長線路軌道扣件的選型研究

卞峰

（中鐵十六局鐵運(yùn)工程有限公司 河北高碑店 074000）

1 研究背景

扣件是鋼軌與軌下基礎(chǔ)間的聯(lián)接部件，它將鋼軌直接固定于軌下基礎(chǔ)之上，以保持軌距和限制鋼軌的縱、橫向位移，確保軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，其性能直接影響軌道的安全性、平順性和乘車舒適性。

為了保證我國軌道交通的順利發(fā)展，我國科研人員在鐵路扣件研究方面取得了顯著的研究成果。系列成果，例如：許佑頂提出了在扣件設(shè)計(jì)中需要除了考慮結(jié)構(gòu)的剛度、扣件的扣壓力、彈性性能和調(diào)整能力等自身性能意外，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性能高，從而選擇最佳方案。肖俊恒分析了世界主要國家軌道扣件的工作特點(diǎn)，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合我國的實(shí)際提出了我國扣件系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

本文以鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路工程為研究對(duì)象，分析不同地段扣件的工作性能，選擇出了最優(yōu)的扣件形式，為今后類似軌道扣件系統(tǒng)的選擇提供參考。

2 工程簡(jiǎn)介

鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路工程是中原城市群城際軌道交通網(wǎng)的骨干線路，線路銜接新鄭機(jī)場(chǎng)、鄭州航空港區(qū)、長葛、許昌，貫穿中原城市群鄭州-許昌產(chǎn)業(yè)帶的核心區(qū)域，承擔(dān)城市組團(tuán)、次中心城鎮(zhèn)之間的通勤客流，并發(fā)揮內(nèi)部公交骨干體系功能，承擔(dān)城市內(nèi)部組團(tuán)的客流。線路北端起于機(jī)場(chǎng)北站（近、遠(yuǎn)期延伸至港區(qū)北站），南端止于許昌東站，線路長66.52 km，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，線路中涉及到地下線、高架線等不同區(qū)域。

3 地下線及U形槽地段

目前市域軌道交通地下線扣件選型有DTVI2型扣件、DTⅢ2型扣件、ZX-2型（彈條Ⅱ型分開式）扣件、WJ-7B型等扣件，四種均為無擋肩、彈性分開式扣件。

DTⅥ2型扣件為無擋肩彈性分開式扣件，該類型扣件無T型螺栓，扣壓件采用Φl8 mm的e型彈條，彈條直接穿入鐵墊板的鐵座內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維護(hù)、性價(jià)比高；橡膠墊板采用聚酯彈性體材料，性能更優(yōu)，結(jié)構(gòu)圖見圖1。北京、沈陽、西安等地鐵工程項(xiàng)目采用了該類型的扣件。

圖1 DTVI2型扣件

DTⅢ2型扣件是為有T型螺栓、無擋肩彈性分開式扣件?？蹓杭閲FI型（B型）彈條，鐵墊板上無軌底坡，適用于60 kg/m鋼軌一般地段的整體道床，結(jié)構(gòu)圖見圖2。該扣件已應(yīng)用于上海地鐵等項(xiàng)目工程中。

圖2 DTⅢ2型扣件

ZX-2型扣件為有T型螺栓、無擋肩彈性分開式扣件?？蹓杭捎脟FⅡ型彈條，彈條強(qiáng)度和穩(wěn)定等性能較好，鐵墊板上帶軌底坡，適用于60 kg/m鋼軌一般地段的整體道床結(jié)構(gòu)圖見圖3。該扣件近年來已大量應(yīng)用于南京地鐵及南京周邊城際鐵路等項(xiàng)目建設(shè)工程中。

圖3 ZX-2型

WJ-7B扣件是我國針對(duì)高速鐵路研發(fā)的無軌道無擋肩扣件，與之配套雙塊式軌枕，具有成熟的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。WJ-7B扣件已在滬寧城際、廣深港高鐵、哈大高鐵、溫州市域鐵路S1線、S2線等項(xiàng)目廣泛使用，運(yùn)營情況良好，造價(jià)與地鐵扣件基本相當(dāng)，結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 WJ-7B型

從表1可以看出地鐵DTⅥ2型扣件造價(jià)最低，但是其為無螺栓扣件，只能在板下進(jìn)行調(diào)高，調(diào)高量小于有螺栓扣件，用于最高設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h的線路，扣壓力偏小。ZX-2型扣件、DTⅢ2及WJ-7B型扣件同為有螺栓扣件，考慮到WJ-7B型扣件彈條技術(shù)較為成熟，且本線120km/h運(yùn)營速度較高，推薦本線正線地下線采用WJ-7B型常阻力扣件。

