DTVI2型扣件螺旋道釘折斷研究及整治實(shí)踐

張永輝

（北京京港地鐵有限公司，北京 100068）

螺旋道釘作為支承系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著將軌道上部各個(gè)方向應(yīng)力傳遞給道床和路基的作用，同時(shí)發(fā)揮著保持軌道幾何形位的重要功能。如出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)斷裂或失效，將直接影響整個(gè)扣件系統(tǒng)的正常工作，從而影響線路荷載分布、臨近扣件受力情況，嚴(yán)重時(shí)將直接影響列車安全運(yùn)行。

1 螺旋道釘折斷處線路狀態(tài)分析

北京地鐵14 號(hào)線自2014 年開通至2020 年底共發(fā)現(xiàn)近1500余處DTVI2型扣件螺旋道釘折斷，折斷形式主要為螺帽與螺桿連接處裂紋或斷裂。折斷位置主要分布于景風(fēng)門至北工大西門、棗營(yíng)至善各莊之間，折斷數(shù)量占比80%；通過對(duì)歷年不同道床形式下螺旋道釘折斷情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鋼彈簧浮置板道床折斷數(shù)量明顯多于其他形式道床，占比60%；通過不同線性螺旋道釘折斷分布分析，半徑小于450m 的曲線折斷數(shù)量明顯多于其他線性，占比60%。列車通過時(shí)，小半徑曲線由于線性原因，螺旋道釘受橫向剪切力較大；減振道床地段易產(chǎn)生低頻振動(dòng)，促使螺旋道釘折斷。

2 螺旋道釘折斷受力分析

2.1 螺旋道釘豎向力超限導(dǎo)致折斷分析

通過分析DTVI2 型扣件切帽及裂紋螺栓狀態(tài)，初步判斷直接原因?yàn)槁菪泪斅菝痹诖瓜蜃饔昧Ψ磸?fù)作用下，螺帽與螺桿連接處達(dá)到疲勞極限引發(fā)斷帽病害。具體受力過程分析如下：

列車荷載作用在軌枕上方鋼軌軌面→鋼軌發(fā)生撓曲變形→荷載傳遞到鐵墊板及板下彈性墊板→板下彈性墊板發(fā)生形變→鋼軌及鐵墊板隨板下彈性墊板形變下移到最低點(diǎn)→鐵墊板與螺旋道釘帽間出現(xiàn)間隙（假設(shè)螺栓無垂向位移）→列車荷載消失→鋼軌恢復(fù)形變產(chǎn)生豎向向上彈力→作用力在螺旋道釘帽處（因彈性墊板恢復(fù)形變較鋼軌慢，故鋼軌恢復(fù)形變所產(chǎn)生力均會(huì)傳遞至螺帽）。

2.1.1 螺旋道釘螺帽豎向受力計(jì)算[1-4]

基本假設(shè)：軌道和機(jī)車車輛均處于正常良好狀態(tài)，符合有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；鋼軌視為支承在彈性基礎(chǔ)上的等截面無限長(zhǎng)梁；軌枕視為支承在連續(xù)彈性基礎(chǔ)上的短梁，基礎(chǔ)或制作的沉落值與它所受的壓力成正比；輪載作用在鋼軌的對(duì)稱面上，且兩股鋼軌上的荷載相等，基礎(chǔ)剛度均勻且對(duì)稱于軌道中心線。

計(jì)算模型：把鋼軌視為置于基礎(chǔ)上的無線長(zhǎng)梁，基礎(chǔ)梁模型按支承方式假設(shè)的不同，分為點(diǎn)支承梁模型和連續(xù)支承模型，根據(jù)文克爾假定，結(jié)合鋼軌豎向受力及形變，建立基礎(chǔ)梁微分方程，計(jì)算鋼軌垂向撓度變化值：

式中：k為剛比系數(shù)，，μ為鋼軌基礎(chǔ)彈性模量；xi為B型車軸距，取2.2m。故參考相關(guān)線上檢測(cè)數(shù)分析得知：整體道床鋼軌垂向撓度變化值為y0=0.74mm。根據(jù)撓度計(jì)算公式，經(jīng)反算得作用在螺帽上最大作用力為為34.129kN。

2.1.2 螺旋道釘承受極限拉力計(jì)算

根據(jù)力學(xué)計(jì)算，螺旋道釘極限拉力為1267.366 kN。因此，鋼軌恢復(fù)形變傳遞至螺帽上的最大作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于螺旋道釘能承受的極限拉力，故排除因超過極限拉力的作用力引起的疲勞斷裂的可能性。

2.2 螺旋道釘扭矩超限可能性分析

2.2.1 螺旋道釘肩胛疲勞折斷

通過對(duì)12 處折斷DTVI2 型扣件螺旋道釘前后4 組扣件螺栓扭矩進(jìn)行測(cè)量，共計(jì)測(cè)量了233 條螺栓扭矩力，分析結(jié)果表明：螺栓扭矩大于設(shè)計(jì)值占70%，最大扭矩為400N.m；螺栓扭矩小于設(shè)計(jì)值占17%，最小扭矩為90N.m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，DTVI2 型扣螺旋道釘設(shè)計(jì)扭矩范圍為250～300N.m。顯然，折斷出附近大多呈現(xiàn)扭矩超限的情況。

