高速鐵路無砟軌道扣件彈條失效標(biāo)準(zhǔn)研究

趙 勇，張 歡，李子睿，李承亮，孫林林，肖俊恒

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

扣件系統(tǒng)的作用是固定鋼軌，保持軌距，并阻止鋼軌的縱橫向移動和傾翻[1]，是軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵部件。扣件主要由彈條、螺旋道釘、軌距擋板、彈性墊板等零部件組成。由于線路運營時間長、行車密度高、維修條件差，要求扣件必須具有足夠的強(qiáng)度和耐久性。因此，研究影響扣件系統(tǒng)失效的因素，提出彈條失效標(biāo)準(zhǔn)，評價扣件服役狀態(tài)，對于提高軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性意義重大。

1 影響彈條失效的主要因素

我國高速鐵路運營里程已經(jīng)超過2.5萬km，其中無砟軌道約1.6萬km，研究高速鐵路無砟軌道扣件彈條失效標(biāo)準(zhǔn)，對于高速鐵路運營安全具有重要意義。扣件系統(tǒng)的作用主要由彈條扣壓力提供，彈條扣壓力衰減會造成鋼軌縱向爬行和鋼軌橫向傾翻。本文對鋼軌縱向阻力在限制工況下和鋼軌傾翻工況下彈條扣壓力的失效限值進(jìn)行研究，提出現(xiàn)場可以快捷檢測的彈條失效標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 鋼軌縱向阻力在限制工況下彈條扣壓力的限值

扣件設(shè)計中，鋼軌縱向阻力是關(guān)鍵參數(shù)之一[2]。鋼軌縱向阻力過小時，鋼軌與軌枕過早產(chǎn)生相對位移，不能充分發(fā)揮道床中阻力對軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用，鋼軌縱向移動造成斷縫，危及行車安全。限制工況下鋼軌縱向阻力的限值參照現(xiàn)行的TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計規(guī)范》[3]中規(guī)定的鋼軌斷縫值來確定。計算極限工況下彈條扣壓力，為后續(xù)確定彈條失效限值提供重要參數(shù)。

1.1.1 鋼軌縱向阻力最小限值

高速鐵路無砟軌道的下部基礎(chǔ)為剛性連接，保持幾何形位能力較強(qiáng)，道床縱向阻力不是控制性參數(shù)。

焊接長鋼軌斷縫值按規(guī)范[3]中公式進(jìn)行計算。

(1)

式中：λ為鋼軌斷縫值，困難地段取90 mm;E為彈性模量，取2.1×105MPa；A為鋼軌截面面積，60 kg/m鋼軌取77.45 cm2；α為線膨脹系數(shù)，取11.8×10-6℃-1；ΔTdmax為最大溫降幅度，漠河最低軌溫為-52.3 ℃，設(shè)計鎖定軌溫上限取12.5 ℃，最大溫降幅度為64.8 ℃；r為線路縱向阻力，kN/mm。

根據(jù)式(1)，反算出線路縱向阻力為10.57 kN/mm，扣件節(jié)點間距取600 mm，即一組扣件的鋼軌縱向阻力為6.3 kN。故根據(jù)焊接長鋼軌允許斷縫值90 mm得出無砟軌道鋼軌縱向阻力限值為6.3 kN。

1.1.2 縱向阻力與扣壓力的關(guān)系

通過室內(nèi)扣件組裝扣壓力和鋼軌縱向阻力的試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，得出各類型扣件的縱向阻力與扣壓力基本成線性關(guān)系[4]。縱向阻力與扣壓力的比值即為綜合摩擦系數(shù)μ。其公式為

(2)

式中：F為一組扣件鋼軌縱向阻力；P為單個彈條扣壓力，2P即為組裝扣壓力。

根據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，鋼軌與軌下墊板的摩擦系數(shù)約為0.5，鋼軌與絕緣軌距塊的摩擦系數(shù)約為0.2，故可將無砟軌道扣件的綜合摩擦系數(shù)μ(小阻力扣件除外)取0.7。即鋼軌縱向阻力與組裝扣壓力的比值為0.7。

