卸載后靜置24 h，方可進行疲勞性能試驗后的組裝靜剛度、鋼軌縱向阻力、組裝扣壓力測試。另外，組裝疲勞性能試驗，也可參照TB/T 2491-1994[6]的方法進行，其與TB/T 3396.4-2015方法的一些差異見表3。

表3 疲勞性能試驗方法主要差異

通過測試經(jīng)過疲勞性能試驗后的這3個參數(shù)，與疲勞性能試驗前的測試數(shù)據(jù)進行對比計算，得出疲勞性能試驗前后組裝靜剛度的變化率、鋼軌縱向阻力的變化率、組裝扣壓力的變化率，為判斷產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性提供參考。

4 結(jié)語

通過扣件組裝的性能試驗，驗證了測試系統(tǒng)的可行性，測試結(jié)果也達到了產(chǎn)品設(shè)計或驗收要求。目前，城軌扣件系統(tǒng)性能試驗主要參照高速鐵路相關(guān)標準、軌道工程供貨技術(shù)條件、驗收規(guī)范等，通過該試驗平臺可以為后期城軌扣件系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)調(diào)整、產(chǎn)品適應(yīng)性開發(fā)和驗證、城軌扣件系統(tǒng)的標準制定提供一定的技術(shù)支持。通過試驗，為城軌業(yè)主、工程建設(shè)方的供貨質(zhì)量提供公正獨立的判斷依據(jù)，為城軌扣件系統(tǒng)后期維護、運營安全提供數(shù)據(jù)參考，發(fā)揮第三方檢驗機構(gòu)的監(jiān)督作用，為城軌交通事業(yè)可持續(xù)性發(fā)展保駕護航。