螺旋道釘扭矩過大，彈簧墊圈不能起到緩沖作用，引起螺栓帽處（道釘肩胛處）疲勞斷裂[1]，如圖1所示：螺旋道釘緊固扭矩較大，導(dǎo)致道釘帽下彈簧墊圈一直處于最大形變狀態(tài)下。鋼軌恢復(fù)形變時(shí)，作用力傳至彈簧墊圈時(shí)，彈簧墊圈無法通過彈性形變來減緩作用力對(duì)螺帽的沖擊，而螺帽與螺桿銜接處線性相交容易造成應(yīng)力集中，故螺帽處長(zhǎng)期在交變應(yīng)力作用下，發(fā)生疲勞斷裂。

圖1 螺旋道釘肩胛處斷裂

2.2.2 螺旋道釘疲勞折斷原因分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不同扭矩條件下，DTVI2 型扣件加裝單彈簧墊圈和雙彈簧墊圈情況下，螺帽距離鐵墊板表面及軌枕表面高度測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 DTVI2型扣件螺帽距離鐵墊板表面及軌枕表面高度（單位：毫米）

通過現(xiàn)場(chǎng)觀察分析測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)螺旋道釘扭矩達(dá)到250N.m 及以上時(shí)，螺帽距離鐵墊板表面、軌枕表面高度不再變化，墊圈和彈性墊板均處于最大形變量。當(dāng)扭矩越大時(shí)，彈簧墊圈、彈性墊板緩沖作用越小，在列車通過情況下，無法通過彈簧墊圈和彈性墊板的收縮進(jìn)行應(yīng)力緩沖釋放，造成螺帽與螺桿交接螺栓肩胛處應(yīng)急集中，發(fā)生斷裂。

2.2.3 有限元分析

采用鋼彈簧浮置板道床參數(shù)建立有限元模型[2]：鋼軌為Timoshenko梁?jiǎn)卧瑢?dǎo)入60kg/m的鋼軌截面；DTVI2型扣件與浮置板為實(shí)體單元，隔振器為彈簧單元；剪力鉸應(yīng)用節(jié)點(diǎn)耦合進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立有限元模型。

通過有限元分析軟件模擬，螺帽與螺桿銜接處為應(yīng)力集中區(qū)域，螺栓扭矩為250N.m 時(shí)，最大強(qiáng)度為5.81MPa。

螺帽因鋼軌撓度變化受到最大拉力為2808kN。故線路運(yùn)營(yíng)過程中，當(dāng)扭矩超過設(shè)計(jì)值時(shí)，螺帽最大承受拉力約為極限拉力的1.9倍以上，由此可推斷扭矩過大為引起螺帽斷裂的原因之一。

2.3 其他可能引起螺帽斷裂的原因

DTVI2型扣件螺旋道釘可能因制造缺陷和材質(zhì)問題等，易產(chǎn)生疲勞裂紋。目前地鐵螺旋道釘均采用Q235鋼制成，鍛造過程中可能造成鑄造缺陷。

螺旋道釘從螺帽到螺桿，結(jié)構(gòu)尺寸變化過大，導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋和這段。在道釘頭部與干部結(jié)合處設(shè)置過渡圓弧來減小道釘肩胛處的應(yīng)力集中問題，需采用R=1.6mm 的過渡圓弧。但由于制作工藝差異，導(dǎo)致部分螺旋道釘過渡圓弧半徑過大或過小，未能起到肩胛處結(jié)構(gòu)尺寸變化過渡作用，發(fā)生應(yīng)力集中而折斷。

鐵墊板制作問題及安裝歪斜導(dǎo)致螺栓孔位置歪斜、板下彈性墊板缺失或失去彈性等都會(huì)造成螺旋道釘受橫向力或豎向力增大而折斷。

3 整治方法

3.1 制造階段嚴(yán)格把控

嚴(yán)格控制螺旋道釘采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，確保螺旋道釘材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸滿足相關(guān)要求，減少制造缺陷造成的折斷情況。采購(gòu)驗(yàn)貨時(shí)，務(wù)必嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)標(biāo)驗(yàn)收，重點(diǎn)對(duì)螺旋道釘肩胛處過渡圓弧設(shè)置與否進(jìn)行核查，同時(shí)對(duì)其他結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行對(duì)標(biāo)檢查，確保質(zhì)量合格。通過肖志玲等[3]針對(duì)螺旋道釘?shù)募庸すに囘M(jìn)行研究，證實(shí)了制造階段螺旋道釘質(zhì)量把控的重要性。

3.2 增加重型墊圈試驗(yàn)

