大調(diào)整量扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

張麗平，蓋曉野，楊榮山

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

隨著客運專線和城際快速線路的大規(guī)模建設(shè)，越來越多地采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，無砟軌道結(jié)構(gòu)建成后很難再改變其幾何形位，由于現(xiàn)行很多路段地形都比較復(fù)雜，施工不易，為克服由于基礎(chǔ)工程施工誤差和路基不均勻沉降等原因造成的軌道不平順，要求扣件系統(tǒng)必須具備較大的調(diào)整鋼軌高低和左右位置的能力，所以大調(diào)整量扣件系統(tǒng)的研發(fā)刻不容緩。基于現(xiàn)行大調(diào)整量扣件的優(yōu)點，并進行改進，盡量利用現(xiàn)有的成熟部件，進行研發(fā)，以縮短研發(fā)周期和降低成本。

1 主要技術(shù)參數(shù)

參照世界各國類似扣件系統(tǒng)的技術(shù)要求，提出大調(diào)整量扣件系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù):①常阻力地段單個扣壓件的扣壓力應(yīng)不小于10 kN。②常阻力地段單個扣件防爬阻力不小于10 kN。③為使軌道電路正常工作，無砟軌道兩股鋼軌之間的絕緣電阻應(yīng)在4 Ω/km以上，以保證軌道電路傳輸距離不低于1.2 km。④調(diào)高量-4～+61 mm;調(diào)距量-28～+32 mm，調(diào)整級別為2 mm。⑤預(yù)埋件在混凝土軌枕中抗拔力 ＞100 kN。⑥鐵墊板下設(shè)1∶40軌底坡。⑦本扣件適用于客貨混運線路，扣件節(jié)點靜剛度為50 kN/mm;其它地段以剛度均勻化原則設(shè)置。

2 大調(diào)整量扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計整體結(jié)構(gòu)采用帶擋肩鐵墊板的彈性分開式結(jié)構(gòu)。圖1為扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組裝，圖2為零件離散。

圖1 扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組裝

圖2 扣件系統(tǒng)零件離散

大調(diào)整量扣件系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)特征有:①混凝土軌枕或軌道板承軌槽不設(shè)混凝土擋肩，鐵墊板上設(shè)置軌底坡，混凝土軌枕或軌道板承軌面為平坡，既可用于軌枕(雙塊軌枕、長枕)埋入式無砟軌道，又可用于軌道板無砟軌道;②鐵墊板上設(shè)擋肩，擋肩內(nèi)安裝擋板座，擋板座與鋼軌之間設(shè)置軌距擋板，安裝方式沿用Ⅱ型彈條扣件的方式，便于現(xiàn)場掌握;③鐵墊板上設(shè)置帶長圓孔，可通過使用偏心套管來實現(xiàn)大調(diào)整量軌距的調(diào)整，調(diào)整方便;④采用新Ⅲ型混凝土枕上的扣壓件，彈條用Ⅱ型彈條，單個彈條扣壓力＞10 kN，彈程10 mm;⑤鐵墊板與混凝土軌枕采用螺栓與預(yù)埋套管配合緊固方式聯(lián)結(jié)，定位可靠，便于更換;⑥扣件系統(tǒng)調(diào)距分兩級實現(xiàn):通過調(diào)整擋板座和軌距擋板可實現(xiàn)-12～+16 mm的軌距調(diào)整;使用不同型號的復(fù)合偏心套管(如圖3所示)，利用其偏心，可移動鐵墊板，增加-16～+16 mm的軌距調(diào)整，則總調(diào)整量可達到-28～+32 mm;⑦扣件系統(tǒng)調(diào)高也分兩級實現(xiàn):利用復(fù)合套降低受力點的原理，在鐵墊板下實現(xiàn)了-4～+26 mm的調(diào)整量;通過鐵墊板承軌槽內(nèi)加墊調(diào)高墊板(如圖2所示)，在軌下實現(xiàn) +35 mm調(diào)整量，總調(diào)整量為 -4～+61 mm。

由于無砟軌道的彈性主要是由鋼軌扣件提供的，所以剛度匹配是扣件設(shè)計成功與否的一個重要因素。分析國內(nèi)外相關(guān)的經(jīng)驗可知，剛度匹配應(yīng)該滿足以下幾個原則:①為滿足無砟軌道低剛度設(shè)計要求，應(yīng)保證扣件剛度在一個合理的范圍，力求接近于有砟軌道的剛度;主要靠軌下膠墊和板下彈性墊板共同實現(xiàn)。②隨著剛度越低，軌下膠墊自身的應(yīng)力也會隨之變大，影響耐久性和可靠性，同時，鋼軌小返將隨之變大，所以軌下膠墊的剛度不能太低。

圖3 復(fù)合偏心套管

基于以上原則，根據(jù)客貨混運線路運輸?shù)奶攸c和以往的經(jīng)驗，本扣件系統(tǒng)采用雙層彈性墊層，扣件靜剛度設(shè)置為50 kN/mm，軌下膠墊的靜剛度控制在300 kN/mm左右。令軌下膠墊剛度為 Kp，鐵墊板下膠墊剛度為Kt，則鋼軌扣件節(jié)點綜合剛度K為

