京哈線秦沈段無砟軌道改進型扣件設計研究

馬德東

(中國鐵路沈陽局集團有限公司工務處，遼寧沈陽 110001)

京哈線秦沈段于2003年10月12日開通運營，基礎設施設計速度250 km/h。目前列車最高運行速度200 km/h，以動車組為主，兼顧少量普通客運列車。

京哈線秦沈段沙河特大橋、狗河特大橋和雙何特大橋采用無砟軌道配套小阻力扣件。橋上線路基本情況見表1。

表1 橋上線路基本情況

扣件存在彈條易脫落、鋼軌左右位置調(diào)整困難、扣件無鋼軌高低位置負調(diào)整功能、零部件不通用等問題，給線路養(yǎng)護維修和零部件采購帶來了很大的難度。改進型扣件的設計是為了解決這些問題。

1 原有扣件結(jié)構(gòu)分析

1.1 Ⅱ型彈條彈性分開式扣件

Ⅱ型彈條彈性分開式扣件結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-2]。

Ⅱ型彈條彈性分開式扣件為無擋肩結(jié)構(gòu)，具有以下主要特征:

1)軌道板承軌槽不設混凝土擋肩，鐵墊板上設置1∶40軌底坡，鋼軌傳來的橫向荷載主要由錨固螺栓承受。由于軌道板上預埋套管的埋設位置為對稱布置(見圖2)，造成了左右股鋼軌使用不同的鐵墊板，不能互換使用。

圖1 Ⅱ型彈條彈性分開式扣件

圖2 軌道板上預埋套管埋設位置

2)鐵墊板擋肩與鋼軌間設有鑄造軌距塊用以調(diào)整軌距，軌距塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，軌距塊上表面的凸臺用于控制彈條安裝狀態(tài)。由于凸臺的位置不一致，故左右股鋼軌的軌距塊不通用，為2種型號規(guī)格。

圖3 軌距塊

3)采用Ⅱ型彈條扣壓鋼軌，通過安裝在鐵墊板燕尾槽上的T型螺栓緊固彈條。彈條扣壓肢安放在軌距塊上表面，安裝時以中肢前端與軌距塊凸臺位置接觸為準，如圖4所示。由于凸臺高度為4.5 mm，故安裝完成后彈條中肢前端的變形由原有10 mm減小為5.5 mm，即實際使用的彈程為5.5 mm，此時扣壓力約為5 kN。通過該方式降低彈條的扣壓力，同時配以設置在鋼軌軌底與鐵墊板間摩擦系數(shù)較小的復合墊板實現(xiàn)小阻力功能。

圖4 彈條安裝位置

4)鐵墊板通過錨固螺栓與軌道板中的預埋套管配合緊固。錨固螺栓與鐵墊板孔之間放置尼龍材料的調(diào)距扣板用以調(diào)整軌距，調(diào)距扣板分0號和8號。調(diào)距扣板結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 調(diào)距扣板

Ⅱ型彈條彈性分開式扣件由于受扣件結(jié)構(gòu)所限，在現(xiàn)場養(yǎng)護時主要存在的問題有:①由于軌距塊只有2 mm一級的正調(diào)整、調(diào)距扣板只有8 mm一級的負調(diào)整，在進行軌距或軌向調(diào)整時，需同時松開聯(lián)結(jié)軌道板和鐵墊板的錨固螺栓和緊固彈條的T型螺栓進行搭配調(diào)整，現(xiàn)場操作困難，費時費力，極大地增加了養(yǎng)護維修工作量，且多次松緊錨固螺栓易造成預埋套管損壞。②由于彈條實際使用彈程僅為5.5 mm(正常使用時為10 mm)，彈條易產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，給列車運營造成安全隱患。③鐵墊板、軌距塊等零部件鋼軌左右股不通用，上道更換時需攜帶不同型號的零部件，還需根據(jù)鋼軌左右位置進行零部件配套安裝，給養(yǎng)護維修帶來不便。④扣件節(jié)點橫向力主要靠錨固螺栓傳遞，錨固螺栓與預埋套管易損壞。由于京哈線秦沈段有少量普通客運列車，機車軸重相對較大，扣件橫向穩(wěn)定性有待增強。

