重載鐵路既有扣件的強化與應用

劉鶯春

(太原鐵路局茶塢工務段，北京 101402)

我國既有重載線路及貨運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30 t。年運量也在逐年提高，以大秦鐵路為例，列車軸重25 t，年運量已達4.45億t，并且曲線、坡道多而復雜。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量的增加，相應地大幅增大了對線路的沖擊，大軸重、高密度的運營條件，對軌道結構產生的破壞作用加速發展，線路設備病害發生和發展速度加快。大秦線近年來鋼軌、軌枕、扣件、道床等部件出現了不同程度的傷損，如扣件使用普遍松動、彈條產生較大殘余變形，膠墊壓潰;軌枕出現各種各樣的傷損，嚴重失效軌枕的傷損形式多表現為軌下截面環裂，釘孔裂紋、縱裂和枕中截面環裂等;道砟粉化較為嚴重、道床累積變形大。扣件作為軌道重要部件之一，對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，在列車輪對橫向沖擊作用下，鋼軌軌頭產生橫向位移，動態軌距擴大增加，過大的動態軌距擴大不僅加速扣件自身的傷損，也將影響列車運行的安全性和平穩性。扣件抵抗鋼軌傾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。本文針對大秦重載鐵路既有彈條Ⅱ型扣件，對扣件部件進行強化設計研究，并在大秦鐵路試用以驗證其改進效果。

1 設計原則及設計參數

大秦鐵路是目前國內最繁忙的運煤專用線，工務養護維修天窗時間較短，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先進、結構可靠、安全適用、維修量少等特點。本次扣件設計既考慮了大秦鐵路軸重大、運量大的運輸現狀，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，同時在保持原有軌枕不更換的前提下采取強化措施，即維持既有扣件的整體結構，對個別部件進行強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護維修工作量。

主要設計參數:設計軸重:30 t;每個彈條扣壓力不小于13 kN;扣件節點靜剛度不小于400 kN/mm;連接件抗拔力不小于60 kN;彈條疲勞試驗500萬次通過;組裝疲勞試驗300萬次通過;軌頂標高調整量10 mm;軌距調整量;電氣絕緣性能大于108 Ω。

2 扣件部件強化措施

2.1 彈條

彈條強化應同時考慮增大扣壓力，適當提高安裝扭矩、保持彈程、減小工作應力，提高彈條疲勞強度等幾方面的因素。

1)方案比選。本次設計主要模擬5個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 五種彈條強化設計方案

由于彈條的設計參數較多，在滿足設計要求的扣壓力、彈程、最大復合應力、疲勞強度的前提下，彈條組裝后相同應力水平下單位質量所儲存的能量W可作為評價彈條設計合理性、經濟性的指標(見表1)。W=PΔ/(mσmax)。其中，P為扣壓力，kN;Δ為彈程，mm;m為彈條質量，kg;σmax為彈條組裝后最大復合應力，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、扣壓力以及能力儲備均最大，因此選用了方案五。

2)材質比選。對適用于彈條的彈簧鋼進行比選，見表2。

根據表2可以看出，60Si2CrVA抗拉強度和屈服強度最大，延伸率也較大，因此本設計彈條材質選用60Si2CrVA。

3)強化改進后的彈條。Ⅱ型彈條扣壓力為10 kN，彈程10 mm，最大應力為1 526 MPa。通過加大彈條直徑、增大彈條側肢外撇尺寸和拱高(見圖2)，以增大彈條扣壓力、保持彈條彈程并減少最大應力。采用彈性力學曲梁單元有限元法對彈條進行了分析計算，與既有Ⅱ型彈條相比，強化后彈條扣壓力由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;強化后彈條在安裝狀態的最大工作應力為1 377 MPa，比Ⅱ型彈條1 526 MPa的最大工作應力降低約10%，提高了彈條強度的安全儲備;在相同疲勞振幅下，強化后彈條應力幅度小于Ⅱ型彈條，提高了疲勞強度;安裝扭矩僅增大15%，現場養護施工人員適當增大扭力即可將彈條緊固到位。

