扣压力对重载线路扣件系统试验的影响

李心，王进，林达文，刘晓倩，2

(1．株洲时代新材料科技股份有限公司技术中心，湖南株洲412007;2．湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南株洲412007)

扣压力对重载线路扣件系统试验的影响

李心1，王进1，林达文1，刘晓倩1，2

(1．株洲时代新材料科技股份有限公司技术中心，湖南株洲412007;2．湖南工业大学包装与材料工程学院，湖南株洲412007)

以某新型重载扣件系统为对象，分析紧固扭矩和弹条扣压力之间的力学关系，根据紧固扭矩计算扣压力值，并在不同扣压力条件下实施节点刚度和强化疲劳对比试验，来研究扣压力对节点刚度和疲劳性能的影响，同时对技术条件中的三点接触组装方法所带来的试验误差问题进行深入探讨。最后针对扣件系统试验，提出合理的组装建议，以保证试验数据的可靠性，减少试验误差。

重载扣件系统 扣压力 紧固扭矩 三点接触组装法 节点刚度

轴重30 t、设计时速120 km的重载铁路是近年国内开展的重点建设项目，在国内外尚无实施先例。快速重载的工况使轮轨关系极为复杂，只有高性能扣件系统才能保证快速重载铁路轨道结构的可靠性、平顺性和弹性均匀性［1］。处于研制阶段的WJ-12型扣件是针对快速重载无砟轨道而设计的，应用于整体道床后其刚度增大，轨道的弹性主要依靠扣件和垫层提供［2］。在实验室对WJ-12型扣件的各项性能进行检测时，发现扣件系统组装方法对扣压力有明显影响，而扣压力影响到节点刚度、疲劳等其它性能的检测和判定。

1 国内外标准对扣压力性能的规定

扣压力是由扣件组装的扣压件施加到轨底上表面的垂直力［3］。扣件系统必须有足够的扣压力，以保证钢轨与支承体之间的可靠联结，并使整个系统形成合适的防爬阻力和减振性能［4］。欧洲标准虽然没有对扣压力取值和扣件组装方法做具体要求，但制订了扣压力测试方法，并规定疲劳试验前后扣压力变化率不得超过20%，同时节点刚度变化率不得超过25%［5］。参照欧洲标准，并针对高速重载铁路的特点，我国也制订了一系列扣件暂行技术条件，提出了相关扣件的性能指标和试验方法。在《WJ-12型扣件技术条件》(暂行)中(以下简称《暂行技术条件》)，规定了扣件组装以拧紧螺母的方式紧固弹条，弹条扣压程度以三点接触为准，即弹条的紧固以弹条中部前端下颚与绝缘轨距块接触为准(以下简称三点接触法)，并规定组装扣压力≥20 kN，同时疲劳试验前后板下垫板刚度变化率不超过20%。按照《暂行技术条件》，利用三点接触法进行扣件组装的紧固扭矩约130 N·m，但实测紧固扭矩有较大波动，在100～150 N·m之间，且100 N·m的情况居多，而扣压力也会因紧固扭矩的不同而产生波动。

2 扣压力与紧固扭矩的关系及计算

WJ-12型扣件属于有螺栓扣件，组装结构如图1所示。该类型扣件通过螺母与T型螺栓之间的紧固扭矩，使弹条产生扣压力，确保扣件不易松动［6］，通过紧固扭矩可以计算出螺纹联结预紧力，再根据预紧力计算出扣件组装扣压力。

图1 WJ-12型扣件组装结构

2.1 根据单个弹条紧固扭矩计算螺纹联结预紧力

紧固扭矩M与螺纹联结预紧力F0的关系为［7］

式中:F0为预紧力，kN;M为单个螺栓紧固扭矩，N·m; d2为螺纹中径，mm;μs为螺纹副摩擦系数;α为螺纹半角，度;β为螺纹升角，度;μn为支承面之间摩擦系数; dn为螺纹支承面摩擦力矩等效直径，mm。

WJ-12型扣件采用的T形螺栓规格为M24，取摩擦系数μs=μn=0.14［7］，当紧固扭矩M=100 N·m时，代入式(1)可计算得到预紧力F0=20.9 kN。

利用工程应用中的简化公式，同样可以根据紧固扭矩计算预紧力为［8］

式中:K为紧固扭矩系数，表面氧化且有润滑情况下约为0.2;d为螺纹公称直径，mm。

将紧固扭矩M=100 N·m代入式(2)，可计算得到预紧力F0=20.8 kN，与利用公式(1)计算得到的结果非常接近。

2.2 根据螺纹联结预紧力计算组装扣压力

对单个弹条进行受力分析(如图2)，可以得到关系式如下

式中:N0为单个弹条扣压力，N;N为组装扣压力，N。

图2 单个弹条受力图式

由WJ-12型扣件系统的弹条规格可知L=115 mm，l=50 mm。表1列出了紧固扭矩M分别为100，130和150 N·m时，利用式(2)、式(3)和式(4)计算得到的扣件系统组装扣压力。