1.2 WJ-2型扣件

WJ-2型扣件的結(jié)構(gòu)如圖6所示[3]。

圖6 WJ-2型扣件

WJ-2型扣件為無擋肩結(jié)構(gòu)，具有以下主要特征:

1)長枕承軌槽不設混凝土擋肩，鐵墊板上設置1∶40軌底坡，鋼軌傳來的橫向荷載主要由鐵墊板的摩擦力克服。長枕上預埋套管的埋設位置如圖7所示，為旋轉(zhuǎn)180°布置，左右股鋼軌的鐵墊板可互換，通用性好。

圖7 長枕上預埋套管埋設位置

2)鐵墊板擋肩與鋼軌間不設置軌距塊，調(diào)整軌向和軌距時通過移動帶有長圓孔的鐵墊板來實現(xiàn)，為連續(xù)無級調(diào)整，因而可實現(xiàn)軌距和軌向的精細調(diào)整，軌距調(diào)整量為±20 mm。

3)鐵墊板上安裝WJ-2型扣件小阻力彈條，通過安裝在鐵墊板梅花孔上的T型螺栓緊固彈條。彈條側(cè)肢和中肢均扣壓在鋼軌上，此時彈條彈程11.5 mm，設計扣壓力4 kN。通過使用小扣壓力彈條，同時配以設置在鋼軌軌底與鐵墊板間摩擦系數(shù)較小的復合墊板實現(xiàn)小阻力功能。

4)鐵墊板通過錨固螺栓與預埋于軌道板中的預埋套管配合緊固。錨固螺栓與鐵墊板之間放置平墊塊以增加錨固螺栓緊固處鐵墊板剛度，同時起防止軌距過大的作用。平墊塊如圖8所示。

圖8 平墊塊

WJ-2型彈條在現(xiàn)場養(yǎng)護時主要存在如下問題:

①彈條尾部和鐵墊板安裝位置如圖9所示，在軌下調(diào)高量較大時，彈條仰角較大，彈條易發(fā)生尾部從鐵墊板支承座位置脫落的情況，從而無法扣壓鋼軌。

圖9 彈條尾部和鐵墊板安裝位置示意

②在進行軌距或軌向調(diào)整時，需松開聯(lián)結(jié)長枕和鐵墊板的錨固螺栓進行調(diào)整，現(xiàn)場操作困難，且多次松緊錨固螺栓易造成預埋套管損壞。

③該扣件絕緣緩沖墊板只有5 mm厚一種規(guī)格，無法進行鋼軌高低位置負調(diào)整。

④該扣件利用鐵墊板的摩擦力克服鋼軌傳來的橫向力，由于京哈線秦沈段有少量普通客運列車，機車軸重相對較大，扣件橫向穩(wěn)定性有待增強。

2 改進型扣件設計原則與設計參數(shù)

2.1 設計原則

1)如果改動既有軌道板上的長枕預埋套管，施工工作量過大且易造成混凝土基礎損壞，故扣件在原有套管基礎上進行設計。

2)三座特大橋上除鐵墊板外的零部件盡可能采用通用件，方便現(xiàn)場施工操作，降低養(yǎng)護維修成本。

3)鑒于目前鋼軌左右位置調(diào)整困難，采用方便可行的調(diào)整方式，同時適當增加鋼軌左右位置調(diào)整量。

4)由于特大橋兩邊均為有砟軌道，為保證軌道高低平順性，方便現(xiàn)場養(yǎng)護維修，新扣件應具備鋼軌高低位置負調(diào)整功能。

5)考慮無砟軌道和有砟軌道區(qū)段的剛度匹配，更換新扣件后，應不改變既有線路的軌道剛度，且不降低軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 設計參數(shù)

