滬寧城際WJ-7B型扣件螺栓軸力衰減規(guī)律與復(fù)緊周期探討

張志遠(yuǎn)

(上海鐵路局上海高鐵維修段，上海 200439)

滬寧城際WJ-7B型扣件螺栓軸力衰減規(guī)律與復(fù)緊周期探討

張志遠(yuǎn)

(上海鐵路局上海高鐵維修段，上海 200439)

高速鐵路扣件系統(tǒng)是軌道彈性、軌距、水平調(diào)整能力的主要提供者，扣件的可靠性關(guān)系到列車(chē)運(yùn)行的安全性和旅客乘車(chē)的舒適度等，對(duì)于WJ-7B型彈性分開(kāi)式扣件，其功能的正常發(fā)揮很大程度上取決于錨固螺栓的預(yù)緊力是否足夠。以滬寧城際WJ-7B型扣件系統(tǒng)為例，推導(dǎo)扣件系統(tǒng)螺栓軸力計(jì)算方法；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)角測(cè)試結(jié)果計(jì)算錨固螺栓軸力的衰減規(guī)律。研究結(jié)論為：螺栓軸力穩(wěn)定在40～60 kN，滿(mǎn)足橫向力校核結(jié)果，在此基礎(chǔ)上確定了復(fù)緊周期為3～4年。

滬寧城際;WJ-7B型扣件;螺栓軸力;衰減規(guī)律;復(fù)緊周期

滬寧城際是連接上海和南京的城際鐵路，設(shè)計(jì)最高速度350 km/h，是連接我國(guó)“長(zhǎng)三角”高速鐵路網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，是國(guó)內(nèi)第一條全線(xiàn)采用CRTS Ⅰ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的鐵路，扣件采用WJ-7B型彈性分開(kāi)式扣件[1]。扣件作為聯(lián)結(jié)鋼軌和軌道板的部件，不僅承擔(dān)著剛度的聯(lián)結(jié)，還必須具有彈性的調(diào)節(jié)能力。扣件的聯(lián)結(jié)在保證軌道穩(wěn)定性、可靠性方面起著重要作用[2]。對(duì)于高速鐵路無(wú)砟軌道而言，扣件幾乎是軌道彈性、軌距、水平調(diào)整能力的唯一提供者[3]。因此，扣件的松動(dòng)情況關(guān)系到乘車(chē)舒適度以及列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全。而對(duì)于WJ-7型扣件本身而言，其功能的正常發(fā)揮很大程度上取決于錨固螺栓的預(yù)緊力是否足夠。錨固螺栓在預(yù)緊后，通過(guò)螺紋接觸面和螺栓頭與支承面之間的摩阻力來(lái)抵抗松動(dòng)回轉(zhuǎn)，但在長(zhǎng)期的列車(chē)荷載動(dòng)力作用下，螺紋副之間會(huì)產(chǎn)生支持面凹陷、徑向滑動(dòng)等現(xiàn)象，造成螺紋面上摩擦力的減小，而周期性的累積則可能造成錨固螺栓的松動(dòng)和扣件的失效，從而給行車(chē)安全帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患，甚至引發(fā)列車(chē)脫軌等事故。

為此，目前養(yǎng)護(hù)維修部門(mén)采取的措施為定期或不定期的上線(xiàn)路對(duì)螺栓進(jìn)行復(fù)緊，而對(duì)于復(fù)緊的周期沒(méi)有相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這不僅會(huì)造成養(yǎng)護(hù)資源的浪費(fèi)，也會(huì)對(duì)行車(chē)安全帶來(lái)一定的隱患。因此，有必要研究扣件錨固螺栓的松動(dòng)規(guī)律，從而確定科學(xué)的復(fù)緊周期，基于這一問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究。

1 滬寧城際WJ-7B型扣件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

滬寧城際鐵路是國(guó)內(nèi)第一條全線(xiàn)采用CRTS I型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的鐵路。其CRTS I型板式無(wú)砟軌道上均采用WJ-7B型彈性分開(kāi)式扣件(圖1)。

