扣板式扣件力學特性及優化設計

葉松

中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063

鐵路貨場門式起重機通過兩側支腿支撐在地面鋼軌上，鋼軌通過扣件系統固定，并將上部吊裝荷載及自重傳遞至下部承軌梁和地基上［1］。扣件作為保證鋼軌穩定的關鍵連接部件，其服役狀態對整個走行軌系統至關重要。目前鐵路貨場走行軌扣件的選用尚無明確標準及規范［2］，一般參考鐵路的彈條扣件或參考《吊車軌道聯結及車擋（適用于混凝土結構）》（圖集號：17G325）等國家標準圖集設計的扣板式扣件。扣板式扣件具有零件標準化、經濟性好等優點，廣泛用于碼頭、倉庫、工廠等門式起重機走行軌系統中［3］。

針對扣板式扣件，國家標準圖集中并未明確扣件零件材料、制作工藝等要求，在實際工程應用中存在零件制造達不到精度要求等問題［2］。隨著鐵路貨場長大笨重貨物以及集裝箱運輸的發展，門式起重機的起重噸位越來越大，其走行軌扣件系統按照常規設計出現的病害日益增多。扣件質量已成為走行軌系統最易發生的質量問題之一［4］。通過現場調研發現，隨著線路運營時間的增長，在輪載及外界復雜環境荷載反復作用下，部分地段的走行軌扣板式扣件出現了不同程度的病害，如鐵墊板壓彎變形嚴重、鐵墊板下橡膠墊老化竄出、螺旋道釘銹蝕、螺母松動、離縫脫空、承軌梁裂紋等，見圖1。扣件病害影響結構耐久性，降低使用壽命，嚴重時甚至威脅走行軌系統的安全穩定。

一些學者對走行軌扣件開展了研究。徐志良［2］分析了常用走行軌固定裝置的使用現狀及效果。雷存茂等［4］對比了鐵路貨場門式起重機軌道系統的差異。鐘淵等［5］比較分析了兩種港口起重機軌道固定系統的優缺點。張曉晗等［6］探討了起重機連續式鋼軌固定方法的原理和構造。既有研究主要集中在結構介紹、優缺點分析及選用方面，未結合頻發的病害問題對扣板式扣件的受力機理及優化設計進行深入研究。

本文結合扣板式扣件的結構特點，建立可考慮扣件各部件復雜相互作用關系的走行軌扣件系統精細化有限元分析模型，研究扣板式扣件的受力變形特性，同時結合現場病害調研情況，提出結構設計優化措施，以期對我國貨場走行軌扣板式扣件的優化設計及養護維修提供參考。

1 精細化分析模型

扣板式扣件由螺旋道釘、螺母、平墊圈、彈簧墊圈、扣板、鐵墊板、鐵墊板下橡膠墊板等部分組成。扣件、QU70 鋼軌、承軌梁等部分共同組成走行軌系統。承軌梁為C30鋼筋混凝土條形基礎。鋼軌通過扣件固定在承軌梁，鋼軌下面設鐵墊板，鐵墊板下設絕緣緩沖墊。走行軌系統橫斷面見圖2。

圖2 走行軌系統橫斷面

建立可考慮扣板式扣件各組成部件復雜相互作用關系的有限元精細化分析模型，分析扣板式扣件在輪載作用下的力學特性。

1.1 計算參數

扣板式扣件各主要組成部件的幾何尺寸均按工程實際取值。鋼軌采用QU70 鋼軌，扣件間距0.5 m；螺旋道釘、螺母、平墊圈采用Q235A 碳素結構鋼材質；扣板采用KTH350-10 黑心可鍛鑄鐵材質；根據GTCC-068—2019《鐵路專用產品質量監督抽查檢驗實施細則 鐵道混凝土枕軌下橡膠墊板》，軌下橡膠墊板剛度取100 kN/mm；軌下橡膠墊板尺寸為200 mm（長） ×132 mm （寬）× 10 mm（厚）；鐵墊板尺寸為370 mm （長）×200 mm （寬）× 10 mm（厚），采用Q235B 材質；鐵墊板下絕緣緩沖墊板尺寸與鐵墊板尺寸相同，采用聚酯耐磨型傳送帶材質，剛度為1 000 kN/mm，墊板彈性模量通過尺寸和剛度換算得到［7］；承軌梁混凝土強度等級為C30。主要組成部件材料參數見表1。

