彈條Ⅶ型扣件特殊調(diào)整措施

陳晨 朱煜 肖俊恒 李彥山 李祖云 嚴(yán)俊輝 劉長溪 張高

1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司， 北京 102206； 2.中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司 普洱基礎(chǔ)設(shè)施段， 云南 普洱 665000

彈條Ⅶ型扣件是針對(duì)我國重載鐵路和客貨共線鐵路的運(yùn)營和線路條件研發(fā)的，適用于有砟軌道和彈性支承塊式無砟軌道，兼容重載鐵路用75 kg/m 鋼軌和客貨共線用60 kg/m 鋼軌。在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，個(gè)別地段由于基礎(chǔ)病害導(dǎo)致的無砟軌道幾何形位偏差遠(yuǎn)超過當(dāng)前扣件的調(diào)整能力。一鐵路隧道區(qū)段在運(yùn)營維護(hù)中發(fā)現(xiàn)道床板上拱導(dǎo)致線路質(zhì)量不良，對(duì)軌道幾何形位進(jìn)行了監(jiān)測。一段時(shí)間后上行線高程累計(jì)上升29.5 mm，中線累計(jì)右偏9.2 mm；下行線高程累計(jì)上升23.3 mm，軌向累計(jì)左偏3.8 mm。期間先后進(jìn)行了4 次軌道精調(diào)，已超過彈條Ⅶ型扣件最大調(diào)高量（20 mm）、最大軌向調(diào)整量（-6 ～ +4 mm）。

隧道基礎(chǔ)沉降變形、道床板上拱等線路病害導(dǎo)致彈性支承塊式無砟軌道變形過大，超過既有軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整能力［1-3］。為快速恢復(fù)線路平順性并增加無砟軌道扣件調(diào)整技術(shù)儲(chǔ)備，急需研發(fā)一種針對(duì)彈條Ⅶ型扣件的特殊調(diào)整措施，增大鋼軌左右、高低位置調(diào)整量。

1 既有彈條Ⅶ型扣件

彈條Ⅶ型扣件系統(tǒng)由T 形螺栓、螺母、平墊圈、彈條、絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板和預(yù)埋鐵座組成。鋼軌高低調(diào)整時(shí)采用調(diào)高墊板，包括軌下調(diào)高墊板和軌距擋板下調(diào)高墊板［4］。

1.1 既有扣件對(duì)鋼軌高低位置的調(diào)整

彈條Ⅶ型扣件通過軌下調(diào)高墊板和軌距擋板下調(diào)高墊板進(jìn)行鋼軌高低位置調(diào)整，鋼軌高低位置調(diào)整區(qū)間為0 ～ +20 mm。配置見表1。其中“+”表示增大高度。

表1 既有彈條Ⅶ型扣件鋼軌高低位置調(diào)整配置 mm

1.2 既有扣件對(duì)鋼軌左右位置的調(diào)整

彈條Ⅶ型扣件通過軌距擋板和絕緣軌距塊來進(jìn)行鋼軌左右位置調(diào)整，鋼軌左右位置調(diào)整區(qū)間為-6 ～+4 mm。對(duì)于60 kg/m 鋼軌，配置見表2。其中，“+”表示向鋼軌外側(cè)調(diào)整，“-”表示向鋼軌內(nèi)側(cè)調(diào)整。

表2 既有彈條Ⅶ型扣件鋼軌左右位置調(diào)整配置

2 彈條Ⅶ型扣件特殊調(diào)整措施

2.1 研究思路

在既有彈條Ⅶ型扣件高低調(diào)整量已達(dá)上限時(shí)，若按原有調(diào)整思路再進(jìn)行調(diào)高，一般有兩種辦法：增加軌下調(diào)高墊板厚度；增加軌距擋板下調(diào)高墊板厚度。增加軌下調(diào)高墊板厚度會(huì)使彈條仰角增加，彈條扣壓穩(wěn)定性降低；增加軌距擋板下調(diào)高墊板厚度會(huì)使預(yù)埋鐵座橫向受力點(diǎn)上移，甚至軌距擋板與預(yù)埋鐵座脫離接觸，喪失扣件橫向穩(wěn)定性。同樣，若進(jìn)一步增加鋼軌左右位置調(diào)整量，原有W4 型彈條垂直于鋼軌方向的尺寸已不能滿足扣壓鋼軌的需求。因此，若進(jìn)一步增加彈條Ⅶ型扣件的鋼軌位置調(diào)整量，上述調(diào)整方法行不通。