根據(jù)原有扣件的設計參數(shù)和線路條件、運營條件，確定改進型扣件的設計參數(shù)如下:①在鐵墊板上設置1∶40軌底坡。②單組扣件的鋼軌縱向阻力設計值取(4±1)kN。③彈性墊層靜剛度為 40～60 kN/mm。④彈條的彈程不小于12 mm。⑤扣件組裝疲勞性能應滿足TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第1部分:通用技術(shù)條件》[4]的要求。⑥預埋套管的抗拔力不小于100 kN。⑦按TB/T 3396.5—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法 第5部分:絕緣電阻的測定》[5]測試時，扣件的絕緣電阻不應小于5 kΩ。⑧單股鋼軌左右位置調(diào)整范圍不小于±17 mm，軌距調(diào)整能力不小于±34 mm，調(diào)整級差1 mm。⑨鋼軌高低位置調(diào)整范圍不小于-4～+30 mm，調(diào)整級差1 mm。

3 結(jié)構(gòu)設計

改進型扣件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 京哈線秦沈段無砟軌道改進型扣件結(jié)構(gòu)

改進型扣件結(jié)構(gòu)是在WJ-2型扣件基礎上針對原有2種扣件存在的問題進行的優(yōu)化設計，采取的改進措施如下:

1)提高扣件零部件通用性

通過鐵墊板結(jié)構(gòu)改進實現(xiàn)除鐵墊板外所有零部件通用，同時采用X2彈條和T型螺栓T1，實現(xiàn)與沈陽局管內(nèi)高速鐵路WJ-7型扣件零部件通用[6]。

2)提高扣件抗橫向荷載的能力

原有扣件系統(tǒng)僅通過鐵墊板的摩擦力或錨固螺栓抗剪力克服鋼軌傳遞來的橫向荷載。在新扣件設計時，在鐵墊板和平墊塊上采用了鋸齒結(jié)構(gòu)，室內(nèi)試驗及WJ-2A型扣件的現(xiàn)場應用實踐證明，通過兩個零部件間的鋸齒嚙合大大提高了扣件抗橫向荷載能力，可有效提高軌向和軌距的保持能力。

3)減緩彈條扣壓力衰減，減少彈條脫落

采用高速鐵路用高彈性、高疲勞強度的X2型彈條，減小了在疲勞荷載作用下彈條的殘余變形，可有效防止彈條松弛，保持彈條扣壓力。同時通過降低彈條尾部和扣壓端的高差、在彈條跟端支承座設置前后限位槽等技術(shù)措施，減少了彈條脫落現(xiàn)象。

4)改進T型螺栓在鐵墊板中的固定方式

Ⅱ型彈條彈性分開式扣件的T型螺栓利用鐵墊板擋肩的燕尾槽進行固定，缺點是螺栓容易前后歪斜，特別是在軌下墊入調(diào)高墊板時更容易歪斜。WJ-2型扣件利用鐵墊板內(nèi)開設的梅花孔進行固定，解決了螺栓前后易歪斜的問題，使用情況良好，但原設計在松開螺栓時容易發(fā)生螺栓脫落現(xiàn)象。在優(yōu)化設計時采用WJ-7型鐵墊板梅花孔的設置方式，即加深了孔的深度，梅花孔兩側(cè)設置肋緣，螺栓就位后可防止螺栓正反2個方向的轉(zhuǎn)動。

5)方便鋼軌高低和左右位置調(diào)整

①鋼軌高低位置調(diào)整。為使新設計的扣件鋼軌標高與既有扣件一致，在鐵墊板下設置7 mm厚的絕緣緩沖墊板，當鋼軌高低位置需要負調(diào)整時，將該墊板更換為3 mm厚的絕緣緩沖墊板。適當提高高速鐵路墊板擋肩高度，通過在鐵墊板和復合墊板間墊入軌下調(diào)高墊板進行鋼軌高低位置微調(diào)高，當需要更大鋼軌高低位置調(diào)整時，可在鐵墊板和絕緣緩沖墊板間墊入鐵墊板下調(diào)高墊板進行調(diào)整。通過以上措施可實現(xiàn)鋼軌高低位置調(diào)整量-4～+30 mm。