圖1 滬寧城際CRTSⅠ型無(wú)砟軌道及WJ-7B扣件

WJ-7B型扣件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“扣件”)由T形螺栓、螺母、平墊圈、彈條、絕緣塊、鐵墊板、軌下墊板、絕緣緩沖墊板、重型彈簧墊圈、平墊塊、錨固螺栓和預(yù)埋套管組成，此外為了鋼軌高低位置調(diào)整的需要，還包括軌下調(diào)高墊板和鐵墊板下調(diào)高墊板。扣件緩沖墊板、鐵墊板安裝后，依次安放平墊塊、重型彈簧墊圈和錨固螺栓，并用扭力扳手固定螺栓。

WJ-7B型扣件屬于無(wú)擋肩扣件，適用于各類(lèi)無(wú)擋肩結(jié)構(gòu)無(wú)砟軌道，其與WJ-8有擋肩扣件不同，主要依靠錨固螺栓承受鋼軌傳遞于扣件的水平力。因而錨固螺栓是扣件功能發(fā)揮的重要參數(shù)，螺栓螺紋聯(lián)接的松動(dòng)關(guān)系到行車(chē)安全和乘坐舒適性。下面將從螺紋副聯(lián)接的理論與方面闡述計(jì)算方法。

2 螺栓軸力計(jì)算方法

圖2為WJ-7B扣件錨固螺栓結(jié)構(gòu)和受力圖示，本文為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算時(shí)僅考慮軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩，而在校核時(shí)考慮橫向力，不考慮翻轉(zhuǎn)力矩。

(1)預(yù)緊力矩與預(yù)緊力

在螺紋副中，為了增強(qiáng)螺栓螺紋聯(lián)接的剛性、緊密性、防松能力以及防止受橫向荷載螺栓聯(lián)接的滑動(dòng)，多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時(shí)都需要預(yù)緊，合適的預(yù)緊力矩對(duì)螺栓聯(lián)接件和被連接件的壽命都是有益的。預(yù)緊力矩過(guò)大往往會(huì)導(dǎo)致聯(lián)接失效，特別是在密封聯(lián)接的情況下，螺栓預(yù)緊力矩過(guò)大，密封墊片會(huì)被壓死而失去彈性或者螺栓擰斷，預(yù)緊力矩太小就達(dá)不到緊固作用。裝配完成后，螺栓承受一定的荷載，即預(yù)緊力，即在擰螺栓過(guò)程中預(yù)緊力矩作用下的螺栓與被聯(lián)接件之間產(chǎn)生的沿螺栓軸心線(xiàn)方向上的力。

圖2 WJ-7B扣件錨固螺栓

擰緊螺母的力矩T需要克服螺紋副中的摩擦阻力矩T1和螺母支撐面上的摩擦阻力矩T2[4]。故擰緊力矩T=T1+T2。由理論力學(xué)得到預(yù)緊的螺紋力矩T1與預(yù)緊力Fy的關(guān)系如式(1)所示，摩擦力矩如式(2)所示。

因此

式中，d為螺紋公稱(chēng)直徑，mm；d2為螺紋中徑，mm；φ為螺紋升角(或?qū)С探?，(°)；ρ′為螺紋副當(dāng)量摩擦角，(°)；μs為螺母支撐面的摩擦系數(shù)；dw、d0分別為螺母支撐面圓環(huán)的外、內(nèi)徑，mm。

此時(shí)，被聯(lián)結(jié)件受到壓力，螺栓受到軸向拉力，即預(yù)緊力Fy

對(duì)于一個(gè)特定的螺栓而言，其預(yù)緊力的大小與螺栓的預(yù)緊力矩、螺栓與螺母之間的摩擦力、螺母與被聯(lián)接件之間的摩擦力有關(guān)。對(duì)于一個(gè)不確定的螺栓而言，一個(gè)螺栓可使用的最大預(yù)緊力與螺栓材料品種、螺栓材料熱處理、螺栓直徑大小等都有關(guān)系。

WJ-7B扣件錨固螺栓公稱(chēng)直徑為27 mm，預(yù)緊力系數(shù)取0.13～0.15，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的預(yù)緊力矩T=300～350 N·m，由式(5)可計(jì)算預(yù)緊力理論值Fy=74.07～ 99.72 kN。

(2)軸力與轉(zhuǎn)角關(guān)系

螺栓的松動(dòng)，表現(xiàn)在螺栓頭的轉(zhuǎn)動(dòng)和位移。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度，轉(zhuǎn)角與位移的關(guān)系為

