重載鐵路既有扣件的強(qiáng)化與應(yīng)用

劉鶯春

(太原鐵路局茶塢工務(wù)段，北京 101402)

我國(guó)既有重載線路及貨運(yùn)改造線路列車軸重普遍在23 t～25 t，隨著重載鐵路改造未來列車軸重將達(dá)30 t。年運(yùn)量也在逐年提高，以大秦鐵路為例，列車軸重25 t，年運(yùn)量已達(dá)4.45億t，并且曲線、坡道多而復(fù)雜。既有重載線路普遍采用75 kg/m鋼軌和彈條Ⅱ型扣件。由于重載列車速度的提高和運(yùn)量的增加，相應(yīng)地大幅增大了對(duì)線路的沖擊，大軸重、高密度的運(yùn)營(yíng)條件，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞作用加速發(fā)展，線路設(shè)備病害發(fā)生和發(fā)展速度加快。大秦線近年來鋼軌、軌枕、扣件、道床等部件出現(xiàn)了不同程度的傷損，如扣件使用普遍松動(dòng)、彈條產(chǎn)生較大殘余變形，膠墊壓潰;軌枕出現(xiàn)各種各樣的傷損，嚴(yán)重失效軌枕的傷損形式多表現(xiàn)為軌下截面環(huán)裂，釘孔裂紋、縱裂和枕中截面環(huán)裂等;道砟粉化較為嚴(yán)重、道床累積變形大?？奂鳛檐壍乐匾考唬瑢?duì)保持軌道幾何尺寸具有重要作用。若扣件抗鋼軌傾翻性能差，在列車輪對(duì)橫向沖擊作用下，鋼軌軌頭產(chǎn)生橫向位移，動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大增加，過大的動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大不僅加速扣件自身的傷損，也將影響列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性?？奂挚逛撥墐A翻能力的大小取決于諸多因素:如扣壓力、車輛的軸重、鋼軌抗扭剛度、軌下膠墊彈性及扣件組裝情況等。本文針對(duì)大秦重載鐵路既有彈條Ⅱ型扣件，對(duì)扣件部件進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)研究，并在大秦鐵路試用以驗(yàn)證其改進(jìn)效果。

1 設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)參數(shù)

大秦鐵路是目前國(guó)內(nèi)最繁忙的運(yùn)煤專用線，工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修天窗時(shí)間較短，采用Ⅲ型混凝土枕、有砟道床和75 kg/m無縫線路，要求軌道鋼軌扣件具有技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)可靠、安全適用、維修量少等特點(diǎn)。本次扣件設(shè)計(jì)既考慮了大秦鐵路軸重大、運(yùn)量大的運(yùn)輸現(xiàn)狀，又考慮了既有彈條Ⅱ型扣件特別是曲線地段扣壓力、抗橫向力不足的缺點(diǎn)，同時(shí)在保持原有軌枕不更換的前提下采取強(qiáng)化措施，即維持既有扣件的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行強(qiáng)化以提高彈條扣壓力保持能力、增大抗鋼軌傾翻能力并減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。

主要設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)軸重:30 t;每個(gè)彈條扣壓力不小于13 kN;扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度不小于400 kN/mm;連接件抗拔力不小于60 kN;彈條疲勞試驗(yàn)500萬次通過;組裝疲勞試驗(yàn)300萬次通過;軌頂標(biāo)高調(diào)整量10 mm;軌距調(diào)整量;電氣絕緣性能大于108 Ω。

2 扣件部件強(qiáng)化措施

2.1 彈條

彈條強(qiáng)化應(yīng)同時(shí)考慮增大扣壓力，適當(dāng)提高安裝扭矩、保持彈程、減小工作應(yīng)力，提高彈條疲勞強(qiáng)度等幾方面的因素。

1)方案比選。本次設(shè)計(jì)主要模擬5個(gè)方案的彈條扣壓作用過程，分別為Ⅱ型彈條既有方案、方案一Ⅱ型彈條雙肢加寬到155 mm方案、方案二雙肢連通加寬到155 mm方案、方案三Ⅱ型彈條加大半徑、雙肢加寬到155 mm方案、方案四前后端均加寬到200 mm方案、方案五前端加寬到200 mm，后端99 mm，見圖1。