②鋼軌左右位置調(diào)整。通過調(diào)整鐵墊板擋肩和鋼軌間的絕緣軌距塊，可實現(xiàn)單股鋼軌左右位置±5 mm的調(diào)整；當需要較大的鋼軌左右位置調(diào)整時，可通過挪動鐵墊板進行調(diào)整。兩者結(jié)合，可實現(xiàn)單股鋼軌左右位置調(diào)整量±17 mm，軌距調(diào)整量±34 mm。

4 室內(nèi)試驗

為驗證改進型扣件的整體性能，對其進行了鋼軌縱向阻力、組裝疲勞性能和絕緣性能測試。

4.1 鋼軌縱向阻力試驗

按TB/T 3396.1—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第1部分:鋼軌縱向阻力的測定》[7]對扣件進行標準組裝狀態(tài)下的鋼軌縱向阻力測試，測試結(jié)果見表2。結(jié)果表明，扣件鋼軌縱向阻力滿足(4±1)kN的技術(shù)要求。

表2 鋼軌縱向阻力測試結(jié)果 kN

4.2 組裝疲勞性能試驗

按照TB/T 3395.1—2015分別對標準組裝狀態(tài)下和鋼軌最大調(diào)高(+30 mm)狀態(tài)下的改進型扣件進行了組裝疲勞試驗。

經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后的試驗數(shù)據(jù)見表3。標準組裝狀態(tài)下，扣件各零部件均未出現(xiàn)傷損，軌距擴大量3.0 mm，鋼軌縱向阻力、組裝扣壓力和組裝靜剛度變化率最大值分別為6.7%，5.7%和17.0%，滿足“軌距擴大量不大于6 mm，鋼軌縱向阻力變化率不大于20%、組裝扣壓力變化率不大于20%、組裝靜剛度變化率不大于25%”的技術(shù)要求。鋼軌最大調(diào)高狀態(tài)下，扣件各零部件均未出現(xiàn)傷損，軌距擴大量3.5 mm，滿足“軌距擴大量不大于6 mm”的技術(shù)要求。

表3 組裝疲勞性能試驗結(jié)果

4.3 絕緣性能試驗

在扣件標準組裝狀態(tài)下的絕緣電阻按TB/T 3396.5—2015進行測試。結(jié)果表明，扣件兩軌間最小絕緣電阻22.9 kΩ，滿足扣件絕緣電阻不小于5 kΩ的技術(shù)要求。

5 現(xiàn)場試鋪

為考察新研制的改進型扣件與線路既有預埋套管的配合情況及扣件各零部件安裝狀態(tài)，于2017年9月14日在京哈線秦沈段雙何特大橋上行線K496+760處進行了現(xiàn)場試鋪，共鋪設2套扣件，如圖11所示。

圖11 雙何特大橋試鋪的改進型扣件

2套扣件均按標準狀態(tài)安裝，結(jié)果表明:

1)改進型扣件在現(xiàn)場安裝狀態(tài)良好，各部件間無明顯的干涉和離縫，錨固螺栓可順利旋入預埋套管內(nèi)，且長度適中。

2)改進型扣件組裝完成后，經(jīng)現(xiàn)場測量線路軌距、水平和高低均無明顯變化。

6 結(jié)語

針對京哈線秦沈段沙河特大橋、狗河特大橋和雙何特大橋無砟軌道原有小阻力扣件存在的問題進行了分析，研發(fā)了改進型扣件。經(jīng)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試鋪，該扣件滿足相關標準及現(xiàn)場安裝要求。但在大批量上道應用前還需選取部分區(qū)段進行試用試驗，進一步驗證扣件的現(xiàn)場使用性能。