新型城市軌道交通用方鋼型防護(hù)裝置設(shè)計研究

黃慧超，丁靜波

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 研究背景

目前，城市軌道交通護(hù)軌主要應(yīng)用于小曲線半徑、豎緩重合以及跨越城市主干道和河流橋梁地段。國鐵護(hù)軌用于橋梁地段時，其主要作用是防止已脫軌的列車撞擊橋梁或墜入橋下，造成更大損失，國鐵護(hù)軌采用普通43，50，60 kg/m鋼軌制作，基本軌與護(hù)軌凈距大于140 mm車輪寬度，早期采用200～220 mm凈距。2007年以后，考慮大機(jī)作業(yè)前必須拆除護(hù)軌，作業(yè)完成后又要恢復(fù)護(hù)軌，存在安全隱患，新線護(hù)軌凈距按500 mm設(shè)計，以滿足大型搗固車橋上作業(yè)的要求。

城市軌道用的防脫護(hù)軌與國鐵普通護(hù)軌不同，護(hù)軌主要采用15 kg/m鋼軌、24 kg/m鋼軌、33 kg/m槽型鋼軌或槽鋼制作[1-2]，輪緣槽較小，輪緣槽寬度為40～100 mm。護(hù)軌結(jié)構(gòu)主要承受抗彎性、抗沖擊性，非直接承受列車荷載，當(dāng)一側(cè)車輪輪緣將要爬上軌頂面時，同一輪對的另一側(cè)車輪的輪背與護(hù)軌接觸，促使要爬軌的車輪恢復(fù)到正常位置，防止列車脫軌[3-5]。

1.2 城市軌道交通用防脫護(hù)軌現(xiàn)狀

1.2.1 DPⅡ-60型防脫護(hù)軌

DPⅡ-60型防脫護(hù)軌采用15 kg/m輕軌作為護(hù)軌，在兩個扣件節(jié)點之間，用專用的支架將護(hù)軌固定到鋼軌上，主要作用為防脫。該類型護(hù)軌緊固螺母在支架內(nèi)，現(xiàn)場安裝困難，其支架安裝高度較高；DPⅡ-60型防脫護(hù)軌其支架下方距離軌底65 mm，較難適應(yīng)一般地段整體道床鋼軌下方凈空為72 mm設(shè)計要求。DPⅡ-60型護(hù)軌現(xiàn)場照片見圖1。

圖1 DPⅡ-60型護(hù)軌安裝效果

1.2.2 槽軌型護(hù)軌

槽軌型護(hù)軌采用33 kg/m槽型鋼軌作為護(hù)軌，每間隔2個扣件間距在扣件節(jié)點之間，用專用的支架將護(hù)軌固定到鋼軌上。該護(hù)軌型式施工方便，整體強(qiáng)度較大，護(hù)軌抗橫向力大，但需專門軋制護(hù)軌，材料供應(yīng)困難，護(hù)軌質(zhì)量較大，養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)較困難，經(jīng)濟(jì)性差。槽軌型護(hù)軌現(xiàn)場照片見圖2。

圖2 槽軌型護(hù)軌

1.2.3 槽鋼型護(hù)軌

槽鋼型護(hù)軌通過將槽鋼與支撐塊焊接，作為護(hù)軌結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝時支撐塊與護(hù)軌支架連接。該類型護(hù)軌單個支架節(jié)點質(zhì)量輕、造價較低，但工藝復(fù)雜，不利于現(xiàn)場安裝，橫向剛度較小，抗沖擊能力差。特別是焊接質(zhì)量對該型護(hù)軌影響較大，若焊接質(zhì)量較差，在列車荷載振動作用下，容易出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象。槽鋼型護(hù)軌現(xiàn)場照片見圖3。

圖3 槽鋼型護(hù)軌

根據(jù)以上情況，目前DPⅡ-60型防脫護(hù)軌工程適應(yīng)性較差，33 kg/m槽軌型鋼軌需專門軋制護(hù)軌，護(hù)軌質(zhì)量較大，其他槽鋼型護(hù)軌焊接質(zhì)量對該型護(hù)軌使用效果影響較大[6]，需研究一種安全性、通用性、施工便利性、經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的新型護(hù)軌結(jié)構(gòu)。

