時速160 km城市快軌有擋肩扣件研究

冉 蕾 馬佳駿 劉雪鋒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 研究背景

根據受力結構的不同，扣件可分為有擋肩扣件和無擋肩扣件。國內城市軌道交通多采用無擋肩扣件，通過錨固螺栓將鐵墊板與軌枕聯結為一體，典型的有DTⅥ2型、DTⅢ2型、ZX-2型、ZX-3型等。無擋肩扣件的優點是調高和調距方便，且調整量大；缺點是列車速度較快或曲線半徑較小時，錨固螺栓受力過大。在部分城市軌道交通線路的運營過程中，發生過錨固螺栓受剪破壞的現象，增加了養護維修工作量。

有擋肩扣件由鐵墊板、軌距擋板、軌距塊、板下墊板、軌下墊板等部件組成，可直接將橫向力傳至軌枕擋肩上，錨固螺栓不再承受橫向力，優化了扣件的受力結構，延長了扣件使用壽命，對高速行車以及小半徑曲線的適應性較好。目前，高鐵扣件以有擋肩扣件為主，有代表性的扣件有WJ-8型、vossloh300型等[1-3]。

為了提供更大的扣壓力和彈性，高速鐵路扣件采用了尺寸較大的彈條，導致扣件、配套軌枕等部件尺寸均較大，造價較高。

隨著城市軌道交通設計速度的不斷提高，對軌道的穩定性、平順性提出了更高的要求，既有無擋肩扣件無法滿足高速行車的要求。為滿足大運量、高速度、少維修的運營條件，急需研究一種穩定性更好的扣件結構類型，以保證行車安全、平穩。

2 城市軌道交通扣件存在問題

現有城市軌道交通大多為整體道床，采用無擋肩彈性分開式扣件，根據各城市的地質條件、線路條件、運營習慣等，又可分為無螺栓扣件或有螺栓扣件。地鐵無螺栓扣件有ZX-3型、DTⅥ2型和單趾彈簧扣件等。有螺栓扣件有ZX-2型、DTⅢ2型和WJ-2A型小阻力扣件等。在運營過程中，均存在不同程度的問題。

2.1 無螺栓扣件彈條退出

無螺栓扣件靠彈條的變形提供扣壓力，其結構簡單，安裝方便，缺點是彈條拆卸易引起彈條塑性變形，從而導致扣壓力損失及彈條退出等情況(見圖1)。

圖1 無螺栓彈條退出

2.2 無螺栓扣件彈條折斷

無螺栓彈條的變形對扣壓力和應力影響較大，加工精度偏差、施工過程不規范都會造成彈條應力偏大。在高強度振動荷載下，容易引起彈條的折斷(見圖2)[9-10]。某城市地鐵曾發生彈條折斷飛起、將車站鋼化玻璃墻擊碎的情況。為防止車站彈條飛起傷人，需將車站范圍內的彈條用鐵絲串聯起來，并用綁扎帶進行固定。

圖2 無螺栓彈條斷裂

2.3 錨固螺栓折斷、套管失效

無擋肩扣件主要靠墊板摩擦力承受橫向力，當螺栓未擰緊或墊板摩擦系數較低時，將導致橫向力超過摩擦力的抵抗范圍。此時，橫向力傳到錨固螺栓上，易造成錨固螺栓彎曲、斷裂等問題(見圖3)。

另外，扣件調整量較大時，需要松開錨固螺栓進行調距，這個過程易造成套管螺紋損壞等問題。

圖3 扣件錨固螺栓斷裂

2.4 高架線和地下線扣件類型不統一

目前，城市軌道交通高架橋小阻力扣件多采用WJ-2A扣件或相同彈條的配套扣件，地下線一般采用無螺栓扣件或Ⅱ型彈條配套分開式扣件。地下線和高架線扣件結構差異較大，部件基本不能通用，造成運營備品備件種類繁多、養護維修非常不便。

綜上所述，軌道部件所存在的問題都會直接影響行車的安全性、平穩性，增大線路養護維修工作量。為解決以上問題，適應城市軌道交通運量大、小半徑曲線多、養護時間短的特點，需研究一種新型扣件。

