彈條Ⅶ型扣件特殊調整措施

陳晨 朱煜 肖俊恒 李彥山 李祖云 嚴俊輝 劉長溪 張高

1.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司， 北京 102206； 2.中國鐵路昆明局集團有限公司 普洱基礎設施段， 云南 普洱 665000

彈條Ⅶ型扣件是針對我國重載鐵路和客貨共線鐵路的運營和線路條件研發的，適用于有砟軌道和彈性支承塊式無砟軌道，兼容重載鐵路用75 kg/m 鋼軌和客貨共線用60 kg/m 鋼軌。在應用過程中發現，個別地段由于基礎病害導致的無砟軌道幾何形位偏差遠超過當前扣件的調整能力。一鐵路隧道區段在運營維護中發現道床板上拱導致線路質量不良，對軌道幾何形位進行了監測。一段時間后上行線高程累計上升29.5 mm，中線累計右偏9.2 mm；下行線高程累計上升23.3 mm，軌向累計左偏3.8 mm。期間先后進行了4 次軌道精調，已超過彈條Ⅶ型扣件最大調高量（20 mm）、最大軌向調整量（-6 ～ +4 mm）。

隧道基礎沉降變形、道床板上拱等線路病害導致彈性支承塊式無砟軌道變形過大，超過既有軌道結構調整能力［1-3］。為快速恢復線路平順性并增加無砟軌道扣件調整技術儲備，急需研發一種針對彈條Ⅶ型扣件的特殊調整措施，增大鋼軌左右、高低位置調整量。

1 既有彈條Ⅶ型扣件

彈條Ⅶ型扣件系統由T 形螺栓、螺母、平墊圈、彈條、絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板和預埋鐵座組成。鋼軌高低調整時采用調高墊板，包括軌下調高墊板和軌距擋板下調高墊板［4］。

1.1 既有扣件對鋼軌高低位置的調整

彈條Ⅶ型扣件通過軌下調高墊板和軌距擋板下調高墊板進行鋼軌高低位置調整，鋼軌高低位置調整區間為0 ～ +20 mm。配置見表1。其中“+”表示增大高度。

表1 既有彈條Ⅶ型扣件鋼軌高低位置調整配置 mm

1.2 既有扣件對鋼軌左右位置的調整

彈條Ⅶ型扣件通過軌距擋板和絕緣軌距塊來進行鋼軌左右位置調整，鋼軌左右位置調整區間為-6 ～+4 mm。對于60 kg/m 鋼軌，配置見表2。其中，“+”表示向鋼軌外側調整，“-”表示向鋼軌內側調整。

表2 既有彈條Ⅶ型扣件鋼軌左右位置調整配置

2 彈條Ⅶ型扣件特殊調整措施

2.1 研究思路

在既有彈條Ⅶ型扣件高低調整量已達上限時，若按原有調整思路再進行調高，一般有兩種辦法：增加軌下調高墊板厚度；增加軌距擋板下調高墊板厚度。增加軌下調高墊板厚度會使彈條仰角增加，彈條扣壓穩定性降低；增加軌距擋板下調高墊板厚度會使預埋鐵座橫向受力點上移，甚至軌距擋板與預埋鐵座脫離接觸，喪失扣件橫向穩定性。同樣，若進一步增加鋼軌左右位置調整量，原有W4 型彈條垂直于鋼軌方向的尺寸已不能滿足扣壓鋼軌的需求。因此，若進一步增加彈條Ⅶ型扣件的鋼軌位置調整量，上述調整方法行不通。

為了克服既有方法進行鋼軌過大調整時帶來的不利影響，提出研究思路如下：

1）進行鋼軌垂向調整時，使預埋鐵路橫向受力點基本不變；

2）選用或重新設計垂直于鋼軌方向尺寸更大的彈條，進行鋼軌左右調整時彈條仍能穩定扣壓鋼軌。

2.2 增加鋼軌調高量的措施

在既有彈條Ⅶ型扣件基礎上，主要通過增設或改進設計緩沖墊板、鐵墊板、軌距擋板下調高墊板、軌距擋板、T形螺栓等技術措施，可實現鋼軌調高量增加到+21 ～ +81 mm，見圖1。