2 新型鋼軌防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)方案

2.1 新型鋼軌防護(hù)裝置適用范圍

適用于時速120 km及以下，軸重≤17 t，采用60 kg/m鋼軌的城市軌道交通線路[7]。

2.2 新型鋼軌防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)特征

本鋼軌防護(hù)裝置由方形鋼管(護(hù)軌)、支架、錨固螺栓、雙層彈簧墊圈、錨固墊塊、調(diào)整墊片、T形螺栓、扣板、防松螺母以及絕緣墊塊組成。護(hù)軌接頭處通過接頭套管、螺栓、螺母及開口銷進(jìn)行連接[8]。新型鋼軌防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意見圖4，現(xiàn)場組裝照片見圖5。

圖4 新型鋼軌防護(hù)裝置(單位：mm)

圖5 新型鋼軌防護(hù)裝置現(xiàn)場

護(hù)軌采用矩形鋼管，通過緊固螺栓固定在護(hù)軌支架上。護(hù)軌中部每間隔2個軌枕間距設(shè)置1處支架，護(hù)軌接頭位置間隔1個扣件間距設(shè)置1處支架。鋼軌兩端設(shè)置2個絕緣片，將支架與鋼軌絕緣安裝，絕緣片兩段設(shè)置凸臺卡在支架上，防止竄動。

護(hù)軌接頭位置上表面采用滑槽設(shè)計，下表面采用開孔，用于護(hù)軌接頭處，與其他護(hù)軌連接，接頭套管采用100 mm長矩形鋼管，長100 mm。接頭位置通過內(nèi)套筒使接頭前后護(hù)軌水平、垂向偏差均控制在極小的偏差范圍內(nèi)，具有優(yōu)秀的接頭位置平順性保持能力；護(hù)軌接頭安裝方便，通過預(yù)留國標(biāo)部件可在施工現(xiàn)場方便地進(jìn)行組裝，結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，其安全性、可靠性好。

2.3 護(hù)軌結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點

(1)安全性好，具有足夠的橫、豎向強(qiáng)度，具有一定的防脫軌作用。

(2)通用性好，支架底部距軌底30 mm，能適用于各種道床型式。

(3)防松性能好，T形螺栓、接頭螺栓采用防松螺母，護(hù)軌緊固螺栓采用矩形螺母結(jié)構(gòu)，可有效防松防轉(zhuǎn)。

(4)零部件通用性好，方便運營期養(yǎng)護(hù)維修。

(5)護(hù)軌接頭處縱向不設(shè)置約束，不會對鋼軌無縫線路產(chǎn)生影響。

3 仿真分析模型

3.1 模型建立

為分析新型鋼軌防護(hù)裝置力學(xué)性能，通過建立有限元模型進(jìn)行分析計算。鋼軌防護(hù)裝置各零部件均采用實體單元模擬，采用六面體單元或四面體單元劃分網(wǎng)格。鋼軌防護(hù)裝置各部件之間的接觸關(guān)系采用綁定方式建立。為方便建模，有限元模型中未考慮彈簧墊圈、T形螺栓及相關(guān)部件，T形螺栓預(yù)緊力施加在支架上。鋼軌、護(hù)軌兩端采用固定約束[9]。

各零部件的材料參數(shù)如表1所示。

表1 扣件零部件材料參數(shù)

本模型考慮中間段護(hù)軌和接頭位置護(hù)軌兩種結(jié)構(gòu)形式。中間段鋼軌防護(hù)裝置有限元模型采用2組支架將單根護(hù)軌固定，支架間距為1 200 mm，如圖6所示；接頭位置鋼軌防護(hù)裝置有限元模型采用2組支架分別將1個護(hù)軌固定，支架間距為600 mm，兩根護(hù)軌通過接頭連接套管進(jìn)行連接，如圖7所示。

圖6 中間段鋼軌防護(hù)裝置有限元模型

圖7 接頭位置鋼軌防護(hù)裝置有限元模型三維視圖

橫向加載力值按照GB/T 5599—2019《機(jī)車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》規(guī)定的車輛脫軌系數(shù)安全指標(biāo)，取危險工況下橫向力Q和垂向力P的比值1.2計算；垂向力P參照彈性地基梁設(shè)計方法，動載系數(shù)取2，分別按75 kN(14 t，B型車)、90 kN(17 t，A型車)、100 kN(特殊情況)3種橫向力作用[10-11]。