圖1 五種彈條強(qiáng)化設(shè)計(jì)方案

由于彈條的設(shè)計(jì)參數(shù)較多，在滿足設(shè)計(jì)要求的扣壓力、彈程、最大復(fù)合應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度的前提下，彈條組裝后相同應(yīng)力水平下單位質(zhì)量所儲(chǔ)存的能量W可作為評(píng)價(jià)彈條設(shè)計(jì)合理性、經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)(見表1)。W=PΔ/(mσmax)。其中，P為扣壓力，kN;Δ為彈程，mm;m為彈條質(zhì)量，kg;σmax為彈條組裝后最大復(fù)合應(yīng)力，MPa。

表1 彈條方案比選

通過比較可以看出，方案五的彈條彈程、扣壓力以及能力儲(chǔ)備均最大，因此選用了方案五。

2)材質(zhì)比選。對(duì)適用于彈條的彈簧鋼進(jìn)行比選，見表2。

根據(jù)表2可以看出，60Si2CrVA抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度最大，延伸率也較大，因此本設(shè)計(jì)彈條材質(zhì)選用60Si2CrVA。

3)強(qiáng)化改進(jìn)后的彈條。Ⅱ型彈條扣壓力為10 kN，彈程10 mm，最大應(yīng)力為1 526 MPa。通過加大彈條直徑、增大彈條側(cè)肢外撇尺寸和拱高(見圖2)，以增大彈條扣壓力、保持彈條彈程并減少最大應(yīng)力。采用彈性力學(xué)曲梁?jiǎn)卧邢拊▽?duì)彈條進(jìn)行了分析計(jì)算，與既有Ⅱ型彈條相比，強(qiáng)化后彈條扣壓力由10 kN增大為11.5 kN，且保持彈程(10 mm)不變，從而減緩彈條松弛;強(qiáng)化后彈條在安裝狀態(tài)的最大工作應(yīng)力為1 377 MPa，比Ⅱ型彈條1 526 MPa的最大工作應(yīng)力降低約10%，提高了彈條強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備;在相同疲勞振幅下，強(qiáng)化后彈條應(yīng)力幅度小于Ⅱ型彈條，提高了疲勞強(qiáng)度;安裝扭矩僅增大15%，現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)施工人員適當(dāng)增大扭力即可將彈條緊固到位。

表2 彈條材質(zhì)比選

圖2 彈條形式尺寸改變

2.2 橡膠墊板

大秦線的橡膠墊板破壞嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)墊板壓潰、失效的現(xiàn)象，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋，嚴(yán)重地段2個(gè)月～3個(gè)月就需要更換。因此針對(duì)重載鐵路對(duì)軌下墊板進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)膭偠取?/p>

1)剛度與材質(zhì)選擇。目前大秦線使用的墊板剛度為90 kN/mm～110 kN/mm，由于軸重大，如果墊板剛度過小，在循環(huán)荷載作用下，很容易使墊板發(fā)生塑性變形，無法回彈，引起扣壓力損失。同時(shí)，采用低剛度的墊板，軸重加大時(shí)，鋼軌下沉量過大，鋼軌應(yīng)力較大。本設(shè)計(jì)考慮采用靜剛度不小于400 kN/mm的軌下墊板。通過計(jì)算，墊板靜剛度取400 kN/mm，30 t軸重時(shí)，鋼軌下沉量1.3 mm，35 t軸重時(shí)鋼軌下沉量為1.5 mm。墊板材料采用熱塑性彈性體。

2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為防止橡膠墊板在鋼軌傾翻時(shí)偏壓產(chǎn)生壓潰，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，改變溝槽位置和形狀，提高墊板外側(cè)橡膠的反作用力，同時(shí)減少墊板的最大應(yīng)力。圖3為強(qiáng)化后橡膠墊板和原橡膠墊板對(duì)比圖。墊板的結(jié)構(gòu)分析采用橡膠材料的超彈性有限元法。橡膠墊板采用Hyper74單元即8節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變超彈性單元。計(jì)算結(jié)果表明垂向承載100 kN時(shí)的最大應(yīng)力為5.6 MPa，小于材料的拉伸強(qiáng)度12.5 MPa，可滿足使用要求。