圖1 彈條Ⅶ型扣件特殊調高 +81mm組裝構造

為保證扣件特殊調高狀態的穩定性，在鐵墊板與承軌面之間只設置一種規格的緩沖墊板，不設鐵墊板下調高墊板。主要技術措施包括增設鐵擋肩、增設緩沖墊板、重新設計軌距擋板、重新設計軌距擋板下調高墊板、增加T形螺栓規格。

1）增設鐵擋肩

在大調高時，須保證扣件系統的穩定性，且不能影響原有扣件系統的組裝靜剛度，因此增設鐵擋肩，見圖2。在保證扣件整體結構穩定性的前提下，兼顧現場養護維修的方便性及調高量的配置，按鐵擋肩下底部分厚度分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型鐵擋肩下底部分厚18 mm，Ⅱ型鐵擋肩下底部分厚48 mm。鋼軌高低位置調整量為+21 ～ +51 mm 時采用Ⅰ型鐵擋肩，大于+51 mm時采用Ⅱ型鐵擋肩。

圖2 鐵擋肩

垂向上，由于鐵擋肩的承壓面積較大，且下部為剛性支撐，其應力遠小于材料的強度極限，有較大的安全儲備；橫向上，由于扣件橫向力完全由鐵擋肩傳遞，因此參考TB/ T 3519—2018《客貨共線鐵路扣件通用技術條件》［5］，建立有限元模型進行檢算，橫向計算荷載取40 kN。計算得到Ⅰ型、Ⅱ型鐵擋肩最大應力分別為108、138 MPa，均滿足承載強度要求。鐵擋肩應力分布見圖3。

圖3 橫向荷載下鐵擋肩應力分布

2）增設緩沖墊板

扣件特殊調高時，由于采用了鐵擋肩，為緩沖鐵擋肩對混凝土承軌面的沖擊作用，在鐵擋肩和軌枕承軌面間設置緩沖墊板，見圖4。根據特殊調整扣件的結構特點，墊板下緩沖墊板的厚度設計為3 mm。

圖4 緩沖墊板

3）重新設計軌距擋板

為便于扣件調高時軌距擋板與鐵擋肩的配合安裝，軌距擋板的后端面設計為立面，見圖5。由于扣件大調高時軌距擋板傳遞鋼軌橫向力，對軌距擋板適當位置采取增加厚度的措施。

圖5 軌距擋板

4）重新設計軌距擋板下調高墊板

根據鐵擋肩承軌面尺寸，重新設計軌距擋板下調高墊板。如圖6 所示，重新設計的調高墊板仍由兩塊拼接而成，軌距擋板下調高墊板按厚度分為5 mm 和10 mm兩種規格。

圖6 軌距擋板下調高墊板

5）增加T形螺栓規格

除既有標準Ⅰ型、Ⅱ型T形螺栓外，為適應扣件的大調高量，按T 形螺栓的長度新增了T2-Ⅲ型、T2-Ⅳ型、T2-Ⅴ型和T2-Ⅵ型四種規格。根據調高量選擇適當長度的螺栓，最大可滿足 +81 mm 的調高需求。既有和新增T形螺栓長度及使用條件見表3。

表3 既有和新增T形螺栓長度及使用條件

2.3 增加鋼軌左右位置調整量的措施

彈條Ⅶ型扣件增大鋼軌左右位置調整量主要措施包括增加絕緣軌距塊規格、重新設計軌距擋板、更換其他類型的彈條。

1）增加絕緣軌距塊規格

對于60 kg/m 鋼軌，既有彈條Ⅶ型扣件絕緣軌距塊有8 號、10 號、12 號、14 號和16 號共5 種型號，單股鋼軌左右位置調整級差2 mm。設計時，為增加鋼軌左右位置調整范圍及縮小調整級差，通過改變圖7 中的厚度（d），新增6 號、7 號、9 號、11 號、13 號、15 號、17 號和18 號，結合既有絕緣軌距塊型號，共13 種型號。采用以上型號的絕緣軌距塊時，鋼軌左右位置調整量可達 ±10 mm，調整級差1 mm。

圖7 絕緣軌距塊

2）重新設計軌距擋板

為便于扣件調高時軌距擋板與鐵墊板配合安裝，軌距擋板的后端面設計為立面。同時，為增加鋼軌左右位置調整量，如圖8 所示，根據尺寸a和b，軌距擋板分3 種型號，即5 號、9 號和13 號。標準軌距時鋼軌內外側均采用9號。