3 有擋肩扣件研究

3.1 研究思路

(1)解決扣件存在的主要問題

目前，城市軌道交通扣件存在彈條斷裂、T型螺栓后傾或折斷、錨固螺栓折斷、軌下墊板脫出等問題。應對扣件各部件的受力結構進行研究，以解決目前存在的問題。

(2)滿足160 km/h線路的使用條件

針對160 km/h運行速度，應提高扣件的橫向剛度，在保持鋼軌垂向位移控制要求的前提下，盡量減少軌頭橫向位移，提高軌道在高速行車下的穩定性。

(3)地下線與高架線通用

目前，城市軌道交通地下線和高架線分別采用不同的扣件，造成備品備件種類較多，養護維修不便。因此，扣件應采用地下線與高架線通用的結構。

(4)降低扣件的造價

應盡量優化各部件尺寸，降低扣件的造價，使新扣件造價與普通地鐵扣件相當。

3.2 主要設計參數

(1)設計荷載

扣件的受力取決于諸多因素：如車輛的軸重、固定軸距、曲線半徑、鋼軌抗彎剛度、扣件剛度等。目前，尚未有公認成熟的理論計算來確定單個扣件的橫向力，一般通過經驗公式估算，并通過測試加以驗證。其中，垂向力為

R=0.5ψW

式中ψ——動載系數，根據《城際鐵路設計規范》，設計速度小于等于160 km/h取2.0；

W——名義輪重。

橫向力為

H=0.6×R(小半徑曲線)

車輛軸重按17 t計算，垂向力R=85 kN；橫向力H=51 kN。

(2)扣壓力和縱向阻力取值

有砟軌道混凝土枕用扣件的防爬阻力必須大于道床縱向阻力。而無砟軌道的縱向阻力完全取決于扣件縱向阻力，設計時可參考有砟軌道的縱向阻力相當值[2，15，16]。

《城際鐵路設計規范》中規定，設計速度為160 km/h時，有砟軌道道床縱向阻力≥12 kN/枕(20 kN/m)。常阻力扣件采用Ⅱ型彈條，扣壓力為10 kN；橡膠墊板與鋼軌之間摩擦系數取0.65，軌距塊與鋼軌之間摩擦系數取0.25，縱向阻力r=2×10(0.25+0.65)/0.6=31.6 kN/m，扣件防爬阻力大于道床縱向阻力，可滿足無縫線路鋪設要求。

高架橋小阻力扣件采用“小阻力彈條+復合墊板”的組合，根據無縫線路檢算[11]，建議防爬阻力取10 kN/m，復合墊板與鋼軌之間摩擦系數取0.25，軌距塊與鋼軌之間摩擦系數取0.25，縱向阻力r=2×6(0.25+0.25)/0.6=10 kN/m，小阻力彈條扣壓力按照6 kN進行設計。

(3)靜剛度

扣件節點垂向剛度應以30 kN/mm左右為宜[20]，與《地鐵設計規范》中要求的20～40 kN/mm及《城際鐵路設計規范》中20～30 kN/mm一致。

(4)軌距、高低調整量

扣件軌距調整量為±12 mm，高低調整量為30 mm，滿足無砟軌道軌距加寬、施工誤差等的調整要求。

3.3 扣件結構設計

(1)扣件方案設計

采用有擋肩、有螺栓結構，將橫向力通過軌距擋板傳至軌枕擋肩上，錨固螺栓不再承受橫向力，優化了受力結構，延長了扣件使用壽命，對高速行車以及小半徑曲線的適應性更好。扣件由螺旋道釘、平墊圈、彈條(II型彈條和小阻力彈條)、絕緣塊、軌距擋板、軌下墊板(普通墊板和復合墊板)、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預埋套管組成(見圖4)。

圖4 有擋肩扣件組裝示意(單位：mm)

該有擋肩扣件主要有以下特點。

①在WJ-8型扣件基礎上，針對城際及市域鐵路的運營條件，進行了優化設計。

②扣件系統為帶鐵墊板的彈性不分開式扣件，混凝土軌枕或軌道板承軌槽設混凝土擋肩，由鋼軌傳遞而來的列車橫向荷載通過鐵墊板和軌距擋板傳遞至混凝土擋肩，降低了橫向荷載的作用位置，使結構更加穩定。

③扣壓件采用國鐵Ⅱ型彈條，經過了幾十年的運營考驗，技術成熟，通用性好，造價較低。

④通過軌距擋板和絕緣軌距塊共同實現軌距調整，調整量大，且調整方便。

⑤同一結構可安裝多種彈條(II型彈條和小阻力彈條)，配合使用摩擦系數不同的軌下墊板(橡膠墊板或復合墊板)可獲得不同的線路阻力。

(2)靜力計算

采用ANSYS有限元分析軟件建立扣件的有限元模型，通過模擬扣件工作過程中的實際受力情況，對其靜剛度及各零部件的受力進行分析，驗證扣件力學性能是否滿足使用要求。

① 計算荷載說明

在工作過程中，ZX-2Y型扣件主要承受車輪傳遞至鋼軌軌頭的垂向荷載和橫向荷載，內部荷載為螺旋道釘擰緊后產生的對彈條的壓力，進而產生對軌距塊和軌距擋板的壓力。模型加載情況如圖5所示(已對軌枕底面進行約束處理)。