表1 走行軌軌道結構主要計算參數

門式起重機走行軌位于直線上，且運行速度較低，走行軌軌道結構主要承受起重機垂向、橫向荷載作用。鐵路貨場A 配置一臺50 t-30 m U 型雙梁箱形門式起重機，為軟鉤起重機，荷載分布圖式見圖3。根據GB 50009 —2012《建筑結構荷載規范》，單個車輪最大輪壓標準值為260 kN，橫向水平荷載標準值百分數取10%，因此計算中垂向力、橫向水平力分別取260、26 kN。加載方式采用四輪垂向、橫向集中力加載，作用在鋼軌頂面。

圖3 荷載分布圖示（單位：mm）

1.2 計算模型

建立可考慮扣板式扣件各組成部件復雜相互作用關系的有限元精細化分析模型，見圖4。模型包括鋼軌、扣板式扣件、承軌梁三部分。鋼軌、承軌梁以及扣板式扣件的主要組成部件均采用實體單元模擬。在不改變扣件系統整體傳力特性的前提下，對扣件部分零件外形進行適當簡化［8］。彈簧墊圈采用彈簧單元模擬，彈簧剛度為168 kN/mm［9］；扣件組裝時，螺母扭力矩120 N·m，換算得到螺旋道釘預壓力為14 kN。鋼軌兩端采用對稱約束，承軌梁底部采用固定約束；鋼軌與鐵墊板之間、扣板與鋼軌之間以及鐵墊板下橡膠墊板與承軌梁之間各界面切向均采用摩擦接觸模擬，摩擦因數分別取0.2、0.2 和0.8，法向采用硬接觸模擬［10-11］。結合荷載情況，同時考慮到避免邊界效應對結構的影響，有限元模型長度取8 m。

圖4 有限元分析模型

1.3 有限元模型驗證

為保證模型的合理性，對扣件精細化分析模型進行驗證，確保模型能夠準確地反映出實際扣板式扣件系統的工作特征。

對鋼軌軌頭逐級施加垂向荷載，軌下橡膠墊板壓縮至1 mm 時，提取單個扣板的支反力為2.71 kN，則單組扣件的扣壓力為5.42 kN，與文獻［12］相同工況下的扣壓力相差不大，約4.2%。通過對鋼軌施加縱向荷載，計算每組扣件鋼軌的縱向阻力，得到扣件鋼軌縱向阻力為11.4 kN，與扣件系統設計參數縱向阻力不小于11 kN 吻合。由此驗證了本文所建立的有限元模型的有效性，可用于后續研究。

2 力學特性

在垂向和橫向輪載共同作用下，走行軌系統各部件的受力及變形見圖5，其峰值見表2。

表2 輪載作用下走行軌系統各部件受力及變形峰值

由圖5和表2可知：

1）在受力方面，在垂向、橫向輪載共同作用下，鋼軌、扣板、螺栓道釘、鐵墊板、承軌梁最大主應力為拉應力，其中扣板受力相對較小，螺旋道釘和鐵墊板受力較大，鐵墊板上部受壓，下部受拉；承軌梁與螺旋道釘相互作用位置存在較為明顯的應力集中現象，承軌梁最大拉應力小于C30混凝土抗拉強度（2.2 MPa）；橡膠墊板和絕緣緩沖墊板最大主應力為壓應力，整體受力水平較低。

2）在變形方面，鋼軌、扣板、螺旋道釘、橡膠墊板、鐵墊板垂向位移相對較大，橫向位移整體相對較小，均在1 mm以內。

對比各部件拉應力與強度標準值，得到各部件安全系數，見表3。可知，設計標準狀態的走行軌扣件系統在垂向和橫向輪載共同作用下，各部件受力均滿足要求，但螺旋道釘、鐵墊板及承軌梁的受力較大，安全冗余相對不足。綜合現場病害情況，扣板式扣件系統在鐵墊板、橡膠墊板等方面還存在優化空間。

