城市軌道交通扣件產品力學性能檢測方法探討

許光輝 張漢平 黃 浩 楊秀龍

(1.廣州計量檢測技術研究院，廣東 廣州 510663； 2.華南理工大學，廣東 廣州 510640)

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城市軌道交通扣件產品力學性能檢測方法探討

許光輝1,2張漢平2黃 浩1楊秀龍1

(1.廣州計量檢測技術研究院，廣東 廣州 510663； 2.華南理工大學，廣東 廣州 510640)

從扣件組裝疲勞試驗、彈條扣壓力檢測、扣件縱向阻力測量等方面，介紹了城市軌道交通扣件產品的力學性能檢測方法，并對已按標準要求制作的儀器設備進行了檢測，驗證了檢測方法的可靠性。

軌道交通，扣件，力學性能，檢測方法

1 概述

隨著經濟快速增長，我國城市人口急劇擴大，伴隨而來的城市內部交通堵塞問題日益嚴重。城市軌道交通以其準點、環保、節能和運載量大等優勢，已成為市民出行的首選交通工具。“十二五”期間，城市軌道交通行業已經被國家作為城市基礎設施建設的重點投資領域，在深化一線城市，如北京、上海、廣州和深圳等軌道交通基礎，完善這些城市運營網絡的同時，將大力發展省會城市和其他符合軌道交通建設的城市，使這些城市形成基本的軌道交通框架。我國城市軌道交通建設正面臨巨大發展的歷史機遇。

2 國內外研究現狀

軌道工程是城市軌道交通中一個系統龐大并且異常復雜的綜合工程，由鋼軌、軌枕、扣件、道床等部分組成，任何一個軌道零件強度和結構的變化都會影響其他零部件的工作狀態。這些力學性質絕然不同的工程材料部件，在日常運行過程中，承受著劇烈動態作用力，因此它們的工作狀態是緊密關聯的。軌道工程在工程設計、施工和質量驗收等各個環節都參照其他行業標準，缺少適合城市軌道交通行業特有運行狀況的專有檢測方法和評價標準。特別是軌道工程中的扣件產品，世界各國在軌道工程領域參照不同的測試標準及檢測設備，主要以歐洲標準和英國標準為主[1，2]。隨著我國城市軌道行業的發展，新的軌道扣件產品層出不窮，建立健全我國城市軌道工程扣件產品的檢測方法標準和評價標準體系顯得非常重要。針對目前我國城市軌道交通中軌道工程扣件產品行業缺少檢測方法標準和方法難以統一的情況，結合作者在日常工作中的實際情況，本文將在這個領域做一些探討工作。在標準要求的前提下，新增了相應的檢測方法以反映被檢產品的力學性能。

3 檢測項目

根據扣件產品日常運行狀況下的受力特性，本文將以下列幾個項目的力學性能檢測方法進行研究：1)檢測扣件疲勞前后的動靜剛度以及動靜比；2)檢測扣件300萬次組裝疲勞性能和保持軌距性能；3)檢測扣件疲勞前后的彈條扣壓力；4)檢測扣件疲勞前后的縱向阻力。

3.1 檢測扣件疲勞前后的動靜剛度以及動靜比[3]

3.1.1 靜剛度試驗方法

首先，試驗前將所有試驗部件和設備在(20±5)℃的環境中至少靜置24 h。其次，將試樣(即單個扣件系統)平置在試驗機上，對試樣以2 kN/s的速度垂直加載到100 kN進行預壓，靜停1 min后卸載，反復預壓三次。然后，以0.5 kN/s的速度垂向加載進行靜剛度測試。當荷載加至F1(5 kN)和F2(55 kN)時各停留1 min，并分別記錄鋼軌的位移D1Si，D2Si。如此反復試驗三次，計算三次D1Si，D2Si的平均值，記為D1S，D2S。用下述公式計算靜剛度[7]：

扣件靜剛度測試組裝如圖1所示。

3.1.2 扣件動剛度試驗方法

首先，將所有試驗部件和設備在(20±5)℃的環境中至少靜置24 h。其次，按照實際使用工況，對單個扣件進行組裝，組成扣件系統。將試樣(即單個扣件系統)平置在試驗機上，先以2 kN/s的速度垂直加載到100 kN對試樣進行預壓，靜停1 min后卸載，反復預壓三次。最后，對試樣施加5 kN～55 kN的周期荷載，加載頻率為4 Hz，進行動剛度測試。荷載循環1 000次，在最后的100次荷載循環中，記錄10個循環的實際施加荷載F1ai，F2ai和加載鋼軌的位移D1i，D2i。如此反復測試三次，取平均值。以在實際載荷5 kN和55 kN所對應的位移值計算扣件組裝的動剛度。扣件動剛度測試組裝如圖1所示。