為了克服既有方法進(jìn)行鋼軌過大調(diào)整時(shí)帶來的不利影響，提出研究思路如下：

1）進(jìn)行鋼軌垂向調(diào)整時(shí)，使預(yù)埋鐵路橫向受力點(diǎn)基本不變；

2）選用或重新設(shè)計(jì)垂直于鋼軌方向尺寸更大的彈條，進(jìn)行鋼軌左右調(diào)整時(shí)彈條仍能穩(wěn)定扣壓鋼軌。

2.2 增加鋼軌調(diào)高量的措施

在既有彈條Ⅶ型扣件基礎(chǔ)上，主要通過增設(shè)或改進(jìn)設(shè)計(jì)緩沖墊板、鐵墊板、軌距擋板下調(diào)高墊板、軌距擋板、T形螺栓等技術(shù)措施，可實(shí)現(xiàn)鋼軌調(diào)高量增加到+21 ～ +81 mm，見圖1。

圖1 彈條Ⅶ型扣件特殊調(diào)高 +81mm組裝構(gòu)造

為保證扣件特殊調(diào)高狀態(tài)的穩(wěn)定性，在鐵墊板與承軌面之間只設(shè)置一種規(guī)格的緩沖墊板，不設(shè)鐵墊板下調(diào)高墊板。主要技術(shù)措施包括增設(shè)鐵擋肩、增設(shè)緩沖墊板、重新設(shè)計(jì)軌距擋板、重新設(shè)計(jì)軌距擋板下調(diào)高墊板、增加T形螺栓規(guī)格。

1）增設(shè)鐵擋肩

在大調(diào)高時(shí)，須保證扣件系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且不能影響原有扣件系統(tǒng)的組裝靜剛度，因此增設(shè)鐵擋肩，見圖2。在保證扣件整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，兼顧現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修的方便性及調(diào)高量的配置，按鐵擋肩下底部分厚度分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型鐵擋肩下底部分厚18 mm，Ⅱ型鐵擋肩下底部分厚48 mm。鋼軌高低位置調(diào)整量為+21 ～ +51 mm 時(shí)采用Ⅰ型鐵擋肩，大于+51 mm時(shí)采用Ⅱ型鐵擋肩。

圖2 鐵擋肩

垂向上，由于鐵擋肩的承壓面積較大，且下部為剛性支撐，其應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的強(qiáng)度極限，有較大的安全儲(chǔ)備；橫向上，由于扣件橫向力完全由鐵擋肩傳遞，因此參考TB/ T 3519—2018《客貨共線鐵路扣件通用技術(shù)條件》［5］，建立有限元模型進(jìn)行檢算，橫向計(jì)算荷載取40 kN。計(jì)算得到Ⅰ型、Ⅱ型鐵擋肩最大應(yīng)力分別為108、138 MPa，均滿足承載強(qiáng)度要求。鐵擋肩應(yīng)力分布見圖3。

圖3 橫向荷載下鐵擋肩應(yīng)力分布

2）增設(shè)緩沖墊板

扣件特殊調(diào)高時(shí)，由于采用了鐵擋肩，為緩沖鐵擋肩對(duì)混凝土承軌面的沖擊作用，在鐵擋肩和軌枕承軌面間設(shè)置緩沖墊板，見圖4。根據(jù)特殊調(diào)整扣件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，墊板下緩沖墊板的厚度設(shè)計(jì)為3 mm。

圖4 緩沖墊板

3）重新設(shè)計(jì)軌距擋板

為便于扣件調(diào)高時(shí)軌距擋板與鐵擋肩的配合安裝，軌距擋板的后端面設(shè)計(jì)為立面，見圖5。由于扣件大調(diào)高時(shí)軌距擋板傳遞鋼軌橫向力，對(duì)軌距擋板適當(dāng)位置采取增加厚度的措施。