表3 走行軌系統各部件安全系數

3 扣板式扣件優化設計

為進一步提高走行軌扣件系統的強度和穩定性，根據前文的計算結果，結合現場病害情況，從優化調整鐵墊板厚度和軌下橡膠墊板剛度兩方面對扣件系統進行優化設計。

3.1 優化鐵墊板厚度

根據調研情況，現場存在鐵墊板壓彎病害，導致軌道線形較差，啃軌、車輪磨損嚴重。為解決此問題，通過優化加強鐵墊板厚度，提高鐵墊板的承載能力，避免受力變形過大而影響整體結構安全。結合設計情況，鐵墊板厚度分別取5、8、10（原設計值）、15、20、25 和30 mm。鐵墊板材質、螺旋道釘埋入承軌梁的深度以及其他部件參數不變。計算得到走行軌扣件系統各部件的受力及變形隨鐵墊板厚度的變化曲線，見圖6。可知：

圖6 走行軌系統各部件受力及變形隨鐵墊板厚度變化曲線

1）在受力方面，①隨著鐵墊板厚度的增加，螺旋道釘、鐵墊板拉應力呈非線性減小趨勢；承軌梁拉應力整體呈非線性變化，鐵墊板厚度小于10 mm 時，隨著鐵墊板厚度增加，承軌梁拉應力減小較為明顯，厚度為10 ～ 20 mm 時，承軌梁拉應力減小速率變小，鐵墊板厚度超過20 mm 后，隨著鐵墊板厚度的增加呈非線性增加趨勢。②鋼軌拉應力隨著鐵墊板厚度的增加整體呈非線性變化。鐵墊板厚度小于20 mm 時，隨著鐵墊板厚度的增加，鋼軌拉應力減小較為明顯；厚度為20 ～ 25 mm 時，鋼軌拉應力減小速度明顯減緩；鐵墊板厚度超過25 mm 后，鋼軌拉應力隨著鐵墊板厚度的增加呈緩慢增加趨勢。這是因為，當鐵墊板厚度較小時，增加鐵墊板厚度能一定程度減小鐵墊板下承軌梁的應力集中現象，從而改善系統受力，承軌梁所受拉應力減小；當厚度超過一定限值后，扣件系統整體所受彎矩增加，橫向力產生的彎矩通過螺旋道釘傳遞至承軌梁，導致鋼軌及承軌梁拉應力增加。

2）在變形方面，隨著鐵墊板厚度的增加，鋼軌、鐵墊板、橡膠墊垂向位移呈非線性減小趨勢，且變化速度逐漸減小。鐵墊板厚度小于20 mm 時，隨著鐵墊板厚度的增加，鐵墊板橫向位移減小較為明顯；厚度為20 ～ 25 mm時，鐵墊板橫向位移減小速度明顯減緩；鐵墊板厚度超過25 mm 后，隨著鐵墊板厚度的增加呈一定增加趨勢，但變形整體相對較小。

綜上，建議鐵墊板厚度優化至20 mm，且不宜超過25 mm。同時為進一步提高走行軌系統強度和穩定性，建議鐵墊板材料優化為QT450-10 球墨鑄鐵件材質，提高屈服強度標準上限至310 MPa。

3.2 優化軌下橡膠墊板剛度

軌下橡膠墊板剛度分別取50、100（原設計值）、250、500、750、1 000、1 250 和1 500 kN/mm。算得走行軌扣件系統各部件的受力及變形隨橡膠墊板剛度的變化曲線見圖7。