式中，Δθ為螺栓頭轉(zhuǎn)角；δ為螺栓位移；p為螺距。

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一方面拉伸螺栓，一方面壓縮被聯(lián)結(jié)件，假設(shè)這個(gè)過(guò)程中，螺紋副仍處于彈性變形階段，各部分剛度保持不變。螺栓的位移是兩者變形的和，與兩者剛度有關(guān)，得到衰減的預(yù)緊力與轉(zhuǎn)角的關(guān)系

式中，kb為螺栓剛度，kN/mm；km為被聯(lián)結(jié)件剛度，kN/mm。

WJ-7B扣件螺栓的剛度kb取值范圍為20～30 kN/mm，被聯(lián)結(jié)件剛度km取值范圍為90～100 kN/mm，螺距p為3 mm。由式(7)和表1中參數(shù)取值可知，由螺母的轉(zhuǎn)角Δθ就可以計(jì)算得到螺栓軸力衰減量，從而得到剩余預(yù)緊力Fsy。

表1 WJ-7B扣件系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

這里不妨假設(shè)轉(zhuǎn)角為2°，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，可知螺栓軸力松動(dòng)21%～22%，與文獻(xiàn)[4]中結(jié)論螺母松動(dòng)2°預(yù)緊力將下降27%基本相近。因此，雖然扣件螺栓的擰緊和松動(dòng)機(jī)制中存在塑性變形和非線(xiàn)性軸力衰減階段，但這個(gè)計(jì)算模型基本可以滿(mǎn)足要求。

表2 螺母轉(zhuǎn)角2°條件下的預(yù)緊力變化情況

(3)橫向力校核

由于高速鐵路上的扣件錨固螺栓還受到垂直于螺栓軸向的橫向荷載，因此要求剩余預(yù)緊力應(yīng)該滿(mǎn)足以下條件[4]，才能保證足夠的摩擦力。

式中，F(xiàn)sy為剩余預(yù)緊力，kN；Fy0為初始預(yù)緊力，kN；n為剩余預(yù)緊力推薦系數(shù)；μs為結(jié)合面摩擦系數(shù)；m為結(jié)合面?zhèn)€數(shù)。

而由式(8)可計(jì)算螺栓軸力，即剩余預(yù)緊力的臨界下限值，在不穩(wěn)定荷載條件下，n=0.6～1.0，因此，可以計(jì)算得到37.8～60 kN。

3 螺栓軸力衰減規(guī)律與復(fù)緊周期建議

(1)轉(zhuǎn)角實(shí)測(cè)變化規(guī)律

2010年11月到2011年11月期間，同濟(jì)大學(xué)在滬寧城際鐵路上選擇典型扣件觀(guān)測(cè)段，共對(duì)扣件螺栓轉(zhuǎn)角進(jìn)行了6次測(cè)量，第1次為貼片后螺栓轉(zhuǎn)角的初始值測(cè)量，第2次為螺栓經(jīng)過(guò)1次復(fù)緊之后的復(fù)緊值測(cè)量，后4次是復(fù)緊完成后不同時(shí)間段的轉(zhuǎn)角觀(guān)測(cè)，各次觀(guān)測(cè)距前一次觀(guān)測(cè)時(shí)間間隔分別為1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月和4個(gè)月[1]。圖3為實(shí)測(cè)螺栓轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)，從圖3中復(fù)緊之后4次測(cè)試得到的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)看，扣件錨固螺栓的轉(zhuǎn)角量非常小。在第1段相隔1個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)角量平均值約為2.0°，在第2段相隔2個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)角量平均值約為1.8°，在第3段相隔3個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)角量平均值約為1.5°，在第4段相隔4個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)角量平均值約為1.6°，錨固螺栓轉(zhuǎn)角趨于穩(wěn)定。將實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角代入式(7)即可得螺栓軸力的衰減值，如圖4所示，從圖4中看出，錨固螺栓軸力衰減呈初始較快，一段時(shí)間趨于的穩(wěn)定狀態(tài)，這與轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的規(guī)律一致。

圖3 實(shí)測(cè)螺栓轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)

