重載道岔用預埋鐵座方案設計研究★

何雪峰　許有全　冉　磊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

1　概述

為適應我國重載鐵路發展需要，1996年在彈條Ⅲ型扣件科研成果的基礎上研制了預埋鐵座式扣件系統：軌枕上預埋鐵座、采用Ⅲ型彈條扣壓鐵墊板，預埋鐵座材料為黑心可鍛鑄鐵(kTH350-10),最小抗拉強度350 MPa；抗橫向水平力能力為靜態100 kN，動態70 kN。該預埋鐵座扣件運營中發現：在軌枕上表面和預埋鐵座交界面附近，鐵座有開裂現象。2000年設計對預埋鐵座材料進行優化，采用球墨鑄鐵(QT450-10)，最小抗拉強度為450 MPa。

2006年，泰國機場線道岔結構設計采用了Ⅱ型彈條預埋鐵座式扣件系統；2007年，國鐵小半徑曲線采用了預埋鐵座扣件系統，主要用于50 kg/m鋼軌、半徑為250 m～350 m的曲線地段。

從圖1,圖2對比可知，傳統螺釘緊固鐵墊板與岔枕聯結方式相比，采用預埋鐵座扣件系統，能減少塑料套管失效、螺釘折斷等傷損問題，具有抗橫向力能力強、穩定性好等優點。為滿足國內30 t軸重鐵路發展需要，重載道岔采用了預埋鐵座扣件系統，并在國內外研究的基礎上改進和優化，以延長其使用壽命。

下面給出了三種預埋鐵座設計方案，從容許應力、安全儲備等方面進行了比選，以確定最終設計方案。

2　計算參數選取

貨車軸重30 t；動輪載180 kN；預埋鐵座橫向力85 kN；預埋鐵座材質：QT450-10(球墨鑄鐵)，屈服強度310 N/mm2，抗拉強度450 N/mm2。采用有限元法計算預埋鐵座受力，其中混凝土對鐵座的約束考慮為線性彈簧，自鐵座頂面向下建立坐標系，如圖3所示。

3　計算結果分析

三種預埋鐵座方案如圖4～圖6所示。為降低鐵座預埋部分所受應力、減少應力集中現象，在國鐵線路用預埋鐵座基礎上，方案一、方案二設計時調整了鐵座中預埋部分尺寸。

從圖7和表1中數據可以看出。國鐵線路用預埋鐵座在軌枕上表面所受拉應力為142 MPa，最大拉應力為226 MPa，出現在距鐵座頂部72 mm處，球墨鑄鐵的屈服強度為310 MPa，安全儲備系數為137%，在鐵座32 mm寬度處應力集中明顯。

表1　三種預埋鐵座方案應力比較

鐵座類型岔枕表面應力最大應力應力值/MPa安全系數應力值/MPa應力范圍/mm安全系數國鐵線路用1422.18226721.37結構一26.911.5315868～1051.96結構二26.911.5315468～1052.01

結構一在軌枕上表面所受拉應力為26.9 MPa，最大拉應力為158 MPa，范圍是距離鐵座頂部68 mm～105 mm位置，最大拉應力分布均勻，安全儲備系數196%。

結構二在軌枕上表面所受拉應力為26.9 MPa，最大拉應力為154 MPa，范圍是距離鐵座頂部68 mm～105 mm位置，最大拉應力分布均勻，安全儲備系數201%。

從三種方案數據比較可知，國鐵線路用預埋鐵座所受拉應力較大，且存在應力集中現象，方案一和方案二應力集中不明顯，應力峰值分布均勻，方案二所受應力最小，安全系數最高，因此推薦重載道岔預埋鐵座采用結構二形式。

4　預埋鐵座扣件系統試驗研究

按照預埋鐵座抗拔力試驗方法，對岔枕預埋鐵座進行了抗拔力試驗，預埋鐵座抗拔力加載60 kN時，試驗結果合格，滿足重載岔枕技術條件要求，同時現場試驗荷載加載到100 kN時，岔枕和鐵座無傷損，滿足使用要求。

預埋鐵座扣件系統經過室內200萬次組裝疲勞試驗，結果表明：扣件系統沒有發生破裂損壞，疲勞試驗結束后軌距擴大量均值為1 mm，滿足重載道岔技術條件要求。

預埋鐵座扣件系統通過抗拔力和組裝疲勞試驗后，在我國第一條30 t軸重重載鐵路——山西中南部鐵路通道和張鐵路上道應用，如圖8所示，從2014年年底開通到現在，該扣件系統使用狀況良好，沒有發現鐵座開裂、折斷等現象。

5　結語

為滿足30 t軸重重載道岔設計需要，提高扣件系統強度和穩定性，采用了預埋鐵座扣件系統，對三種預埋鐵座方案進行了比選，主要結論如下：1)方案二在軌枕表面應力和最大拉應力方面都優于其他兩個方案，安全儲備系數2.01，所受拉應力遠低于鐵座材料屈服強度310 N/mm2，推薦本方案為設計方案。2)預埋鐵座扣件系統通過了上拔力和室內組裝疲勞試驗，滿足相應技術條件要求。3)預埋鐵座扣件系統在山西中南部30 t軸重重載鐵路、張唐鐵路線使用，效果良好。