表1 扣件性能比較表

4 高架線及地面線

高架線的整體道床直接構(gòu)筑在梁體上，鋪設(shè)無縫線路后，溫度變化時(shí)，鋼軌和梁體相互作用，鋼軌和梁墩受到較大伸縮力。為減小梁軌間的相互作用力，應(yīng)采用小阻力扣件。WJ-2A型扣件為無擋肩彈性分開式扣件，在WJ-2型扣件的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)而成。主要提高了扣件絕緣性能和抗鋼軌橫向力特性，扣件由T型螺栓、螺母、平墊圈、接頭用彈條、絕緣軌距塊、鐵墊板、絕緣緩沖墊板、軌下墊板、錨固螺栓、重型彈簧墊圈、平墊塊和定位于混凝土軌枕的預(yù)埋套管組成，見圖5。

圖5 WJ-2A型

扣件有以下特點(diǎn)：

（a）無擋肩彈性分開式扣件配合梁跨布置，軌下采用普通墊板和小阻力墊板，可有效減小橋梁與無縫線路長鋼軌的相互作用力，同時(shí)能夠滿足無縫線路穩(wěn)定性和軌道防爬阻力要求。

（b）彈性好，能夠保證扣件在小扣壓力時(shí)亦有足夠大的螺母扭矩，扣件不易松動(dòng)、安全儲(chǔ)備大，可減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。

（c）有較大的調(diào)整鋼軌高低、軌距的能力，可較好地適應(yīng)由于高架線道床施工誤差、橋梁徐變及墩臺(tái)工后沉降引起的線路不平順。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

軌下墊板靜剛度：25～35 kN/mm；單個(gè)彈條扣壓力：4 kN；每組扣件的防爬阻力：4～7 kN；抗橫向水平力為40kN；軌距調(diào)整量：直線段或R＞1500 m的曲線段為-8 mm～+4 mm，R≤1500 m曲線段為-28 mm～+24 mm，調(diào)高量：40 mm，軌下10 mm，鐵墊板下30 mm；工作電阻≥108Ω；預(yù)埋套筒抗拔力≥100（kN）。

該扣件結(jié)構(gòu)新穎、技術(shù)成熟、性能良好、使用安全可靠。WJ-2A型扣件優(yōu)化采用高分子復(fù)合墊板代替不銹鋼墊板，解決了不銹鋼墊板銹蝕帶來的阻力增大等問題，同時(shí)采用聚酯材料墊板，靜剛度和彈性更加穩(wěn)定可靠，并延長使用壽命。

DTVI2型彈性分開式扣件是專門針對(duì)地鐵特點(diǎn)而研制的扣件，為無擋肩、彈性分開式小阻力扣件，扣壓力適宜，調(diào)距調(diào)高量大、彈性好，能滿足調(diào)整鋼軌軌距、水平的要求，能牢固鎖定鋼軌，其良好的彈性，能夠適應(yīng)整體道床基礎(chǔ)。在北京地鐵高架線上已廣泛應(yīng)用。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

節(jié)點(diǎn)垂向靜剛度：20～40 kN/mm；單個(gè)彈條扣壓力：4 kN；軌距調(diào)整量：+8 mm、-16 mm，高低調(diào)整量：+40 mm；工作電阻≥108Ω；預(yù)埋套管抗拔力≥60 kN。

WJ-7B小阻力扣件與WJ-7B常阻力扣件僅在彈條和墊板上有所不同，大部分的部件可通用和互換。

WJ-7B小阻力扣件用于高架線，其主要技術(shù)參數(shù)：鋼軌縱向阻力：每組扣件鋼軌縱向阻力應(yīng)為4±1kN。組裝扣壓力：每組扣件組裝扣壓力大于6 kN。橡膠墊板靜剛度為20±5 kN/mm，動(dòng)靜剛度比小于1.5 mm。鋼軌左右位置調(diào)整：?jiǎn)喂射撥壸笥椅恢谜{(diào)整量-6～+6 mm；軌距調(diào)整量-12～+12 mm。鋼軌高低位置調(diào)整量：-4～26 mm，特殊調(diào)整型可達(dá)：-10～56 mm。預(yù)埋套管抗拔力應(yīng)不小于100 kN。