圖5 軌距擋板

4）重新設(shè)計(jì)軌距擋板下調(diào)高墊板

根據(jù)鐵擋肩承軌面尺寸，重新設(shè)計(jì)軌距擋板下調(diào)高墊板。如圖6 所示，重新設(shè)計(jì)的調(diào)高墊板仍由兩塊拼接而成，軌距擋板下調(diào)高墊板按厚度分為5 mm 和10 mm兩種規(guī)格。

圖6 軌距擋板下調(diào)高墊板

5）增加T形螺栓規(guī)格

除既有標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型、Ⅱ型T形螺栓外，為適應(yīng)扣件的大調(diào)高量，按T 形螺栓的長度新增了T2-Ⅲ型、T2-Ⅳ型、T2-Ⅴ型和T2-Ⅵ型四種規(guī)格。根據(jù)調(diào)高量選擇適當(dāng)長度的螺栓，最大可滿足 +81 mm 的調(diào)高需求。既有和新增T形螺栓長度及使用條件見表3。

表3 既有和新增T形螺栓長度及使用條件

2.3 增加鋼軌左右位置調(diào)整量的措施

彈條Ⅶ型扣件增大鋼軌左右位置調(diào)整量主要措施包括增加絕緣軌距塊規(guī)格、重新設(shè)計(jì)軌距擋板、更換其他類型的彈條。

1）增加絕緣軌距塊規(guī)格

對(duì)于60 kg/m 鋼軌，既有彈條Ⅶ型扣件絕緣軌距塊有8 號(hào)、10 號(hào)、12 號(hào)、14 號(hào)和16 號(hào)共5 種型號(hào)，單股鋼軌左右位置調(diào)整級(jí)差2 mm。設(shè)計(jì)時(shí)，為增加鋼軌左右位置調(diào)整范圍及縮小調(diào)整級(jí)差，通過改變圖7 中的厚度（d），新增6 號(hào)、7 號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)、13 號(hào)、15 號(hào)、17 號(hào)和18 號(hào)，結(jié)合既有絕緣軌距塊型號(hào)，共13 種型號(hào)。采用以上型號(hào)的絕緣軌距塊時(shí)，鋼軌左右位置調(diào)整量可達(dá) ±10 mm，調(diào)整級(jí)差1 mm。

圖7 絕緣軌距塊

2）重新設(shè)計(jì)軌距擋板

為便于扣件調(diào)高時(shí)軌距擋板與鐵墊板配合安裝，軌距擋板的后端面設(shè)計(jì)為立面。同時(shí)，為增加鋼軌左右位置調(diào)整量，如圖8 所示，根據(jù)尺寸a和b，軌距擋板分3 種型號(hào)，即5 號(hào)、9 號(hào)和13 號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)軌距時(shí)鋼軌內(nèi)外側(cè)均采用9號(hào)。

圖8 軌距擋板剖面

3）更換其他類型的彈條

由于增加了鋼軌左右位置調(diào)整量，原有W4 型彈條垂直于鋼軌方向的長度（圖9 中的L）已不能滿足扣壓鋼軌的需求，因此考慮換用L更大的既有成熟彈條。經(jīng)過比選，選用彈條Ⅸ型扣件的W8型彈條。W8型彈條和W4型彈條性能參數(shù)對(duì)比見表4，二者主要性能參數(shù)基本一致。

圖9 彈條垂直于鋼軌方向的長度（單位：mm）

表4 W8型彈條和W4型彈條性能參數(shù)對(duì)比

采取以上技術(shù)措施，可實(shí)現(xiàn)鋼軌左右位置調(diào)整量±10 mm。

3 扣件性能試驗(yàn)

彈條Ⅶ型特殊調(diào)整扣件系統(tǒng)研制完成后，為驗(yàn)證扣件組裝性能，按TB/ T 3519—2018 及設(shè)計(jì)圖的技術(shù)要求對(duì)扣件進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

3.1 組裝靜剛度試驗(yàn)