圖7 走行軌系統各部件受力及變形隨橡膠墊板剛度變化曲線

由圖7可知：

1）在受力方面，①鋼軌、螺旋道釘、鐵墊板和承軌梁的受力均隨橡膠墊板剛度增加而整體上呈非線性減小趨勢，且變化速度逐漸減小。橡膠墊板剛度取500 kN/mm 時，各部分的受力及變形隨著剛度的變化尚未趨于穩定，橡膠墊板剛度還存在進一步優化的空間；橡膠墊板剛度超過800 kN/mm時，承軌梁拉應力基本趨于穩定；橡膠墊板剛度超過1 000 kN/mm 時，螺旋道釘、鐵墊板拉應力基本趨于穩定；橡膠墊板剛度超過1 250 kN/mm 時，鋼軌拉應力基本趨于穩定。②橡膠墊板剛度小于70 kN/mm 時，承軌梁拉應力超過了C30 混凝土極限抗拉強度（2.2 MPa），存在拉裂風險。③橡膠墊板壓應力隨著剛度的增加而整體上呈非線性增加趨勢，增加速度逐漸減小，整體應力水平較小。

2）在變形方面，鋼軌、螺旋道釘、鐵墊板和橡膠墊板垂向、橫向位移均隨著橡膠墊板剛度的增加而整體上呈非線性減小趨勢，變化速度逐漸減小。橡膠墊板剛度超過1 000 kN/mm時，變形基本趨于穩定。

綜上，建議橡膠墊板剛度取1 000 kN/mm；同時結合實際工程，考慮構件通用性，建議軌下橡膠墊板采用與鐵墊板下絕緣墊板相同材料，采用聚酯耐磨型傳送帶材料，性能滿足GB/ T 32457—2015《輸送帶 具有橡膠或塑料覆蓋層的普通用途織物芯輸送帶規范》的相關要求。

4 優化設計效果

4.1 走行軌扣件系統優化前后對比

優化前后走行軌系統各部件受力及變形對比見表4。可知：①除扣板的受力一定程度增加外，走行軌扣件系統的其他組成部件受力均有較大幅度減小，且優化后的扣板受力峰值遠小于扣板材料的屈服強度；相較于優化前，螺旋道釘、鐵墊板和承軌梁主應力分別減小了62.1%、66.9%和71.5%。②走行軌扣件系統的變形情況得到大幅改善。相較于優化前，鋼軌、鐵墊板垂向位移分別減小了53.9%和81.7%；螺旋道釘和絕緣緩沖墊板橫向位移分別減小了76.9%和81.8%。

表4 優化前后走行軌系統各部件受力及變形對比

4.2 現場應用效果

根據現場調研，鐵路貨場A 配置的50 t-30 m U 型雙梁箱形門式起重機采用的扣板式扣件，在服役多年后出現了鐵墊板壓彎、承軌梁裂縫、橡膠墊板壓壞或竄出等問題，導致走行軌軌面平順性急劇下降，存在嚴重的安全隱患。通過針對性更換橡膠墊板、鐵墊板等優化措施進行整治。整治運營兩年后現場實測線形指標與整治前對比見圖8。可知，優化整治后走行軌軌面線形保持良好，扣件系統各組成部件現場服役狀態良好。

圖8 整治前后現場實測線形指標對比

綜上，走行軌扣件系統鐵墊板厚度優化取20 mm，采用QT450-10球墨鑄鐵件材質，橡膠墊板剛度優化取1 000 kN/mm，采用聚酯耐磨型傳送帶材質，能很好改善走行軌扣板式扣件系統的力學性能。

5 結論

1）標準設計狀態下，走行軌扣板式扣件各部件力學性能滿足要求，但螺旋道釘、鐵墊板及承軌梁的受力較大，鋼軌、扣板、螺旋道釘等部件垂向變形較大，存在進一步優化空間。

2）鐵墊板厚度優化至20 mm，且不宜超過25 mm；鐵墊板材料優化為QT450-10球墨鑄鐵件材質。

3）軌下橡膠墊板剛度取1 000 kN/mm，采用聚酯耐磨型傳送帶材料。

4）優化后走行軌扣件系統受力變形均有較大幅度改善。相較于優化前，受力最大減小了71.5%，變形最大減小了81.8%。

5）現場整治應用情況表明，優化整治后走行軌軌面線形良好，優化后扣件系統現場服役狀態良好，優化效果明顯。