3.2 扣件組裝疲勞試驗方法[4]

疲勞試驗在液壓脈動試驗機上進行，試驗荷載參數：Pv/cosα=60 kN，L/V=0.5，α=26°，X=15 mm，加載頻率4 Hz。載荷循環300萬次[1]。按實際使用工況，裝配試驗系統，先對加力架施加動載1 000次，卸載并重新緊固錨固螺栓和彈條，而后正式開始試驗。測試過程中，所有螺栓及彈條不得重新定位及緊固。在載荷循環為1 000次、100萬次、200萬次和300萬次時分別測定軌頭和軌底的動態橫移量，鋼軌的動態下沉量，檢測疲勞試驗前后扣件的軌距擴大量，并檢查扣件系統是否損壞。扣件疲勞試驗安裝如圖2所示。

3.3 扣件彈條扣壓力試驗方法[5]

使用彈條將鋼軌固定在扣件上面，在鋼軌與扣件之間加上軌下墊板。將扣件固定在扣壓力試驗機平臺上，鋼軌頭與工裝連接。對鋼軌施加逐漸增大的荷載P，期間應保持鋼軌底面與承軌面保持平行，直到軌下墊板剛剛能被抽出。抽出墊板并卸載到千分表的平均讀數為0，記錄P值，繼續卸載到約0.9P。然后以10 kN/min的加載速率加載，直到荷載為1.1P，同時記錄位移值d。從荷載—位移曲線上讀取d=0時的荷載P值[1]，該值即為扣壓力。重復兩次實驗，取平均值。彈條扣壓力試驗安裝如圖3所示。

3.4 扣件縱向阻力試驗方法[5,6]

該試驗在縱向阻力試驗機上進行。通過扣件將鋼軌扣在承軌槽內，鋼軌表面無脫落銹跡，就位后用扭矩扳手按規定扭矩緊固螺栓，使彈條中部前段下顎與絕緣軌距塊接觸。沿鋼軌縱向在一端加力，在另一端用百分表測鋼軌的縱向位移，從而得到縱向阻力與位移的關系[1]。試驗組裝如圖4所示。

4 試驗結果[6]

根據上述力學性能檢測方法，筆者結合日常工作需要，制備多套專用的試驗儀器和工裝夾具，同時選取一種典型的城市軌道交通工程扣件，對方法的可行性進行驗證。

4.1 扣件動靜剛度及動靜比結果

1)扣件動靜剛度。

a.疲勞試驗前扣件靜剛度測試結果。

按照3.1試驗方法及流程，測得疲勞試驗前A型扣件靜剛度結果如表1，表2所示。

表1 疲勞試驗前A型扣件壓縮變形數據 mm

表2 疲勞試驗前A型扣件靜剛度數據

b.疲勞試驗后A型扣件靜剛度測試結果。

按照3.1試驗方法及流程，測得疲勞試驗后A型扣件靜剛度結果如表3，表4所示。

表3 疲勞試驗后A型扣件壓縮變形數據 mm

表4 疲勞試驗后A型扣件靜剛度數據

2)疲勞試驗前后A型扣件靜剛度變化率。

扣件1和扣件2疲勞試驗前后靜剛度測試對比結果如表5所示。

表5 疲勞試驗前后的靜剛度變化率

如表5所示，扣件1疲勞試驗前的靜剛度為19.8 kN/mm，疲勞試驗后的靜剛度為19.9 kN/mm，疲勞試驗后靜剛度增大0.5%；扣件2疲勞試驗前的靜剛度為19.7 kN/mm，疲勞試驗后的靜剛度為20.5 kN/mm，疲勞試驗后靜剛度增大4.1%。

3)A型扣件動剛度測試結果。

a.疲勞試驗前A型扣件動剛度測試結果。

按照3.1試驗方法及流程，測得疲勞試驗前A型扣件動剛度的結果如表6所示。

表6 疲勞試驗前A型扣件動剛度數據 kN/mm

b.疲勞試驗后A型扣件動剛度測試結果。

按照3.1試驗方法及流程，測得疲勞試驗后A型扣件動剛度的結果如表7所示。

表7 疲勞試驗后A型扣件動剛度數據 kN/mm

如表6,表7所示，扣件1疲勞試驗前的動剛度為26.3 kN/mm，疲勞試驗后的動剛度為26.4 kN/mm;扣件2疲勞試驗前的動剛度為25.9 kN/mm，疲勞試驗后的動剛度為26.8 kN/mm。