1.1.3 彈條扣壓力失效限值

根據(jù)鋼軌縱向阻力限值和綜合摩擦系數(shù)可確定單個彈條扣壓力的限值。無砟軌道扣件中WJ-7型和WJ-8型扣件均采用W1型彈條。根據(jù)式(2)，結(jié)合前述確定的鋼軌縱向阻力最小限值和綜合摩擦系數(shù)，確定鋼軌縱向阻力在限制工況下W1型彈條扣壓力失效限值為4.5 kN。

1.2 鋼軌傾翻工況下彈條扣壓力限值

保持軌距防止鋼軌傾翻是扣件系統(tǒng)的主要功能，鋼軌傾翻扭轉(zhuǎn)會引起動態(tài)軌距擴(kuò)大，軌距擴(kuò)大量過大會導(dǎo)致列車脫軌。根據(jù)鋼軌傾翻計算理論可分析彈條扣壓力對鋼軌傾翻的影響。

1.2.1 計算參數(shù)選取

1)鋼軌扭轉(zhuǎn)剛度

鋼軌扭轉(zhuǎn)剛度為使單位長度鋼軌產(chǎn)生單位扭轉(zhuǎn)角時施加的扭矩。鋼軌扭轉(zhuǎn)剛度是計算鋼軌傾翻角的關(guān)鍵參數(shù)之一，分析并確定鋼軌扭轉(zhuǎn)剛度是計算不同扣壓力下鋼軌傾翻量的關(guān)鍵。高速鐵路采用60 kg/m鋼軌，其截面計算參數(shù)見表1。

表1 鋼軌截面計算參數(shù)[5]

利用有限元計算軟件ANSYS對單位長度60 kg/m鋼軌扭轉(zhuǎn)角和扭矩進(jìn)行了計算。有限元計算模型見圖1。計算結(jié)果見圖2，由此可得60 kg/m鋼軌的扭轉(zhuǎn)剛度為172.5 kN·m2/rad。

圖1 鋼軌扭轉(zhuǎn)剛度的有限元計算模型

圖2 單位長度鋼軌扭轉(zhuǎn)角與扭矩之間的關(guān)系

2)扣件間距

扣件間距直接影響鋼軌傾翻角。在傾翻力矩相同的情況下，扣件間距越大鋼軌傾翻量也越大。目前我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)形式較多，WJ-7型扣件一般應(yīng)用于CRTSⅠ型板式軌道中，扣件間距629 mm；WJ-8型扣件一般應(yīng)用于雙塊式、CRTSⅡ型板式和CRTSⅢ型板式軌道中，其扣件間距分別為650,650，630 mm。本次計算時WJ-7型扣件間距取629 mm，WJ-8型扣件間距分別取630,650 mm。

3)輪軌力取值

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的規(guī)定，高鐵扣件組裝疲勞性能試驗循環(huán)荷載的最大荷載Pmin為70 kN，由PV/cosα=Pmin,α為荷載作用線與鋼軌底面垂直線的夾角,得出垂向疲勞荷載PV為62.9 kN、橫向疲勞荷載PL為30.7 kN。參考前期扣件疲勞荷載取值的研究成果，輪軌力垂向分配系數(shù)取0.4，橫向分配系數(shù)取0.7，將單節(jié)點扣件的疲勞荷載換算成輪軌力，得出輪軌垂向力為157.3 kN，輪軌橫向力為43.9 kN。

1.2.2 扣壓力限值計算結(jié)果

根據(jù)鋼軌傾翻計算理論和計算模型[7-8]，當(dāng)扣件扣壓力正常時和扣壓力衰減為0時，分別對WJ-7型和WJ-8型扣件的鋼軌軌頭橫移量進(jìn)行了計算，結(jié)果見表2。

表2 鋼軌軌頭橫移量計算結(jié)果

由表2可見：在理論輪軌力作用下彈條扣壓力衰減對鋼軌軌頭動態(tài)橫移量的影響不明顯，當(dāng)彈條扣壓力衰減為0時鋼軌軌頭動態(tài)橫移量仍小于2 mm，滿足規(guī)范[9]對鋼軌軌頭橫移量的要求。因此，鋼軌軌頭橫移量不是控制彈條扣壓力的因素。

