朔黃鐵路扣件強化措施及應用效果

張斌 張歡 郄錄朝 李子睿 崔樹坤 李彥山

1.國能朔黃鐵路發展有限責任公司，河北肅寧 062350；2.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

朔黃鐵路是我國重要的西煤東運通道，始發站為神池南站，終點為黃驊港口貨場，正線總長近598 km，年累計通過總質量約3.0億t［1］。目前朔黃鐵路主要采用彈條Ⅱ型扣件。通過現場調研和長期跟蹤觀測發現彈條Ⅱ型扣件已不適應30 t及以上軸重的運營要求。為了朔黃鐵路列車的運營安全，延長扣件養護維修周期，必須對彈條Ⅱ型扣件提出強化措施。

1 彈條Ⅱ型扣件使用現狀

1.1 軌下墊板及軌枕承軌槽

目前朔黃鐵路彈條Ⅱ型扣件配置的軌下墊板有大剛度的軌下墊板（靜剛度250～400 kN/mm）以及普通橡膠墊板［2］。鋪設軌下墊板區段軌枕承軌槽有磨損現象，鋪設普通橡膠墊板區段部分軌下墊板有壓潰或竄動現象。

1.2 彈條

部分彈條松弛嚴重，彈條中肢有明顯離縫。部分橋梁區段和鋼軌接頭區有個別彈條折斷。

1.3 軌距擋板

個別區段調整軌距時沒有選擇合適的軌距擋板，軌距擋板扣壓不到位，使其側棱擋肋移至軌底上表面，以這種方式安裝的扣件抵抗鋼軌橫向力的能力大幅減弱，給行車安全帶來不利影響。此外存在軌距擋板壓舌磨損的情況，軌距擋板壓舌設計厚度8 mm，部分壓舌厚度僅4 mm。

1.4 擋板座

朔黃鐵路列車軸重為25 t，列車通過時引起的橫向力較大［3］。部分扣件外側擋板座受擠壓而上滑，有的甚至斷裂。

2 扣件結構強化方案

保持了既有扣件和軌枕的接口尺寸不變，對扣件的軌下墊板、彈條、軌距擋板、擋板座四個部件進行強化。強化后的扣件命名為SH?J型扣件。

2.1 彈條

Ⅱ型彈條的強化主要考慮調整彈條的扣壓力、彈程、直徑、側肢拱高、外撇尺寸等，同時兼顧彈條緊固扭矩、工作應力、疲勞強度等綜合設計。將強化后的彈條命名為W3型彈條，見圖1。

圖1 彈條強化前后對比（單位：mm）

采用有限元法對強化前后彈條技術參數進行對比，結果見表1。應力幅值為根據額定疲勞振幅計算所得。可見：①強化后彈條扣壓力增大15%，提高了抗橫向荷載能力；②強化后彈條安裝狀態的最大工作應力比強化前降低151 MPa，額定疲勞振幅下應力幅值降低21 MPa，強化后彈條安全儲備更足；③強化后緊固扭矩僅增大20 N·m，現場施工可行。

表1 強化前后彈條技術參數對比

2.2 軌下橡膠墊板

軌下橡膠墊板在我國鐵路扣件中大量采用，大部分墊板服役性能良好，但也存在部分橡膠墊板壓潰現象［4］。分析其原因：①經長期研究使用，已制定了較為合理的TB/T 2626—1995《鐵道混凝土枕軌下用橡膠墊板技術條件》，產品質量基本得到控制，但不同廠家生產的墊板質量存在一定差異；②因現場軌道服役條件惡劣（鋼軌有波磨、道床板結造成下部基礎剛度較大等情況），墊板受力不良［5］；③小半徑曲線段由于輪軌橫向力和鋼軌傾翻量較大使得部分軌下墊板出現單邊壓潰現象［6］。

應綜合考慮軌道各部件的受力狀態，選用性能優良的材料制作墊板。基于國內外相關研究［7-10］，經比選采用熱塑性聚酯彈性體（Thermoplastic Polyester Elastomer，TPEE）材料來生產軌下墊板。利用電子拉力試驗機、老化試驗箱、萬能試驗機等設備對TPEE軌下墊板的各項物理性能指標和剛度進行測試，結果見表2。可見：TPEE軌下墊板的物理性能指標、靜剛度和動靜剛度比均滿足技術要求。

表2 TPEE軌下墊板物理性能指標和剛度測試結果

該種墊板不僅強度大、不易被壓潰，而且長期服役后靜剛度變化率較小。軌下墊板采用凸臺結構，見圖2。

圖2 TPEE軌下墊板結構

2.3 軌距擋板

與彈條Ⅱ型扣件相比，SH?J型扣件加大了軌距擋板寬度。經過受力分析，對軌距擋板側棱的擋肋適當加高，如圖3所示。

圖3 軌距擋板強化措施

2.4 擋板座

與彈條Ⅱ型扣件相比，SH?J型扣件適當加長擋板座（由112 mm加長到了127 mm），降低擋板座承壓應力，改善其受力狀態，以減小擋板座對軌枕擋肩的作用力。

3 SH?J型扣件應用效果

3.1 現場鋪設

朔黃鐵路試驗段（K66+176—K66+793）為半徑600 m曲線，總長617 m，線下基礎為路基。2013年10月31日在試驗段鋪設SH?J型扣件，見圖4。在既有道床和軌枕不更換的情況下，將彈條Ⅱ型扣件換鋪為SH?J型扣件。