由測試結果可以得到A型扣件疲勞前后的動靜比如表8所示。

表8 A型扣件疲勞前后動靜比

4.2 疲勞試驗后A型扣件動態變形測試結果

按照3.3試驗方法要求，A型扣件動態變形測試結果如表9所示，疲勞前后的永久變形量如表10所示。

表9 A型扣件動態變形測試結果 mm

表10 A型扣件永久變形測試結果 mm

4.3 疲勞試驗前后A型扣件彈條扣壓力測試結果

按照3.3的試驗方法要求，測得A型扣件疲勞前后的彈條扣壓力值見表11。

如表11所示，扣件1疲勞試驗前的彈條扣壓力為17.3 kN，疲勞試驗后的彈條扣壓力為17.1 kN，疲勞試驗后彈條扣壓力減小1.2%；扣件2疲勞試驗前的彈條扣壓力為17.3 kN，疲勞試驗后的彈條扣壓力為17.2 kN，疲勞試驗后的彈條扣壓力減小0.9%。

表11 疲勞試驗前后A型扣件彈條扣壓力測試結果

4.4 疲勞試驗前后A型扣件縱向阻力測試結果

按照3.4的試驗方法要求，測得A型扣件疲勞前后的縱向阻力值見表12。

表12 A型扣件縱向阻力測試結果

如表12所示，扣件1疲勞試驗前的縱向阻力為9.1 kN，疲勞試驗后的縱向阻力為8.6 kN，疲勞試驗后縱向阻力減小5.5%；扣件2疲勞試驗前的縱向阻力為9.0 kN，疲勞試驗后的縱向阻力為8.4 kN，疲勞試驗后縱向阻力減小6.7%。

5 結語

1)本文所論述的扣件系統動靜剛度采用4個位移傳感器分布于扣件系統4個對角的新測法，提高了動靜剛度測量的準確性，減少了測量系統誤差，具備良好的實操性。2)扣件組裝疲勞試驗綜合考慮了國標和歐標的要求，設計專用的試驗儀器和工裝夾具，測試力學原理均能滿足標準要求，并增加疲勞過程中鋼軌的動態變形的測量，這種新的方法組合能更加客觀的反映出扣件產品的性能，達到檢測的目的。3)彈條扣壓力檢測方法項目設計了專用的試驗設備和工裝夾具，可以調整扣件固定的位置，以保證受拉點位于扣件系統中心，加載過程由微機自動控制，使測量方法更合理，測量結果更可靠。4)扣件縱向阻力測量方法考慮了工裝夾具間的間隙對測試結果的影響，可采用力控制和位移控制兩種測試方法，操作簡單數據可靠。

[1] EN 13146—2002，鐵路應用—軌道—扣件系統的試驗方法[S].

[2] BS EN ISO 3095—2001，鐵路工程—聲學—由軌道車輛發出的噪聲測量[S].

[3] GB/T 21527—2008，軌道交通扣件系統彈性墊板[S].

[4] TB/T 2491—94，扣件組裝疲勞試驗方法[S].

[5] 鐵道科學研究院.客運專線扣件系統暫行技術條件[Z].

[6] 許光輝，黃 浩，楊秀龍，等.減振扣件性能檢測報告 2015(1月)[R].廣州：廣州計量檢測技術研究院，2015.

[7] TB/T 2626—1995，鐵路混凝土軌枕下用橡膠墊板試驗方法[S].

Discussion on testing method of fastener products mechanical performance of urban rail transit

Xu Guanghui1,2Zhang Hanping2Huang Hao1Yang Xiulong1

(1.GuangzhouMeasurementTestTechnologyInstitute,Guangzhou510663,China;2.SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

From the fastener assembly fatigue test, buckle fastener pressure detection, fastener longitudinal resistance measurement and other aspects, this paper introduced the mechanical properties testing method of urban rail transit fasteners products, and tested the instruments and equipment production according to standard testing, verified the reliability of testing method.

track traffic, fastener, mechanical property, testing method

1009-6825(2016)13-0159-03

2016-02-22

許光輝(1979- )，男，工程師

U213.2

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