圖8 軌距擋板剖面

3）更換其他類型的彈條

由于增加了鋼軌左右位置調整量，原有W4 型彈條垂直于鋼軌方向的長度（圖9 中的L）已不能滿足扣壓鋼軌的需求，因此考慮換用L更大的既有成熟彈條。經過比選，選用彈條Ⅸ型扣件的W8型彈條。W8型彈條和W4型彈條性能參數對比見表4，二者主要性能參數基本一致。

圖9 彈條垂直于鋼軌方向的長度（單位：mm）

表4 W8型彈條和W4型彈條性能參數對比

采取以上技術措施，可實現鋼軌左右位置調整量±10 mm。

3 扣件性能試驗

彈條Ⅶ型特殊調整扣件系統研制完成后，為驗證扣件組裝性能，按TB/ T 3519—2018 及設計圖的技術要求對扣件進行室內試驗。

3.1 組裝靜剛度試驗

按TB/T 3519—2018，分別進行了調高量為+21、+51、+81 mm 的組裝靜剛度試驗，見圖10。試驗結果見表5。可知：在不同調整狀態下組裝靜剛度差別不大，且變化率小于5%，滿足技術要求。

圖10 彈條Ⅶ型特殊調整扣件組裝靜剛度試驗

表5 不同調高狀態下組裝靜剛度試驗結果

3.2 組裝扣壓力試驗

按TB/ T 3396.2—2015《高速鐵路扣件系統試驗方法 第2部分：組裝扣壓力的測定》［6］進行組裝扣壓力試驗，見圖11。

圖11 組裝扣壓力試驗

分別對既有彈條Ⅶ型扣件和彈條Ⅶ型特殊調整扣件進行組裝扣壓力測試，結果見表6。可知：兩種扣件鋼軌縱向阻力基本一致，說明彈條Ⅶ型特殊調整扣件沒有改變既有扣件對鋼軌的扣壓力。

表6 扣件組裝扣壓力試驗結果 kN

3.3 鋼軌縱向阻力試驗

按TB/ T 3396.1—2015《高速鐵路扣件系統試驗方法 第1部分：鋼軌縱向阻力的測定》［7］進行鋼軌縱向阻力試驗，見圖12。

圖12 鋼軌縱向阻力試驗

分別對既有彈條Ⅶ型扣件和彈條Ⅶ型特殊調整扣件的鋼軌縱向阻力進行了測試，結果見表7。可知：兩種扣件鋼軌縱向阻力基本一致，說明彈條Ⅶ型特殊調整扣件沒有改變既有線路的鋼軌縱向阻力。

表7 鋼軌縱向阻力試驗結果 kN

3.4 組裝疲勞性能試驗

按TB/ T 3519—2018 進行組裝疲勞試驗。荷載參數：垂向荷載為75 kN，橫向荷載為40 kN，試驗軌高為130 mm，加載頻率4 Hz，荷載循環300 萬次。在扣件最大調高量+81 mm 時進行組裝疲勞試驗，見圖13。經300萬次荷載循環后，各零部件無傷損，軌距擴大量2 mm，滿足疲勞性能要求。

圖13 扣件調高+81 mm狀態時組裝疲勞試驗

4 結論與建議

為解決基礎病害導致的無砟軌道幾何形位偏差遠超過當前扣件的調整能力的問題，針對60 kg/m 鋼軌用彈條Ⅶ型扣件，研究了扣件特殊調整措施，并進行了扣件組裝性能試驗。主要結論如下：

1）通過增設鐵擋肩、增設緩沖墊板、重新設計軌距擋板、重新設計軌距擋板下調高墊板、增加T形螺栓規格，可實現鋼軌調高量0 ～ +81 mm。

2）通過改變絕緣軌距塊、軌距擋板、彈條可實現單股鋼軌左右位置最大調整量 ±10 mm。

3）對扣件的組裝靜剛度、組裝扣壓力、鋼軌縱向阻力、組裝疲勞性能進行了測試，各項性能均滿足技術及線路運營要求。

鑒于彈條Ⅶ型特殊調整扣件在國內客貨共線鐵路中尚屬首次應用，缺乏相應的使用經驗，在既有線路病害地段采用特殊調整技術措施時應定期觀測。