沪宁城际WJ-7B型扣件螺栓轴力衰减规律与复紧周期探讨

张志远

(上海铁路局上海高铁维修段，上海 200439)

沪宁城际WJ-7B型扣件螺栓轴力衰减规律与复紧周期探讨

张志远

(上海铁路局上海高铁维修段，上海 200439)

高速铁路扣件系统是轨道弹性、轨距、水平调整能力的主要提供者，扣件的可靠性关系到列车运行的安全性和旅客乘车的舒适度等，对于WJ-7B型弹性分开式扣件，其功能的正常发挥很大程度上取决于锚固螺栓的预紧力是否足够。以沪宁城际WJ-7B型扣件系统为例，推导扣件系统螺栓轴力计算方法；结合现场转角测试结果计算锚固螺栓轴力的衰减规律。研究结论为：螺栓轴力稳定在40～60 kN，满足横向力校核结果，在此基础上确定了复紧周期为3～4年。

沪宁城际;WJ-7B型扣件;螺栓轴力;衰减规律;复紧周期

沪宁城际是连接上海和南京的城际铁路，设计最高速度350 km/h，是连接我国“长三角”高速铁路网络中的重要组成部分，是国内第一条全线采用CRTS Ⅰ型板式无砟轨道结构的铁路，扣件采用WJ-7B型弹性分开式扣件[1]。扣件作为联结钢轨和轨道板的部件，不仅承担着刚度的联结，还必须具有弹性的调节能力。扣件的联结在保证轨道稳定性、可靠性方面起着重要作用[2]。对于高速铁路无砟轨道而言，扣件几乎是轨道弹性、轨距、水平调整能力的唯一提供者[3]。因此，扣件的松动情况关系到乘车舒适度以及列车运营安全。而对于WJ-7型扣件本身而言，其功能的正常发挥很大程度上取决于锚固螺栓的预紧力是否足够。锚固螺栓在预紧后，通过螺纹接触面和螺栓头与支承面之间的摩阻力来抵抗松动回转，但在长期的列车荷载动力作用下，螺纹副之间会产生支持面凹陷、径向滑动等现象，造成螺纹面上摩擦力的减小，而周期性的累积则可能造成锚固螺栓的松动和扣件的失效，从而给行车安全带来严重的安全隐患，甚至引发列车脱轨等事故。

为此，目前养护维修部门采取的措施为定期或不定期的上线路对螺栓进行复紧，而对于复紧的周期没有相关技术标准，这不仅会造成养护资源的浪费，也会对行车安全带来一定的隐患。因此，有必要研究扣件锚固螺栓的松动规律，从而确定科学的复紧周期，基于这一问题开展了相关研究。

1 沪宁城际WJ-7B型扣件系统简介

沪宁城际铁路是国内第一条全线采用CRTS I型板式无砟轨道结构的铁路。其CRTS I型板式无砟轨道上均采用WJ-7B型弹性分开式扣件(图1)。

图1 沪宁城际CRTSⅠ型无砟轨道及WJ-7B扣件

WJ-7B型扣件(以下简称“扣件”)由T形螺栓、螺母、平垫圈、弹条、绝缘块、铁垫板、轨下垫板、绝缘缓冲垫板、重型弹簧垫圈、平垫块、锚固螺栓和预埋套管组成，此外为了钢轨高低位置调整的需要，还包括轨下调高垫板和铁垫板下调高垫板。扣件缓冲垫板、铁垫板安装后，依次安放平垫块、重型弹簧垫圈和锚固螺栓，并用扭力扳手固定螺栓。

WJ-7B型扣件属于无挡肩扣件，适用于各类无挡肩结构无砟轨道，其与WJ-8有挡肩扣件不同，主要依靠锚固螺栓承受钢轨传递于扣件的水平力。因而锚固螺栓是扣件功能发挥的重要参数，螺栓螺纹联接的松动关系到行车安全和乘坐舒适性。下面将从螺纹副联接的理论与方面阐述计算方法。