實際護(hù)軌承載能力取決于護(hù)軌支架整體軌排剛度和節(jié)點距離。本模型均按2個支架承載，不考慮軌排整體剛度，偏于安全。鑒于鋼軌防護(hù)裝置屬于軌道安全設(shè)備，產(chǎn)品經(jīng)撞擊后，超屈服強(qiáng)度出現(xiàn)塑性變形時應(yīng)及時更換，本模型按照材料極限抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢算，以驗證產(chǎn)品的最大抗橫向能力[5]。

3.2 中間段鋼軌防護(hù)裝置計算結(jié)果

在75 kN橫向力作用下，中間段鋼軌防護(hù)裝置計算結(jié)果如下。

(1)中間段鋼軌防護(hù)裝置變形情況

在75 kN橫向力作用下，護(hù)軌出現(xiàn)橫向變形，且在支架位置出現(xiàn)輕微扭轉(zhuǎn)，其護(hù)軌最大橫向位移為2.67 mm，最大豎向位移為0.58 mm。同時支架、鋼軌因偏心受力出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，支架頂部最大橫向位移為0.48 mm，最大豎向位移為0.54 mm。

中間段鋼軌防護(hù)裝置整體變形云圖見圖8。

圖8 中間段鋼軌防護(hù)裝置整體變形云圖

(2)護(hù)軌部件受力情況

護(hù)軌在75 kN橫向力作用下，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在護(hù)軌位置外側(cè)，最大值為267 MPa，護(hù)軌不會產(chǎn)生破壞，材質(zhì)Q345滿足要求。

(3)護(hù)軌支架部件受力情況

護(hù)軌支架在75 kN橫向力作用下，結(jié)構(gòu)最大值為181 MPa，最大應(yīng)力位于支架底部固定鋼軌位置，材質(zhì)QT450滿足要求。

(4)緊固螺栓、緊固墊塊、扣板部件受力情況

緊固螺栓、緊固墊塊、扣板部件在75 kN橫向力作用下，最大應(yīng)力值分別為57.5，38.6，38.5 MPa，緊固墊塊緊固螺栓不會出現(xiàn)破壞。

經(jīng)檢算，當(dāng)橫向荷載作用在中間段鋼軌防護(hù)裝置時，護(hù)軌、緊固螺栓及緊固墊塊均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

(5)不同橫向力變形及應(yīng)力匯總

在90，100 kN橫向力作用下，中間段鋼軌防護(hù)裝置應(yīng)力、變形情況與75 kN荷載作用下趨勢相同，最大等效應(yīng)力及最大橫向位移分別見表2、表3。

表2 護(hù)軌主要部件最大應(yīng)力統(tǒng)計 MPa

表3 護(hù)軌主要部件最大橫向位移統(tǒng)計 mm

通過上述計算結(jié)果可以看出，當(dāng)橫向荷載分別為75，90，100 kN作用在中間段鋼軌防護(hù)裝置時，護(hù)軌、緊固螺栓及緊固墊塊均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

3.3 接頭位置鋼軌防護(hù)裝置計算結(jié)果

在75 kN橫向力作用下，接頭位置鋼軌防護(hù)裝置計算結(jié)果如下。

(1)接頭位置鋼軌防護(hù)裝置變形情況

在75 kN橫向力作用下，護(hù)軌出現(xiàn)橫向變形，且在支架位置出現(xiàn)輕微扭轉(zhuǎn)，其護(hù)軌最大橫向位移為4.81 mm，最大豎向位移為1.60 mm。同時支架、鋼軌因偏心受力出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，支架頂部最大橫向位移為3.00 mm，最大豎向位移為1.51 mm。

接頭位置鋼軌防護(hù)裝置整體變形云圖見圖9。

圖9 接頭位置鋼軌防護(hù)裝置整體變形云圖

(2)護(hù)軌部件受力情況

護(hù)軌在75 kN橫向力作用下，最大拉應(yīng)力值為299 MPa，出現(xiàn)在護(hù)軌開槽位置外側(cè)護(hù)軌不會產(chǎn)生破壞，材質(zhì)Q345滿足要求。