圖5 扣件加載方案示意

②計算模型

本模型中，鋼軌為60kg/m鋼軌，軌枕為有擋肩軌枕。為檢驗小阻力彈條性能，扣件各零部件均采用實體模型；為保證計算效率，在不影響計算結果的情況下，對扣件模型進行簡化，主要包括：

簡化螺旋道釘的螺紋，螺栓直徑保持不變；

省略平墊圈和絕緣套管；

對軌距擋板和軌距塊形狀進行簡化；

去除扣件模型中非關鍵部分R3以下的圓角。

③ 網格劃分

單元劃分采用3D實體單元中的SOLID45實體元，采用自由劃分的方式進行網格劃分，劃分結果如圖6所示。

圖6 扣件有限元模型

④計算參數

扣件各部件材料屬性見表1。

⑤組裝靜剛度計算

通過向組裝扣件系統的鋼軌施加垂直于鋼軌底面的荷載，計算鋼軌在荷載作用下產生的相對于軌枕的位移。根據產生單位位移變化增加的垂向力來確定組裝扣件系統的靜剛度[8，14]。

表1 扣件各部件材料屬性

注：鐵墊板下彈性墊板靜剛度為30 kN/mm。

對鋼軌分別施加5 kN和55 kN的垂向作用力，計算出兩種荷載作用下的鋼軌位移分別為1.721 mm和0.157 mm(如圖7所示)。

圖7 鋼軌位移

扣件的組裝靜剛度為

(1)

⑥受力檢算

對有擋肩扣件螺栓的預緊方式進行簡化處理，建立如圖8所示的有限元模型，對鋼軌和軌距擋板進行約束，在螺栓上施加預緊力，通過調整預緊力的大小來計算彈條扣壓力。通過計算得出，當預緊力為12.5 kN時，彈條的扣壓力為6 kN。

在分析過程中，為鋼軌施加垂向85 kN、橫向51 kN的靜荷載，并對兩螺栓分別施加12.5 kN的預緊力，計算扣件各部件的受力情況，分析各部件的受力狀態，見圖9和表2。

圖8 螺栓預緊力計算有限元模型

圖9 各部件應力

表2 各部件計算結果匯總 MPa

經計算，有擋肩扣件的組裝靜剛度為32.0 kN/mm，在列車靜載作用下，各部件的受力特性滿足要求[17-19]。

3.4 扣件試驗試制及室內試驗

根據設計方案，對扣件進行相關試驗，并進行部件的組裝試驗，驗證其性能。

(1)彈條試驗

針對新型小阻力彈條，進行了尺寸、外觀、裂紋、硬度、金相組織、表面脫碳層、殘余變形、扣壓力、疲勞性能等試驗。

經檢驗，小阻力彈條的尺寸、金相組織、脫碳層滿足設計技術要求，扣壓力在5.5～6.5 kN之間，殘余變形小于1 mm，疲勞試驗后彈條無損傷，疲勞變形小于1 mm。試驗結果均滿足設計要求。

(2)扣件組裝試驗

按照《高速鐵路扣件系統試驗方法》的測試要求，對扣件進行組裝疲勞試驗(見圖10)[4-7]。

圖10 有擋肩扣件組裝疲勞試驗

取常阻力扣件、小阻力扣件、小阻力調高扣件(調至最大調高量時)各兩組分別進行組裝疲勞試驗，試驗結果見表3。

表3 扣件組裝疲勞性能結果

扣件的各項試驗均滿足規范的要求，疲勞試驗前后，軌距加寬、扣壓力變化、靜剛度變化、縱向阻力變化均滿足要求。

4 結論

(1)理論計算表明，有擋肩扣件具有較大的抗橫

向力，鋼軌穩定性好，剛度均勻，可適用于時速160 km城市快軌。

(2)該扣件地下線與高架線可通用，僅通過更換彈條和軌下墊板就可調節縱向阻力，備品備件少，方便養護維修。

(3)組裝疲勞試驗表明，軌距擴張量、靜剛度、扣壓力、縱向阻力變化率均滿足相關標準的要求。