2 螺栓轴力计算方法

图2为WJ-7B扣件锚固螺栓结构和受力图示，本文为了简化计算，在计算时仅考虑轴向力和旋转力矩，而在校核时考虑横向力，不考虑翻转力矩。

(1)预紧力矩与预紧力

在螺纹副中，为了增强螺栓螺纹联接的刚性、紧密性、防松能力以及防止受横向荷载螺栓联接的滑动，多数螺纹联接在装配时都需要预紧，合适的预紧力矩对螺栓联接件和被连接件的寿命都是有益的。预紧力矩过大往往会导致联接失效，特别是在密封联接的情况下，螺栓预紧力矩过大，密封垫片会被压死而失去弹性或者螺栓拧断，预紧力矩太小就达不到紧固作用。装配完成后，螺栓承受一定的荷载，即预紧力，即在拧螺栓过程中预紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向上的力。

图2 WJ-7B扣件锚固螺栓

拧紧螺母的力矩T需要克服螺纹副中的摩擦阻力矩T1和螺母支撑面上的摩擦阻力矩T2[4]。故拧紧力矩T=T1+T2。由理论力学得到预紧的螺纹力矩T1与预紧力Fy的关系如式(1)所示，摩擦力矩如式(2)所示。

因此

式中，d为螺纹公称直径，mm；d2为螺纹中径，mm；φ为螺纹升角(或导程角)，(°)；ρ′为螺纹副当量摩擦角，(°)；μs为螺母支撑面的摩擦系数；dw、d0分别为螺母支撑面圆环的外、内径，mm。

此时，被联结件受到压力，螺栓受到轴向拉力，即预紧力Fy

对于一个特定的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的预紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力有关。对于一个不确定的螺栓而言，一个螺栓可使用的最大预紧力与螺栓材料品种、螺栓材料热处理、螺栓直径大小等都有关系。

WJ-7B扣件锚固螺栓公称直径为27 mm，预紧力系数取0.13～0.15，现场安装时的预紧力矩T=300～350 N·m，由式(5)可计算预紧力理论值Fy=74.07～ 99.72 kN。

(2)轴力与转角关系

螺栓的松动，表现在螺栓头的转动和位移。从运动学角度，转角与位移的关系为

式中，Δθ为螺栓头转角；δ为螺栓位移；p为螺距。

转动时，一方面拉伸螺栓，一方面压缩被联结件，假设这个过程中，螺纹副仍处于弹性变形阶段，各部分刚度保持不变。螺栓的位移是两者变形的和，与两者刚度有关，得到衰减的预紧力与转角的关系

式中，kb为螺栓刚度，kN/mm；km为被联结件刚度，kN/mm。

WJ-7B扣件螺栓的刚度kb取值范围为20～30 kN/mm，被联结件刚度km取值范围为90～100 kN/mm，螺距p为3 mm。由式(7)和表1中参数取值可知，由螺母的转角Δθ就可以计算得到螺栓轴力衰减量，从而得到剩余预紧力Fsy。

表1 WJ-7B扣件系统技术参数

这里不妨假设转角为2°，计算结果见表2，可知螺栓轴力松动21%～22%，与文献[4]中结论螺母松动2°预紧力将下降27%基本相近。因此，虽然扣件螺栓的拧紧和松动机制中存在塑性变形和非线性轴力衰减阶段，但这个计算模型基本可以满足要求。