WJ-2A型和DTVI2型扣件都是專為高架線無縫線路整體道床研制的小阻力扣件，技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，從技術(shù)層面能夠滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到前文的地線線部分WJ-7B型扣件更優(yōu)，且WJ-7B型可以實(shí)現(xiàn)高架線和地下線扣件結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，減少扣件結(jié)構(gòu)類型和配套軌枕種類，便于施工及運(yùn)營管理。

4 正線扣件的優(yōu)化

扣件設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包括軌下及鐵墊板下彈性墊板的選擇，對(duì)扣件各鐵件的防腐處理措施的選擇。

扣件的彈性是通過軌下及鐵墊板下各設(shè)一層彈性墊板來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)地鐵扣件彈性墊板一般采用橡膠制作，材料質(zhì)量難以控制，彈性衰減較快，使用壽命一般不超過15年，已成為扣件中最易磨損的部件。為延長彈性墊板的使用壽命，減少養(yǎng)護(hù)維修工作，降低全壽命周期綜合成本，目前國內(nèi)城市地鐵扣件已開始采用經(jīng)新材料、新工藝改良的彈性墊板，如采用由聚酯、聚氨酯等熱塑性材料和雙溝槽棱臺(tái)型、微孔發(fā)泡工藝制造的新型墊板。

根據(jù)對(duì)目前國內(nèi)扣件墊板生產(chǎn)工藝的調(diào)研成果，推薦地下線扣件軌下、板下采用熱塑性聚酯彈性體墊板。

高架線采用的傳統(tǒng)小阻力墊板是帶不銹鋼板的復(fù)合膠墊。由于復(fù)合墊板與鋼軌直接接觸，在雨水等環(huán)境因素的影響下，容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，長時(shí)間運(yùn)營后不銹鋼板和鋼軌銹蝕物黏結(jié)，軌下墊板的摩擦阻力增大，部分小阻力墊板的功效失去，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，熱塑聚酯彈性體小阻力復(fù)合墊板已逐漸取代了不銹鋼復(fù)合墊板。熱塑聚酯彈性體小阻力復(fù)合墊板由熱塑聚酯彈性體彈性層和耐磨高分子自潤滑復(fù)合材料減阻層組成，兩層通過內(nèi)置的錐形抓釘、燕尾槽及擋肩固定。自潤滑復(fù)合材料耐磨、強(qiáng)度高且摩擦系數(shù)小，當(dāng)鋼軌反復(fù)磨擦?xí)r，可在鋼軌底面形成轉(zhuǎn)移膜，保證磨擦系數(shù)的穩(wěn)定性及墊板的使用壽命。該復(fù)合膠墊已在國內(nèi)多個(gè)城市地鐵高架線上鋪設(shè)使用，效果良好，推薦本工程高架線扣件采用熱塑性聚酯彈性體小阻力復(fù)合墊板。

軌道金屬構(gòu)件易出現(xiàn)不同程度的銹蝕、腐爛等情況。為保證扣件使用壽命和功能，推薦對(duì)其金屬部件進(jìn)行防銹處理（彈條、螺釘、彈簧墊圈等可采用鋅鎳滲層，鐵墊板可采用靜電噴涂等措施）。防腐、防銹要求：經(jīng)300小時(shí)的中性鹽霧試驗(yàn)保護(hù)級(jí)不得低于9級(jí)。

60Si2MnA是高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金彈簧鋼，化學(xué)成分與60Si2Mn基本相同，只是成分波動(dòng)范圍更窄，硫、磷含量比60Si2Mn低，因而純凈度更高，此外淬透性、韌性、塑性也比較好，脫碳傾向小，回火穩(wěn)定性良好，降低了彈條斷裂的可能，且造價(jià)相當(dāng)。因此在材料選取是將傳統(tǒng)的60Si2Mn材質(zhì)更換為60Si2MnA。

5 結(jié)語

本文以鄭州機(jī)場(chǎng)至許昌市域鐵路工程為依據(jù)，分析了不同地段扣件的使用類型，得到了如下結(jié)論：

（1）地下線地段變形量較大，不適合地鐵DTⅥ2型扣件為無螺栓扣件，應(yīng)該選擇ZX-2型扣件、DTⅢ2及WJ-7B型等有螺栓扣件；

（2）WJ-7B型扣件在高架線和地下線地段均有較好的工作性能，從而減少扣件結(jié)構(gòu)類型和配套軌枕種類，便于施工及運(yùn)營管理。

（3）通過更換墊板材質(zhì)、優(yōu)化防腐技術(shù)、選擇良好材質(zhì)等措施提高了扣件的性能。