表2 彈條材質比選

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重，經常出現墊板壓潰、失效的現象，據現場反饋，嚴重地段2個月～3個月就需要更換。因此針對重載鐵路對軌下墊板進行重新設計，選擇適當的剛度。

1)剛度與材質選擇。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，在循環荷載作用下，很容易使墊板發生塑性變形，無法回彈，引起扣壓力損失。同時，采用低剛度的墊板，軸重加大時，鋼軌下沉量過大，鋼軌應力較大。本設計考慮采用靜剛度不小于400 kN/mm的軌下墊板。通過計算，墊板靜剛度取400 kN/mm，30 t軸重時，鋼軌下沉量1.3 mm，35 t軸重時鋼軌下沉量為1.5 mm。墊板材料采用熱塑性彈性體。

2)結構設計。為防止橡膠墊板在鋼軌傾翻時偏壓產生壓潰，在結構設計時，改變溝槽位置和形狀，提高墊板外側橡膠的反作用力，同時減少墊板的最大應力。圖3為強化后橡膠墊板和原橡膠墊板對比圖。墊板的結構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節點平面應變超彈性單元。計算結果表明垂向承載100 kN時的最大應力為5.6 MPa，小于材料的拉伸強度12.5 MPa，可滿足使用要求。

圖3 橡膠墊板結構對比

2.3 軌距擋板和擋板座

當鋼軌承受異常橫向荷載時，如果扣件松弛嚴重，會導致鋼軌橫移，外側軌距擋板爬上鋼軌軌底上表面，內側軌距擋板脫落扣壓不住鋼軌，出現鋼軌傾倒，見圖4。

圖4 鋼軌傾翻示意圖

為與彈條側肢外撇加大配套需適當加大軌距擋板寬度，以安裝強化后的彈條，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生可能性，適當加高軌距擋板抵靠鋼軌軌底側棱的擋肋，見圖5。同時配套加長擋板座加寬至158 mm，降低擋板座承壓應力，減緩對軌枕擋肩的作用。

圖5 軌距擋板強化

3 組裝疲勞試驗

為檢驗強化設計后的扣件強度是否滿足要求，對扣件進行了試組裝，如圖6所示，扣件能順利組裝，各部件配合較好。并按TB/T 2491對強化后的扣件系統進行了組裝疲勞性能試驗，每股鋼軌施加70 kN的橫向和垂向疲勞荷載，經300萬次疲勞試驗后，靜態軌距擴大3 mm，各零部件未損壞，試驗裝置如圖7所示。

圖6 強化后扣件組裝示意圖

圖7 疲勞強度試驗

4 現場應用

為檢驗強化設計后的扣件現場應用性能，選取了大秦鐵路摩天嶺工區內的R600 m曲線段重車線進行了試鋪，見圖8，曲線上下股共鋪設60套強化扣件。扣件鋪設至今已經過了3年實車運營考驗，年運量均接近4.5億t。扣件應用期間，保持軌道狀態良好，較既有扣件能減少養護維修工作量，扣件各零部件無明顯損壞。

圖8 強化后扣件的現場應用

5 結語

本文在保持彈條Ⅱ型扣件和配套軌枕承軌槽結構不變情況下，提出以下扣件強化措施:1)增大彈條扣壓力和降低工作應力，減緩彈條松弛，提高疲勞壽命，減小養護維修工作量。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，降低尼龍擋板座的承壓應力，減緩對軌枕擋肩的作用。4)增大軌下墊板兩側的剛度，提高抗鋼軌傾翻能力。室內試驗和現場應用表明，強化設計扣件與既有彈條Ⅱ型扣件相比，具有較強的適應性和較少的后期維修作業量，能在一定程度上適應我國未來重載運輸的要求。

［1］方杭瑋.重載鐵路扣件系統和軌枕試驗研究——大秦線既有扣件抗鋼軌傾翻性能及其強化技術措施的研究［R］.中國鐵道科學研究院研究報告，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:西南交通大學出版社，2006.