1.3 現(xiàn)場彈條下顎與絕緣塊離縫限值

根據(jù)維修規(guī)則[10]的規(guī)定：WJ-7型扣件、WJ-8型扣件的彈條養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)均為“彈條中部前端下顎與絕緣塊不宜接觸，兩者間隙不得大于1 mm，即彈條離縫不得大于1 mm”。若彈條離縫過大，會引起彈條扣壓力過小，甚至危及行車安全。但經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，彈條離縫最大值為2 mm。故考慮現(xiàn)場的養(yǎng)護(hù)維修實際情況，最終確定彈條離縫最大值為2 mm。

2 彈條失效標(biāo)準(zhǔn)的確定

彈條失效標(biāo)準(zhǔn)的確定要考慮到養(yǎng)護(hù)維修實施狀況，在現(xiàn)場能快捷檢測。以往在現(xiàn)場檢測彈條扣壓力的方法，作業(yè)不方便，需選用更為方便測試的參數(shù)來作為評判彈條失效的指標(biāo)。

2.1 用彈條彈程判定彈條失效

彈條的扣壓力與彈程具有線性關(guān)系，且直徑的變化也影響著扣壓力的變化，且這2個指標(biāo)在現(xiàn)場能夠快速測定，可將彈條的彈程和直徑作為評判彈條失效的指標(biāo)。

2.1.1 通過彈程確定彈條失效限值

W1型彈條的設(shè)計扣壓力為9 kN，設(shè)計彈程為14 mm，根據(jù)彈條彈程與扣壓力之間的線性關(guān)系，可得出彈條彈程的限值s。

(3)

式中：s0為彈條設(shè)計彈程，P0為設(shè)計扣壓力，PL為彈程達(dá)到限值時彈條的扣壓力。

根據(jù)1.1.3中確定的彈條扣壓力失效限值4.5 kN，計算出彈條彈程的限值為7 mm。從偏于安全考慮，再考慮W1型彈條中肢的最大允許離縫2 mm，最終W1型彈條彈程的限值為9 mm。

2.1.2 通過直徑確定彈條失效限值

彈條在使用過程中不可避免地因環(huán)境因素產(chǎn)生不同程度的銹蝕，彈條直徑發(fā)生變化[11]，從而扣壓力也會發(fā)生改變。彈條是靠彎曲和扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生變形。在彈條彈程相同的情況下，不同直徑彈條的扣壓力與彈條直徑的4次方成正比，即

(4)

式中：d0為彈條初始直徑，d為彈條變細(xì)后的直徑，P′為 直徑為d時彈條的扣壓力。

根據(jù)上述關(guān)系，分別考慮彈條三點接觸和彈條中肢離縫2 mm 2種狀態(tài)，對不同銹蝕程度彈條的扣壓力進(jìn)行計算。

W1型彈條設(shè)計直徑14 mm，設(shè)計扣壓力10 kN，設(shè)計彈程14 mm，2種狀態(tài)下W1型彈條扣壓力與直徑的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 W1型彈條扣壓力與直徑的關(guān)系曲線

W1型彈條扣壓力的限值為4.5 kN。由圖3(b)可見：當(dāng)彈條中肢離縫2 mm時W1型彈條直徑限值為12.1 mm，取12.5 mm。

綜合分析彈條的彈程和直徑2個失效指標(biāo)，最終確定彈條的綜合失效限值。在彈條扣壓力失效限值確定的情況下，同時考慮彈條銹蝕的影響，W1型彈條中肢的最大允許離縫統(tǒng)一考慮為2 mm，彈條直徑考慮從設(shè)計值到限值間每0.5 mm一級，彈條失效標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 高鐵無砟軌道扣件W1型彈條失效標(biāo)準(zhǔn)