圖3 橡膠墊板結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.3 軌距擋板和擋板座

當(dāng)鋼軌承受異常橫向荷載時(shí)，如果扣件松弛嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致鋼軌橫移，外側(cè)軌距擋板爬上鋼軌軌底上表面，內(nèi)側(cè)軌距擋板脫落扣壓不住鋼軌，出現(xiàn)鋼軌傾倒，見圖4。

圖4 鋼軌傾翻示意圖

為與彈條側(cè)肢外撇加大配套需適當(dāng)加大軌距擋板寬度，以安裝強(qiáng)化后的彈條，將軌距擋板加寬至156 mm。另外為減少軌距擋板騎上鋼軌軌底的發(fā)生可能性，適當(dāng)加高軌距擋板抵靠鋼軌軌底側(cè)棱的擋肋，見圖5。同時(shí)配套加長(zhǎng)擋板座加寬至158 mm，降低擋板座承壓應(yīng)力，減緩對(duì)軌枕?yè)跫绲淖饔谩?/p>

圖5 軌距擋板強(qiáng)化

3 組裝疲勞試驗(yàn)

為檢驗(yàn)強(qiáng)化設(shè)計(jì)后的扣件強(qiáng)度是否滿足要求，對(duì)扣件進(jìn)行了試組裝，如圖6所示，扣件能順利組裝，各部件配合較好。并按TB/T 2491對(duì)強(qiáng)化后的扣件系統(tǒng)進(jìn)行了組裝疲勞性能試驗(yàn)，每股鋼軌施加70 kN的橫向和垂向疲勞荷載，經(jīng)300萬次疲勞試驗(yàn)后，靜態(tài)軌距擴(kuò)大3 mm，各零部件未損壞，試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖6 強(qiáng)化后扣件組裝示意圖

圖7 疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為檢驗(yàn)強(qiáng)化設(shè)計(jì)后的扣件現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用性能，選取了大秦鐵路摩天嶺工區(qū)內(nèi)的R600 m曲線段重車線進(jìn)行了試鋪，見圖8，曲線上下股共鋪設(shè)60套強(qiáng)化扣件?？奂佋O(shè)至今已經(jīng)過了3年實(shí)車運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，年運(yùn)量均接近4.5億t?？奂?yīng)用期間，保持軌道狀態(tài)良好，較既有扣件能減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，扣件各零部件無明顯損壞。

圖8 強(qiáng)化后扣件的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5 結(jié)語

本文在保持彈條Ⅱ型扣件和配套軌枕承軌槽結(jié)構(gòu)不變情況下，提出以下扣件強(qiáng)化措施:1)增大彈條扣壓力和降低工作應(yīng)力，減緩彈條松弛，提高疲勞壽命，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量。2)與彈條配套，加大軌距擋板寬度，加高鋼軌軌底側(cè)棱的擋肋，減少軌距擋板騎上鋼軌軌底的可能性。3)擋板座加長(zhǎng)，降低尼龍擋板座的承壓應(yīng)力，減緩對(duì)軌枕?yè)跫绲淖饔谩?)增大軌下墊板兩側(cè)的剛度，提高抗鋼軌傾翻能力。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，強(qiáng)化設(shè)計(jì)扣件與既有彈條Ⅱ型扣件相比，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和較少的后期維修作業(yè)量，能在一定程度上適應(yīng)我國(guó)未來重載運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

［1］方杭瑋.重載鐵路扣件系統(tǒng)和軌枕試驗(yàn)研究——大秦線既有扣件抗鋼軌傾翻性能及其強(qiáng)化技術(shù)措施的研究［R］.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究報(bào)告，2011.

［2］TB/T 3065.1-2002，彈條Ⅱ型扣件第1部分:組裝與配置［S］.

［3］TB/T 3065.2-2002，彈條Ⅱ型扣件第2部分:彈條［S］.

［4］TB/T 1495.3-92，彈條Ⅰ型扣件軌距擋板［S］.

［5］TB/T 1495.5-92，彈條Ⅰ型扣件擋板座［S］.

［6］王其昌.無砟軌道鋼軌扣件［M］.北京:西南交通大學(xué)出版社，2006.