(3)護(hù)軌支架部件受力情況

護(hù)軌支架在75 kN橫向力作用下，最大應(yīng)力位于支架底部固定鋼軌位置，最大值為276 MPa，材質(zhì)QT450-10滿足要求。

(4)緊固螺栓、緊固墊塊、接頭套管受力情況

緊固螺栓、緊固墊塊、接頭套管外側(cè)在75 kN橫向力作用下，構(gòu)件最大應(yīng)力值分別為110.7，81.1，179 MPa，緊固墊塊、緊固螺栓、接頭套管外側(cè)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

接頭緊固螺栓最大應(yīng)力超過材料最大抗拉強(qiáng)度，螺栓可能出現(xiàn)破壞，此時接頭套管將作為主受力部件，接頭套管外側(cè)最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度，接頭位置不會失效。

(5)不同橫向力變形及應(yīng)力匯總

在90，100 kN橫向力作用下，中間段鋼軌防護(hù)裝置應(yīng)力、變形情況與75 kN荷載作用下趨勢相同，最大等效應(yīng)力及最大橫向位移分別見表4、表5。

表4 護(hù)軌主要部件最大應(yīng)力統(tǒng)計 MPa

表5 護(hù)軌主要部件最大橫向位移統(tǒng)計 mm

從上述計算結(jié)果可以看出，當(dāng)橫向荷載75，90，100 kN作用在接頭位置鋼軌防護(hù)裝置時，護(hù)軌、緊固螺栓、緊固墊塊及接頭套筒外側(cè)均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

3.4 小結(jié)

通過建立橫向荷載作用在護(hù)軌中間位置和荷載作用在護(hù)軌接頭位置兩種工況，主要結(jié)論為：當(dāng)橫向荷載75，90，100 kN作用在中間段、接頭段鋼軌防護(hù)裝置時，護(hù)軌、緊固螺栓、緊固墊塊及接頭套筒外側(cè)均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

4 廠內(nèi)型式試驗

4.1 試驗?zāi)康募霸囼烅椖?/h3>

(1)試驗項目

試驗項目包括方鋼型鋼軌防護(hù)裝置的橫向推力試驗及疲勞試驗。

(2)試驗?zāi)康?/p>

通過橫向推力試驗掌握方鋼型鋼軌防護(hù)裝置主體及接頭位置橫向抗彎性能，測試評估方鋼型防脫護(hù)軌在列車橫向荷載作用下承載性能；其疲勞試驗主要目的是模擬在運營過程中，護(hù)軌與直接承受列車沖擊荷載的鋼軌共同作用，發(fā)生周期性振動，系統(tǒng)耐久性、穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 試驗方法

(1)方鋼型鋼軌防護(hù)裝置中間及接頭位置橫向推力測試：安裝2組鋼軌固定支架，支架橫向間距為2 m，并將鋼軌固定在安裝支架上，要求鋼軌固定支架基礎(chǔ)及與鋼軌間連接牢固，在試驗荷載作用下不發(fā)生位移[12-13]。

①在試驗鋼軌上安裝2組護(hù)軌支架，并安裝方鋼形防護(hù)裝置，支架固定螺栓力矩達(dá)到設(shè)計要求，采用不設(shè)置護(hù)軌接頭和設(shè)置護(hù)軌接頭兩種方法。通過材料試驗機(jī)對方鋼型防護(hù)裝置施加橫向荷載，加載速度5 kN/s，任意部位加載至100 kN后，停30 s，要求各部件不得出現(xiàn)裂紋。

②安裝2組護(hù)軌支架和方鋼型防護(hù)裝置，并放置護(hù)軌接頭，支架及接頭套管固定螺栓力矩達(dá)到設(shè)計要求，接頭位于護(hù)軌支架間中間位置，接頭前后支架間距為1.2 m。重復(fù)①中加載試驗步驟。橫推試驗現(xiàn)場照片見圖10。

圖10 護(hù)軌橫推試驗現(xiàn)場照片

(2)方鋼型鋼軌防護(hù)裝置支架橫向推力破壞測試。安裝2組鋼軌固定支架，并將鋼軌固定在安裝支架上，要求鋼軌固定支架基礎(chǔ)與鋼軌間連接牢固，在試驗荷載作用下不發(fā)生位移。通過材料試驗機(jī)對鋼軌用方鋼型防護(hù)裝置施加橫向荷載，在方鋼另一側(cè)布置位移傳感器觀察荷載作用下的位移變化，加載速度5 kN/s，試驗中觀察鋼軌固定支架的變形和裂紋情況[14]。靜載強(qiáng)度試驗現(xiàn)場照片見圖11。