螺旋道釘帽增加平墊圈、彈簧墊圈、更換高強(qiáng)螺旋道釘，減少列車通過時(shí)豎向振動(dòng)及肩胛處應(yīng)力集中。2016年進(jìn)行了螺旋道釘加裝平墊圈、重型彈簧墊圈及更換高強(qiáng)螺旋道釘?shù)脑囼?yàn)，并在后續(xù)觀察各試驗(yàn)段螺旋道釘折斷情況。各試驗(yàn)段情況如下：

螺旋道釘下增加1個(gè)重型彈簧墊圈：試驗(yàn)里程為下行K27+013-k27+598曲上股；

螺旋道釘下增加1個(gè)平墊圈圈：試驗(yàn)里程為下行K27+013-k27+598曲下股；

更換高強(qiáng)螺旋道釘：試驗(yàn)里程為K20+464-K20+881曲上股。

統(tǒng)計(jì)2016 年-2020 年各試驗(yàn)段螺旋道釘折斷數(shù)量如表2所示。

表2 2016-2020年各試驗(yàn)段螺旋道釘折斷數(shù)量（單位:個(gè)）

通過對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加重型彈簧墊圈較其他方式更能降低螺旋道釘折斷病害。

高強(qiáng)度螺旋道釘雖然較普通螺旋道釘在材質(zhì)、工藝等方面有所提高，但沒能改變螺旋道釘?shù)氖芰Ψ绞剑薀o法避免其折斷；普通平墊圈雖然避免了螺旋道釘肩胛處的直接受力，但由于其本身不能收縮，缺乏彈性，只能起到防松效果，無法從一定程度上緩和螺旋道釘肩胛處的應(yīng)力集中，故仍不能避免其折斷風(fēng)險(xiǎn)。重型彈簧墊圈的采用，不僅減緩了螺旋道釘肩胛結(jié)構(gòu)尺寸的驟變而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，而且減少列車通過時(shí)豎向振動(dòng)及肩胛處應(yīng)力集中，故能緩解螺旋道釘折斷。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證加裝重型彈簧墊圈對(duì)于小半徑曲線地段DTVI2型扣件螺旋道釘折斷情況的改善效果，2019年11月份對(duì)下行K19+387-k19+592、K19+952-K20+325、K20+464-k20+881；上行K19+950-K20+301、K20+468-K20+885共5條螺旋道釘折斷較多曲線增加重型彈簧墊圈，并于后續(xù)2020年1-4月觀察各處螺旋道釘折斷結(jié)果如表3所示。

表3 2020年1-4月DTVI2型螺旋道釘折斷統(tǒng)計(jì)（單位：個(gè)）

通過增加重型彈簧墊圈，上述曲線螺旋道釘這段數(shù)量大幅下降。從而可以看出，相比其他地段而言，小半徑曲線地段螺栓所收橫向力較大，但也并不是造成其折斷的主要原因，通過改善螺旋道釘豎向受力狀態(tài)，同樣能起道降低螺旋道釘折斷風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 螺旋道釘拆解涂油及扭矩調(diào)整

截至2020 年5 月末，十四號(hào)線中、東段共完成2.557 km DTVI2型扣件螺旋道釘拆解，共發(fā)現(xiàn)383處螺旋道釘螺帽處裂紋，占總拆解總的5%。通過提前拆解，提早發(fā)現(xiàn)，將線上可能斷裂道釘進(jìn)行替換，消除了其斷裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，加裝重型彈簧墊圈，改善螺旋道釘豎向受力狀態(tài)，確保線上道釘安全可靠。

拆解時(shí)，需留意鐵墊板螺栓孔位置是否位置、有無歪斜等情況，同時(shí)對(duì)板下彈性墊板板狀態(tài)進(jìn)行查看，必要時(shí)將鐵墊板和彈性墊板板進(jìn)行更換。

通過分析，螺旋道釘扭矩超限是其發(fā)生斷裂的原因之一。針對(duì)線上存在扭矩超限的情況，在進(jìn)行拆解檢查時(shí)，攜帶計(jì)量檢測(cè)合格的扭矩扳手，確保拆解后重新安裝的螺旋道釘扭矩值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。此外，在螺旋道釘螺紋部分涂抹鋰基脂，減少螺旋道釘和尼龍?zhí)坠苤g的摩擦力，降低螺旋道釘橫向剪切力，延長(zhǎng)其使用壽命。

4 結(jié)語

DTVI2型扣件螺旋道釘折斷主要集中在半徑小于400m 的小半徑曲線和減振道床地段，道床低頻振動(dòng)及橫向受力造成了螺旋道釘折斷；日常人為維修或安裝不當(dāng)，造成螺旋道釘扭矩過大也是產(chǎn)生其斷裂或裂紋的重要原因。通過增加重型彈簧墊圈，減少豎向力及緩和垂向振動(dòng)，減少應(yīng)力集中；有計(jì)劃地對(duì)螺旋道釘進(jìn)行拆解涂油，減少道釘與尼龍?zhí)坠苤g的摩擦，并進(jìn)行扭矩調(diào)整，并及時(shí)將存在隱患的螺旋道釘進(jìn)行更換，減少運(yùn)營(yíng)線上螺旋道釘折斷。