圖4 試驗段鋪設情況

3.2 軌道結構動力性能測試

在鋪設的SH?J型扣件試驗段開展了軌道結構動力性能測試，并選取與試驗段相同工況（半徑600 m曲線，75 kg/m鋼軌和Ⅲa型軌枕，彈條Ⅱ型扣件采用橡膠墊板、靜剛度55~80 kN/mm）的對比段。試驗列車均為30 t軸重重載列車。

3.2.1 鋼軌支點壓力

鋼軌支點壓力測試結果見表3。可知：30 t軸重試驗列車通過時SH?J型扣件試驗段鋼軌支點壓力比彈條Ⅱ型扣件對比段略大，但其最大支點壓力（96.3 kN）仍小于軌枕承載限值（150 kN），具有較大安全余量。

表3 鋼軌支點壓力測試結果

3.2.2 扣件橫向強度

朔黃鐵路小半徑曲線較多，30 t軸重重載列車通過時輪軌橫向力較大。為驗證SH?J型扣件的橫向強度，對其扣件節點橫向力進行測試。30 t軸重試驗列車以40、60 km/h速度通過測點時SH?J型扣件節點橫向力最大值分別為30.0、41.5 kN，小于設計限值（70 kN），具有較高的安全儲備。

3.2.3 扣件保持軌距能力

鋼軌軌頭最大橫移量見表4。可知：SH?J型扣件試驗段和彈條Ⅱ型扣件對比段鋼軌軌頭最大橫移量分別為1.62、1.81 mm，均小于維修限值3.0 mm。從內外軌測試數據來看，SH?J型扣件試驗段鋼軌軌頭最大橫移量均小于彈條Ⅱ型扣件對比段，表明SH?J型扣件保持軌距的能力比彈條Ⅱ型扣件強。

表4 鋼軌軌頭最大橫移量

3.3 試驗段長期跟蹤觀測

為了研究朔黃鐵路扣件零部件的劣化傷損規律，對試驗段的SH?J型扣件W3型彈條和對比段的彈條Ⅱ型扣件Ⅱ型彈條的彈程，以及兩種扣件軌下墊板的靜剛度進行了長期跟蹤觀測。

3.3.1 彈條

兩種彈條彈程變化情況見圖5。可知：累計通過總質量在2億t以內時，兩種彈條的彈程均隨著累計通過總質量增加而快速衰減；累計通過總質量在2億t以上時，隨著累計通過總質量的增加兩種彈條的彈程衰減速率變緩，Ⅱ型彈條的彈程衰減速率大于W3型彈條。

圖5 兩種彈條彈程變化情況

3.3.2 軌下墊板

兩種扣件軌下墊板的靜剛度變化情況見圖6。可知：①兩種扣件軌下墊板的靜剛度和靜剛度變化率均隨累計通過總質量增加而增加；②累計通過總質量在0~5億t以內時靜剛度變化較快，累計通過總質量在5億t以上時兩種扣件軌下墊板靜剛度變化較緩慢；③彈條Ⅱ型扣件橡膠墊板靜剛度變化率大于SH?J型扣件TPEE墊板。

圖6 兩種扣件軌下墊板靜剛度變化情況

4 結論

基于朔黃鐵路彈條Ⅱ型扣件應用現狀調研結果，根據朔黃鐵路未來的發展，研發了SH?J型扣件并進行了現場試鋪，對兩種扣件的軌道結構動力性能進行了測試，并長期跟蹤觀測了兩種扣件彈條和軌下墊板的使用情況。結論如下：

1）彈條Ⅱ型扣件主要存在軌下墊板壓潰或竄動、軌枕承軌槽磨損、彈條松弛、軌距擋板磨耗較大、擋板座壓潰或斷裂等問題。

2）在保持既有Ⅲ型軌枕不更換的前提下對原有彈條Ⅱ型扣件主要部件進行了強化設計，研制了SH?J型扣件。SH?J型扣件應用效果良好。其最大支點壓力為96.3 kN，小于軌枕承載限值150 kN；30 t軸重試驗列車以40、60 km/h的速度通過測點時SH?J型扣件節點橫向力最大值分別為30.0、41.5 kN，小于設計限值70 kN；SH?J型扣件試驗段和彈條Ⅱ型扣件對比段鋼軌軌頭最大橫移量分別為1.62、1.81 mm，均小于維修限值3 mm。

3）SH?J型扣件W3型彈條的彈程衰減速率小于彈條Ⅱ型扣件Ⅱ型彈條，SH?J型扣件TPEE墊板靜剛度變化率小于彈條Ⅱ型扣件橡膠墊板，可適當減少養護維修工作量。