圖11 支架橫推試驗現(xiàn)場

(3)方鋼型鋼軌防護(hù)裝置疲勞測試：固定軌枕并安裝鋼軌、扣件，要求軌枕基礎(chǔ)連接牢固，在試驗荷載作用下不發(fā)生位移。將護(hù)軌安裝在鋼軌內(nèi)側(cè)，護(hù)軌支架需安裝在兩根軌枕外側(cè)。

通過疲勞試驗機(jī)對鋼軌施加50 kN豎向荷載，卸載，緊固扣件及護(hù)軌螺栓后再對鋼軌施加脈沖荷載，循環(huán)荷載最大值為140 kN，荷載加載角度為26°，加載頻率為3～5 Hz。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到3×106次時停止試驗，檢查支架是否松動，觀察護(hù)軌、支架、墊片等是否有損壞[15-18]。疲勞試驗現(xiàn)場照片見圖12。

圖12 護(hù)軌疲勞試驗現(xiàn)場

4.3 試驗結(jié)果

(1)橫向推力試驗

廠內(nèi)橫向推力試驗采用中間段及接頭位置兩種工況，進(jìn)行破壞性試驗，橫推力試驗最大荷載為100 kN。橫推試驗結(jié)束后，觀察所有試件均完好，護(hù)軌、支架出現(xiàn)變形，未見零部件開裂。

護(hù)軌及接頭位置橫推試驗后結(jié)構(gòu)變形情況現(xiàn)場照片分別見圖13、圖14。

圖13 護(hù)軌橫推試驗后結(jié)構(gòu)變形情況

圖14 護(hù)軌接頭位置橫推試驗后變形情況

方鋼型鋼軌防護(hù)裝置支架橫向推力破壞測試結(jié)果見表6。

表6 方鋼型防護(hù)裝置靜載強(qiáng)度測試值

在加載過程中，當(dāng)荷載加到100 kN以后，位移開始增大，方鋼變形加劇，到130 kN后，變形達(dá)到17 mm，試驗停止。

(2)疲勞試驗

方鋼型鋼軌防護(hù)裝置經(jīng)50～140 kN豎向荷載，300萬次循環(huán)荷載，加載頻率為3～5 Hz，疲勞測試后，觀察試件完好，未見破壞和松脫現(xiàn)象。

4.4 試驗結(jié)論

方鋼型鋼軌防護(hù)裝置主體及接頭位置經(jīng)100 kN橫向推力試驗未破壞，達(dá)到預(yù)期效果；豎向荷載50～140 kN，經(jīng)300萬次循環(huán)荷載，加載頻率為3～5 Hz，未見松脫現(xiàn)象，方鋼型鋼軌防護(hù)裝置系統(tǒng)耐久性、穩(wěn)定性和可靠性滿足要求。

5 結(jié)論

新型60 kg/m鋼軌用方鋼型鋼軌防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡單，取材方便，強(qiáng)度高，經(jīng)濟(jì)性好，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)，利于加工，養(yǎng)護(hù)維修方便；能適用于各種道床型式，施工方便，各零部件通用性好；接頭位置可將接頭前后護(hù)軌水平、垂向偏差均控制在極小的偏差范圍內(nèi)。

經(jīng)仿真模型計算，方鋼型鋼軌防護(hù)裝置中間段和接頭位置，分別在75，90，100 kN三種橫向力作用下，結(jié)構(gòu)良好，未破壞。方鋼型鋼軌防護(hù)裝置主體及接頭位置經(jīng)室內(nèi)100 kN橫向推力試驗未破壞，達(dá)到預(yù)期效果；經(jīng)模擬在運營過程中，50～140 kN豎向荷載，300萬次循環(huán)荷載，加載頻率為3～5 Hz，未見松脫現(xiàn)象，方鋼型鋼軌防護(hù)裝置系統(tǒng)耐久性、穩(wěn)定性和可靠性滿足要求。

經(jīng)仿真分析及試驗驗證，本型鋼軌防護(hù)裝置可滿足城市軌道交通使用要求，可代替現(xiàn)有防脫護(hù)軌。