按TB/T 3519—2018，分別進(jìn)行了調(diào)高量為+21、+51、+81 mm 的組裝靜剛度試驗(yàn)，見圖10。試驗(yàn)結(jié)果見表5?？芍涸诓煌{(diào)整狀態(tài)下組裝靜剛度差別不大，且變化率小于5%，滿足技術(shù)要求。

圖10 彈條Ⅶ型特殊調(diào)整扣件組裝靜剛度試驗(yàn)

表5 不同調(diào)高狀態(tài)下組裝靜剛度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 組裝扣壓力試驗(yàn)

按TB/ T 3396.2—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第2部分：組裝扣壓力的測定》［6］進(jìn)行組裝扣壓力試驗(yàn)，見圖11。

圖11 組裝扣壓力試驗(yàn)

分別對(duì)既有彈條Ⅶ型扣件和彈條Ⅶ型特殊調(diào)整扣件進(jìn)行組裝扣壓力測試，結(jié)果見表6?？芍簝煞N扣件鋼軌縱向阻力基本一致，說明彈條Ⅶ型特殊調(diào)整扣件沒有改變既有扣件對(duì)鋼軌的扣壓力。

表6 扣件組裝扣壓力試驗(yàn)結(jié)果 kN

3.3 鋼軌縱向阻力試驗(yàn)

按TB/ T 3396.1—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第1部分：鋼軌縱向阻力的測定》［7］進(jìn)行鋼軌縱向阻力試驗(yàn)，見圖12。

圖12 鋼軌縱向阻力試驗(yàn)

分別對(duì)既有彈條Ⅶ型扣件和彈條Ⅶ型特殊調(diào)整扣件的鋼軌縱向阻力進(jìn)行了測試，結(jié)果見表7?？芍簝煞N扣件鋼軌縱向阻力基本一致，說明彈條Ⅶ型特殊調(diào)整扣件沒有改變既有線路的鋼軌縱向阻力。

表7 鋼軌縱向阻力試驗(yàn)結(jié)果 kN

3.4 組裝疲勞性能試驗(yàn)

按TB/ T 3519—2018 進(jìn)行組裝疲勞試驗(yàn)。荷載參數(shù)：垂向荷載為75 kN，橫向荷載為40 kN，試驗(yàn)軌高為130 mm，加載頻率4 Hz，荷載循環(huán)300 萬次。在扣件最大調(diào)高量+81 mm 時(shí)進(jìn)行組裝疲勞試驗(yàn)，見圖13。經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后，各零部件無傷損，軌距擴(kuò)大量2 mm，滿足疲勞性能要求。

圖13 扣件調(diào)高+81 mm狀態(tài)時(shí)組裝疲勞試驗(yàn)

4 結(jié)論與建議

為解決基礎(chǔ)病害導(dǎo)致的無砟軌道幾何形位偏差遠(yuǎn)超過當(dāng)前扣件的調(diào)整能力的問題，針對(duì)60 kg/m 鋼軌用彈條Ⅶ型扣件，研究了扣件特殊調(diào)整措施，并進(jìn)行了扣件組裝性能試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

1）通過增設(shè)鐵擋肩、增設(shè)緩沖墊板、重新設(shè)計(jì)軌距擋板、重新設(shè)計(jì)軌距擋板下調(diào)高墊板、增加T形螺栓規(guī)格，可實(shí)現(xiàn)鋼軌調(diào)高量0 ～ +81 mm。

2）通過改變絕緣軌距塊、軌距擋板、彈條可實(shí)現(xiàn)單股鋼軌左右位置最大調(diào)整量 ±10 mm。

3）對(duì)扣件的組裝靜剛度、組裝扣壓力、鋼軌縱向阻力、組裝疲勞性能進(jìn)行了測試，各項(xiàng)性能均滿足技術(shù)及線路運(yùn)營要求。

鑒于彈條Ⅶ型特殊調(diào)整扣件在國內(nèi)客貨共線鐵路中尚屬首次應(yīng)用，缺乏相應(yīng)的使用經(jīng)驗(yàn)，在既有線路病害地段采用特殊調(diào)整技術(shù)措施時(shí)應(yīng)定期觀測。