表2 螺母转角2°条件下的预紧力变化情况

(3)横向力校核

由于高速铁路上的扣件锚固螺栓还受到垂直于螺栓轴向的横向荷载，因此要求剩余预紧力应该满足以下条件[4]，才能保证足够的摩擦力。

式中，Fsy为剩余预紧力，kN；Fy0为初始预紧力，kN；n为剩余预紧力推荐系数；μs为结合面摩擦系数；m为结合面个数。

而由式(8)可计算螺栓轴力，即剩余预紧力的临界下限值，在不稳定荷载条件下，n=0.6～1.0，因此，可以计算得到37.8～60 kN。

3 螺栓轴力衰减规律与复紧周期建议

(1)转角实测变化规律

2010年11月到2011年11月期间，同济大学在沪宁城际铁路上选择典型扣件观测段，共对扣件螺栓转角进行了6次测量，第1次为贴片后螺栓转角的初始值测量，第2次为螺栓经过1次复紧之后的复紧值测量，后4次是复紧完成后不同时间段的转角观测，各次观测距前一次观测时间间隔分别为1个月、2个月、3个月和4个月[1]。图3为实测螺栓转角变化趋势，从图3中复紧之后4次测试得到的转角数据看，扣件锚固螺栓的转角量非常小。在第1段相隔1个月的时间段内所有测点转角量平均值约为2.0°，在第2段相隔2个月的时间段内所有测点转角量平均值约为1.8°，在第3段相隔3个月的时间段内所有测点转角量平均值约为1.5°，在第4段相隔4个月的时间段内所有测点转角量平均值约为1.6°，锚固螺栓转角趋于稳定。将实测转角代入式(7)即可得螺栓轴力的衰减值，如图4所示，从图4中看出，锚固螺栓轴力衰减呈初始较快，一段时间趋于的稳定状态，这与转角随时间变化的规律一致。

图3 实测螺栓转角变化趋势

图4 螺栓轴力衰减值

图5 沪宁线锚固螺栓轴力与日本新干线锚固螺栓轴力对比

(2)复紧周期探讨

图5为沪宁城际WJ-7B型扣件与日本新干线直结8型扣件锚固螺栓剩余轴力衰减趋势图。根据前述横向力校核的结果，锚固螺栓的轴力临界下限值应大于37.8～60 kN，再结合图5中轴力衰减趋势以及日本新干线对于直结8型扣件复紧周期为4～5年的研究，建议沪宁城际采用的WJ-7B扣件的锚固螺栓复紧周期为3～4年。

4 结论

本文对我国沪宁城际铁路采用的WJ-7B扣件系统进行了介绍，结合转角测试结果计算锚固螺栓轴力的变化规律，得出以下结论。

(1)WJ-7B扣件锚固螺栓在预紧力矩300～350 N·m的条件下，预紧力理论值为74.07～ 99.72 kN。

(2)锚固螺栓轴力衰减呈初始较快，一段时间趋于稳定状态，这与转角随时间变化的规律一致，并维持在40～60 kN，符合横向力校核结果。

(3)初步研究确定了沪宁城际WJ-7B扣件的锚固螺栓复紧周期为3～4年，建议在进一步观测的基础上确定其有效的复紧周期。

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Approach to Bolt Axial Force Attenuation Law and Re-tight Period of WJ-7B Fastener of Shanghai-Nanjing Intercity Railway

Zhang Zhiyuan

(Shanghai High-speed Railway Maintenance Deport， Shanghai Railway Administration， Shanghai 200439)

High-speed railway fastening system is the main provider for track elasticity， gauge sustaining and level adjustment. Reliability of fasteners contributes to the safety of trains and passenger comfort. The normal function of WJ-7B indirect holding elastic fastener depends largely on the sufficient preload provided by the anchor bolt. This paper， taking the Shanghai-Nanjing Intercity Railway WJ-7B fastening system as an example， puts forward the method of calculating bolt axial force of the fastening system， draws up the attenuation law of the anchor bolt axial force in accordance with site corner test results. The study concludes that the axial bolt force maintained at 40 kN to 60 kN meets check requirements for lateral force and， therefore， the re-tight period is determined to be 3 to 4 years.

Shanghai-Nanjing intercity railway; WJ-7B fastener; Bolt axial force; Attenuation law; Re-tight period

2014-01-03；

：2014-01-15

铁道部科技研究开发计划项目(2011G021-E)

张志远(1978—)，男，工程师，2003毕业于石家庄铁道学院，

E-mail：zhangzhiyuan_78@126.com。

1004-2954(2014)10-0029-04

U213.5+3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.007