圖4 螺栓軸力衰減值

圖5 滬寧線(xiàn)錨固螺栓軸力與日本新干線(xiàn)錨固螺栓軸力對(duì)比

(2)復(fù)緊周期探討

圖5為滬寧城際WJ-7B型扣件與日本新干線(xiàn)直結(jié)8型扣件錨固螺栓剩余軸力衰減趨勢(shì)圖。根據(jù)前述橫向力校核的結(jié)果，錨固螺栓的軸力臨界下限值應(yīng)大于37.8～60 kN，再結(jié)合圖5中軸力衰減趨勢(shì)以及日本新干線(xiàn)對(duì)于直結(jié)8型扣件復(fù)緊周期為4～5年的研究，建議滬寧城際采用的WJ-7B扣件的錨固螺栓復(fù)緊周期為3～4年。

4 結(jié)論

本文對(duì)我國(guó)滬寧城際鐵路采用的WJ-7B扣件系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，結(jié)合轉(zhuǎn)角測(cè)試結(jié)果計(jì)算錨固螺栓軸力的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)WJ-7B扣件錨固螺栓在預(yù)緊力矩300～350 N·m的條件下，預(yù)緊力理論值為74.07～ 99.72 kN。

(2)錨固螺栓軸力衰減呈初始較快，一段時(shí)間趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這與轉(zhuǎn)角隨時(shí)間變化的規(guī)律一致，并維持在40～60 kN，符合橫向力校核結(jié)果。

(3)初步研究確定了滬寧城際WJ-7B扣件的錨固螺栓復(fù)緊周期為3～4年，建議在進(jìn)一步觀(guān)測(cè)的基礎(chǔ)上確定其有效的復(fù)緊周期。

[1] 王玉澤. 滬寧城際軌道交通的功能定位分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(8):9-11．

[2] 張志遠(yuǎn).鋼軌扣件扣壓力變化規(guī)律研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2012．

[3] 盧祖文. 我國(guó)鐵路的鋼軌扣件[J].中國(guó)鐵路，2005(7):25-27．

[4] 于春華.鐵路鋼軌扣件發(fā)展綜述[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(1):188-191．

[5] 辛學(xué)忠，吳克儉. 鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)無(wú)砟軌道扣件探討[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2006 (2):2-4，38．

[6] 肖俊恒. 客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)無(wú)作軌道扣件系統(tǒng)技術(shù)研究[J].中國(guó)鐵路，2009(2):44-47，54．

[7] 許佑頂.高速鐵路無(wú)砟軌道扣件設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，27(4):40-43．

[8] 范俊毅.CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道在曲線(xiàn)地段的扣件調(diào)高調(diào)距分析[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì)，2010(1)：67-70．

[9] 孫繼成.高速鐵路WJ-7B型扣件高精度快速安裝定位專(zhuān)用工裝研究[J].鐵道勘察，2011(4)：72-74．

[10] 朱洪濤，高玉和.鋼軌扣件扣壓力檢測(cè)裝置專(zhuān)用夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(7)：47-49，54.

[11] 田春香，顏華，熊維.關(guān)于高速鐵路扣件間距的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(8):32-36．

[12] 王振.兩種軌道扣件彈條失效分析及有限元模擬分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2010．

[13] 卜炎.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2010.

Approach to Bolt Axial Force Attenuation Law and Re-tight Period of WJ-7B Fastener of Shanghai-Nanjing Intercity Railway

Zhang Zhiyuan

(Shanghai High-speed Railway Maintenance Deport， Shanghai Railway Administration， Shanghai 200439)

High-speed railway fastening system is the main provider for track elasticity， gauge sustaining and level adjustment. Reliability of fasteners contributes to the safety of trains and passenger comfort. The normal function of WJ-7B indirect holding elastic fastener depends largely on the sufficient preload provided by the anchor bolt. This paper， taking the Shanghai-Nanjing Intercity Railway WJ-7B fastening system as an example， puts forward the method of calculating bolt axial force of the fastening system， draws up the attenuation law of the anchor bolt axial force in accordance with site corner test results. The study concludes that the axial bolt force maintained at 40 kN to 60 kN meets check requirements for lateral force and， therefore， the re-tight period is determined to be 3 to 4 years.

Shanghai-Nanjing intercity railway; WJ-7B fastener; Bolt axial force; Attenuation law; Re-tight period

2014-01-03；

：2014-01-15

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011G021-E)

張志遠(yuǎn)(1978—)，男，工程師，2003畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，

E-mail：zhangzhiyuan_78@126.com。

1004-2954(2014)10-0029-04

U213.5+3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.007