表1 不同紧固扭矩对应的WJ-12型扣件系统组装扣压力

由表1可见，当紧固扭矩为100 N·m时，组装扣压力约18 kN，未达到《暂行技术条件》中规定的≥20 kN的要求;紧固扭矩为150 N·m时，组装扣压力约为27.2 kN，远大于要求值;紧固扭矩为130 N·m时，组装扣压力约为23.6 kN，满足设定要求且有一定安全余量。由此可见，三点接触的组装方法存在不确定性，会导致扣压力波动大，从而造成扣件系统其它性能试验存在较大误差，影响相关性能的检测和判定，如节点刚度和疲劳性能。

3 不同组装扣压力对应的节点刚度

为研究扣压力的波动对节点刚度的影响，选择了8块刚度在40～60 kN/mm范围的WJ-12型板下弹性垫板，材料为TPEE，即热塑性聚酯弹性体［9］，分别在调高方式下进行节点组装，组装过程中保持扣件系统其它零件不变。每个节点分别在紧固扭矩100和150 N·m各测一次节点刚度，试验方法参照标准EN13146-9［10］，检测方式如图3，试验结果见表2。

图3 WJ-12型扣件系统节点刚度检测

表2 WJ-12型扣件系统不同组装扣压力对应的节点刚度

由表2可见，8个节点的刚度检测结果呈现这样一个趋势，即紧固扭矩为150 N·m时，比紧固扭矩为100 N·m对应的节点刚度增加非常明显，约7～9 kN/mm，平均增长幅度约为16%，说明组装扣压力对节点刚度产生了显著影响。

4 不同扣压力对应的强化疲劳性能

为研究扣压力的波动对疲劳前后节点性能的影响，按照《暂行技术条件》规定的试验条件，并参照标准EN13146-4加载方式［5］，选择了2个节点Q-1#和Q-2#同时进行强化疲劳试验，如图4。2个节点组装采用的所有零部件都相同(同批次生产，其中板下垫板选择2块刚度一致的TPEE弹性垫板)，仅组装扣压力不同。

图4 WJ-12型扣件系统强化疲劳检测

对节点Q-1#施加紧固扭矩100 N·m，对节点Q-2#施加紧固扭矩150 N·m。由表1可知2个节点的组装扣压力计算值分别为18 kN和27.2 kN，经历300万次重复加载后，测出疲劳后节点刚度和板下垫板刚度，与2个节点各自的疲劳前性能进行对比，见表3。

由表3可见，强化疲劳试验前，Q-1#和Q-2#的板下垫板刚度接近，强化疲劳试验后，二者的板下垫板刚度也接近，相比疲劳前，变化率都小于20%，满足《暂行技术条件》要求。对于节点刚度，强化疲劳试验前，Q-1#比Q-2#小7.5 kN/mm，而强化疲劳试验后，Q-1#仅比Q-2#小3.5 kN/mm，所以Q-1#节点刚度变化率达到33.6%，而Q-2#节点刚度变化率仅22.4%，若按照欧洲标准中节点刚度变化率不得超过25%的规定［5］，显然节点Q-1#不满足要求，而节点Q-2#则满足要求。说明组装扣压力对疲劳前后节点性能试验结果也产生了明显影响。

表3 WJ-12型扣件系统不同组装扣压力对应的强化疲劳性能

5 结论

综上所述，扣压力对重载铁路扣件系统试验有显著影响。必须在扣件组装时保持扣压力稳定，才能获得可靠的扣件系统性能检测结果，采用三点接触法进行扣件系统组装，会造成实际扣压力波动大，进而导致节点和疲劳性能试验结果不稳定。建议重载铁路扣件组装时，规定紧固扭矩值为130 N·m，采用该方法来满足设定扣压力的大小，保证试验数据的可靠性，减少试验误差。

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［2］于春华．城市轨道交通轨道扣件综述［J］．铁道工程学报，2003(9):31-33．

［3］EuropeanCommitteeforStandardization．EN 13481-1 RailwayApplications-Track-PerformanceRequirementsfor FasteningSystems—Part1:Definitions［S］．Brussels: European Committee for Standardization，2002．

［4］许佑顶．高速铁路无砟轨道扣件设计要点［J］．铁道工程学报，2010(4):40-43．

［5］EuropeanCommitteeforStandardization．EN13146-4 RailwayApplications-Track-TestMethodsforFastening Systems—Part 4:Effect of Repeated Loading［S］．Brussels: European Committee for Standardization，2012．

［6］肖俊恒，赵汝康，杜功立．高架桥无碴轨道用小阻力弹性扣件的研究设计［J］．铁道建筑，2002(9):18-21．

［7］张家全．摩擦系数与螺纹副失效的关系［J］．汽车工艺与材料，1997(4):44-45．

［8］徐灏，蔡春源，严隽琪．机械工程手册［M］．2版．北京:机械工业出版社，1996．

［9］王旭荣．大秦铁路钢轨使用寿命和延长措施研究［J］．中国铁路，2011(6):43-46．

［10］EuropeanCommitteeforStandardization．EN13146-9 RailwayApplications-Track-TestMethodsforFastening Systems—Part 9:Determination of Stiffness［S］．Brussels: European Committee for Standardization，2009．

(责任审编孟庆伶)

U213．5+3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．40

1003-1995(2015)04-0155-03

2014-08-31;

2015-01-20

李心(1977—)，女，四川乐山人，高级工程师，硕士。