鐵墊板下彈性膠墊剛度Kt為60 kN/mm，考慮制造誤差的影響(±10%)，彈性膠墊靜剛度范圍取(60±5)kN/mm。

根據(jù)以上設(shè)計，系統(tǒng)彈性設(shè)置方案如下:①鋼軌扣件節(jié)點綜合剛度取50 kN/mm;②鋼軌與鐵墊板間設(shè)14 mm緩沖墊層，平均靜剛度控制在300 kN/mm左右;③軌下和板下調(diào)高墊板的剛度設(shè)為1 000 kN/mm左右;④鐵墊板下彈性墊板剛度取60 kN/mm，考慮制造誤差的影響(±10%)，彈性墊板靜剛度范圍取(60±5)kN/mm。

3 扣件受力分析

3.1 承力和傳力設(shè)計

采用26 mm厚鐵墊板作為主要的承力傳力部件。板上承軌槽設(shè)有1∶40的坡底，板中心厚28 mm。

軌道橫向力的傳力路徑為:鋼軌→軌距擋板→擋板座→擋肩→鐵墊板→復(fù)合偏心套管→螺栓→尼龍?zhí)坠堋壵?。擋板座有一定的彈性，能有效緩沖橫向動力沖擊。垂向力逐層傳遞。

3.2 鐵墊板受力分析

為分析鐵墊板的強度及擋肩的受力狀況，利用有限元軟件ANSYS建立分析模型。按形狀改變能密度理論(即第四強度理論)進行檢算。

模型按最不利受力情況進行加載，即軌下調(diào)高+35 mm，50 kN的橫向力全部作用在鋼軌內(nèi)側(cè)的鐵墊板擋肩上。

根據(jù)計算可知:受橫向力的擋肩的受力區(qū)的高應(yīng)力區(qū)域最大應(yīng)力為268.6 MPa(如圖4所示)，并未達到其屈服極限430 MPa。擋肩底部(凹槽處)和螺栓孔附近區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大值為345.3 MPa左右，其應(yīng)力未達到其屈服極限430 MPa，而且影響范圍十分有限，只是個別應(yīng)力集中點。

最大橫向位移發(fā)生在受橫向力的擋肩的頂部，其最大位移為0.384 mm(如圖5所示)。

通過計算分析，可知鐵墊板最危險的擋肩處最大應(yīng)力都在300 MPa以下，而大應(yīng)力影響區(qū)域比較小;擋肩與墊板相連部分應(yīng)力比較大，容易出現(xiàn)較大的拉力，螺栓孔周圍應(yīng)力也比較大，但主要是沿鋼軌橫向的壓力;擋肩的橫向位移比較小，變形不大。

圖4 應(yīng)力云圖

圖5 擋肩位移

檢算表明，現(xiàn)有設(shè)計，鐵墊板強度和擋肩變形滿足使用要求。

在上面鐵墊板建模的基礎(chǔ)上，在鐵墊板下多加一個10 mm厚的彈性墊板，26 mm厚的調(diào)高墊板和一個4 mm厚絕緣緩沖墊板，進行ANSYS建模分析，算出墊板的最大豎向位移為0.626 mm，其值較小，故滿足變形使用要求。

3.3 螺栓強度分析

為了研究鐵墊板下進行調(diào)高設(shè)計時螺栓的強度是否能滿足使用要求，必須對螺栓結(jié)構(gòu)進行受力與變形分析。根據(jù)高低調(diào)整設(shè)計，現(xiàn)對如圖6所示的加復(fù)合套管的螺栓結(jié)構(gòu)進行受力與變形分析，以確定在使用復(fù)合套管的情況下，鐵墊板下進行調(diào)高設(shè)計時螺栓的強度是否滿足使用要求。

圖6 螺栓+塑料套管+鋼套管示意

經(jīng)過計算，得出當(dāng)調(diào)高量為+26 mm時，螺栓應(yīng)力為411.3 MPa，并未達到其屈服極限430 MPa，而塑料套管的應(yīng)力為125.3 MPa，也未達到其屈服極限170 MPa，鋼套的應(yīng)力為295.4 MPa，同樣未達到其屈服極限420 MPa。故在使用復(fù)合套管的情況下，鐵墊板下調(diào)高+26 mm時，結(jié)構(gòu)的強度滿足使用要求。其計算應(yīng)力云圖如7所示。

圖7 調(diào)高+26 mm時螺栓應(yīng)力圖

4 結(jié)論

大調(diào)整量扣件系統(tǒng)是復(fù)雜地質(zhì)條件下快速調(diào)整軌道狀態(tài)，滿足通車要求的關(guān)鍵部件。由于無砟軌道扣件承擔(dān)著承力、傳力、提供剛度、絕緣和調(diào)整軌距、高低等多重作用。在參考國內(nèi)外大量扣件系統(tǒng)的研發(fā)思路的基礎(chǔ)上，提出的大調(diào)整量扣件系統(tǒng)基本實現(xiàn)了目標要求。

本文對其結(jié)構(gòu)進行了深化研究，并對鐵墊板、螺栓等一些零部件進行了力學(xué)檢算，從理論的角度證明設(shè)計的合理性。但是現(xiàn)階段的研究只是停留在理論計算上，隨著產(chǎn)品設(shè)計圖的完善，將對產(chǎn)品進行試制，并進行實驗室試驗，從試驗的角度來檢驗此大調(diào)整量扣件系統(tǒng)的設(shè)計是否合理，并通過試驗不斷完善其結(jié)構(gòu)。

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