2.2 彈條失效標(biāo)準(zhǔn)的試驗驗證

為了驗證彈條失效標(biāo)準(zhǔn)制定的合理性，要對其進(jìn)行試驗驗證。試驗主要分為室內(nèi)試驗和現(xiàn)場抽測。室內(nèi)試驗主要進(jìn)行鋼軌縱向阻力測定和組裝疲勞性能試驗，分別驗證鋼軌縱向阻力和鋼軌軌頭橫移量2個參數(shù)是否滿足要求。現(xiàn)場抽測主要抽測不同高鐵線路W1型彈條的彈程和直徑，檢查現(xiàn)場的服役彈條有無失效情況。

2.2.1 室內(nèi)試驗

1)鋼軌縱向阻力測定

將彈程達(dá)到限值9 mm的W1型彈條分別成套組裝在WJ-7型和WJ-8型扣件中，安裝時考慮2 mm的離縫，按照規(guī)范[12]的要求進(jìn)行鋼軌縱向阻力的測定，試驗如圖4所示，試驗結(jié)果見表4。可見：WJ-7型扣件和WJ-8型扣件的鋼軌縱向阻力均大于其失效限值6.3 kN，即W1型彈條彈程達(dá)到限值9 mm時，扣件能夠阻止鋼軌的縱向竄動。

圖4 鋼軌縱向阻力試驗

扣件類型鋼軌縱向阻力/kNWJ-7型6.7WJ-8型7.3

2)組裝疲勞性能試驗

將彈程達(dá)到限值9 mm的W1型彈條分別成套組裝在WJ-7型和WJ-8型扣件中，安裝時考慮2 mm的離縫，按照規(guī)范[6]的要求進(jìn)行組裝疲勞性能試驗。試驗結(jié)果見表5。可見：WJ-7型和WJ-8型扣件的鋼軌軌頭橫移量均<2 mm，即W1型彈條彈程達(dá)到限值9 mm 時扣件能夠防止鋼軌的傾翻。

表5 鋼軌軌頭橫移量

2.2.2 現(xiàn)場抽測情況

對哈齊、哈大、滬寧、廣珠、包西、海南東環(huán)、蘭新、滬昆、津秦、大西、杭甬等28條線路的W1型彈條進(jìn)行了抽測。抽測樣本數(shù)量為539個，主要對彈條的彈程和直徑進(jìn)行了觀測和統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果見圖5。

圖5 W1彈條的彈程和直徑統(tǒng)計結(jié)果

由圖5可以看出：①彈條彈程在12～13 mm區(qū)間和13～14 mm區(qū)間占的比重較大，分別為61.7%和24%,11～12 mm區(qū)間占的比重僅為5.4%。②彈條直徑在14～15 mm區(qū)間占的比重最大，為84.6%，13～14 mm 區(qū)間占的比重為14.8%，12～13 mm區(qū)間占的比重僅為0.6%。

經(jīng)統(tǒng)計，目前W1型彈條最長服役時間為8年，最大通過總重為330.77 Mt，其中現(xiàn)場抽測彈條彈程的最小值為11.04 mm，對應(yīng)直徑為14.13 mm，使用時間為3.5年，通過總重為15.91 Mt；彈條直徑最小值為12.80 mm，對應(yīng)彈程為14.05 mm，使用時間為4.5年，通過總重為90.97 Mt。所有彈條彈程和直徑的數(shù)值均大于彈條綜合失效限值，即目前我國高鐵無砟軌道扣件正常使用狀態(tài)下的W1型彈條均沒有失效。

3 結(jié)論

1)彈條扣壓力是影響彈條失效的主要因素。鋼軌傾翻不是影響彈條扣壓力失效限值選擇的因素。根據(jù)焊接長鋼軌允許斷縫值得出無砟軌道扣件W1型彈條扣壓力限值為4.5 kN。

2)根據(jù)彈條扣壓力的影響因素，將彈程和直徑作為評判彈條失效的指標(biāo)。通過這2個指標(biāo)可快速檢測彈條狀態(tài)。W1型彈條失效標(biāo)準(zhǔn)為：中肢最大允許離縫為2 mm情況下，彈條直徑考慮從設(shè)計值到限值間每0.5 mm一級，對應(yīng)不同的彈程限值。

3)經(jīng)過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場對服役彈條的抽測，驗證了彈條失效標(biāo)準(zhǔn)的合理性。現(xiàn)場檢測快速，可操作性好。

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