轧制钢枕的应用探讨

尚德如, 崔兵兵

（1. 辽宁紫竹集团有限公司,辽宁鞍山 114000；2. 鞍山灯塔冶金工程有限公司，辽宁鞍山 114000）

轧制钢枕的应用探讨

尚德如1, 崔兵兵2

（1. 辽宁紫竹集团有限公司,辽宁鞍山 114000；2. 鞍山灯塔冶金工程有限公司，辽宁鞍山 114000）

文章在论述钢枕特点基础上，对比了 2 种不同钢枕扣件连接形式的优劣，采用 Inventor 软件建立三维模型，运用有限元分析手段，对轧制钢枕的结构强度进行分析，提出未来轨枕的应用与发展前景。

轧制；钢枕；结构分析；特点；应用

1　钢枕的特点

钢枕与木枕、混凝土枕相比具有其独特的优越性。

（1）钢枕使用寿命长，可重复循环利用。钢枕报废后，可以利用废钢价格销售或回炉重新冶炼加工其他钢材。

（2）钢枕易加工、易维护。可延长线路维护周期，减少养护维修工作量，经切割拼接修补后能重复使用。

（3）钢枕较混凝土枕轻，便于搬运、施工，不易碰伤。尤其在矿井运输轨道等不易运输、搬运的施工地点，优势更为凸显。

（4）钢枕承载力大，整体性能强，结构制作简单。

（5）钢枕是轨枕中回收率最高者，废钢回收率高达 70%，使铁路线路建设总造价降低。钢枕可节约线路占地 10% ，节约道渣 30%～35%。

（6）钢枕可在木枕容易被白蚁和腐蚀菌类侵蚀的热带铁路线上广泛采用。

（7）钢材的强度和抗变形能力比其他材料都稳定，具有生产过程简单， 承受荷载大， 可提供较大的纵、横向阻力等特点。

（8）钢枕铺设施工方便、摆放灵活，只需进行道碴整平和压实，由人工就能抬运摆放钢枕，大大提高了施工效率。

2　钢枕轨道连接方式

2.1弹条扣件连接方式

弹条扣件连接方式采用弹条挤压钢轨轨底，将钢轨固定在轨枕上，保持轨距并阻止钢轨相对于轨枕的横纵向移动。弹条扣件连接如图1所示，根据所需轨距尺寸要求，在轧制钢枕上表面，经锻压冲孔（U型孔），将弹条一端插入U型孔内，另一端用大锤锤击压紧钢轨轨底，使弹条扣压在轨底和钢枕上，保证钢轨与钢枕紧密连接。

图 1 弹条扣件连接

该钢枕扣件连接方式，优点是仅用弹条扣压钢轨，不需要其他零部件，目前全国通用的铁路扣件连接办法是4～6个零件单独连接，安装、拆卸方便，成本低。不足之处在于列车在动载荷作用下，产生的振动容易造成弹条松动脱落，增加了线路的养护维修工作量及安全隐患。

2.2压板扣件连接方式

压板扣件连接方式采用压板凸台卡在钢枕方孔内，并用T型螺栓压紧轨底，保证钢轨与轨枕联结可靠，增强了安全性。压板扣件连接如图 2 所示，根据所需轨距尺寸要求，在轧制钢枕上表面，经锻压冲孔（方型孔），将带有凸台的压板插入方孔内，压板压紧钢轨轨底，同时 T 型螺栓从方孔下面穿出，使得T型螺栓卡在压板凸台处，保证在紧固螺栓的过程中，螺栓不打转，使钢轨牢固地固定在钢枕上。

图 2 压板扣件连接

该钢枕扣件连接方式具有轨道结构整体性强、能够更好保持轨距的优点，延长了线路的维修周期，减少了养护维修工作量，结构制作简单。且在使用中既不容易脱落失效，又不降低原有的使用要求，增强了安全性。

3　轧制钢枕结构与受力分析

轨道是由钢轨、轨枕和紧固扣件组成的一个整体，应具有整体抗变形能力以及一定的承载力和强度。采用轧制钢枕替代其他轨枕，按轨距尺寸在钢枕上冲孔、压型、焊接弹条垫板等连接型式，使得弹条或压板直接安装在钢枕上并固定钢轨，保证钢轨与钢枕的紧密连接。

3.1轧制钢枕结构

轧制钢枕是由轧制U型钢材经冲孔、锻压制造成形，其外形尺寸及质量要求符合钢枕技术规范UIC865和BS500标准（图3）。

图 3 轧制钢枕

轧制 U 型材原料一般选用材质 Q275B 钢坯，经加热炉加热到一定温度后，进入 3 机架 650 中型轧机，采用孔型轧制方法，使钢坯进行多道次反复挤压成型，最终轧制成 U 型材，保证其力学性能和化学性能。

轧制钢枕加工过程：轧制 U 型材原料，经冲床剪断定尺后，按不同轨距规格要求进行冲孔加工，同时进入压弯、压形冲压模具，使两端头处压扁成型，保证道砟碎石不从内部漏出，压弯过程中要保证钢枕上表面 1 : 20斜度，使其符合铁路线路安装、施工技术要求。

3.2轧制钢枕受力分析

采用Inventor三维建模软件并运用有限元分析方法，对轧制钢枕进行载荷强度及抗弯能力校核。我国铁路货车轴重普遍采用19 t、20 t、21 t、23 t、25 t。选取铁路货车最大轴重为 25 t，则作用在每根钢轨两端最大力为 12.5 t。

结合力学分析，12.5 t 荷载施加在轨枕与钢轨的连接位置，方向垂直向下，轨枕安装在道碴之上，受到道碴施加的固定约束。根据 ANSYS 有限元分析方法，对轨枕进行计算网格划分，在轨枕与钢轨连接面处网格划分尽量密集且均匀，使得计算的结果更加准确（图4）。

通过运算分析可以看出，钢枕在车轴重为 25 t 条件下，应力最大的位置出现在钢轨与钢枕的连接位置，其最大应力为 1 091 MPa。最大应变同样出现在钢轨与钢枕的连接位置，其最大的应变量为 0.004 509，完全满足强度要求，通过三维建模理论分析，轧制钢枕在实际应用中符合运行要求，结构更加经济合理。

4　轧制钢枕的应用及发展前景

钢枕具有生产加工简单、承受荷载大、施工方便等优点，但钢枕较其他轨枕造价高。目前，钢枕的使用数量较少， 只在露天采矿、矿井等窄轨铁路、冶金钢铁企业运输线上铺设。随着钢铁工业的发展，我国正研究发展承载能力大、自重轻、造价低、设计合理的新型轧制钢枕，使之既能承受大轴重的重载货物列车和高速旅客列车的强烈振动与冲击，也能从根本上满足现代铁路运输对信号和轨道电路技术的要求。目前世界各发达国家的铁路，都普遍重视了钢枕的研究和发展。轧制钢枕作为铁路运输线路重要的组成材料，它的经济性越来越受到重视，一旦以新型轧制型材为原料的钢枕问世，钢枕亦具有广泛的发展前景。

图 4 钢枕有限元分析

轧制钢枕在鞍钢矿渣公司运输线上已成功应用（图5），经现场实践检验完全可以满足使用要求。这种钢枕承载能力大，整体性强，延长了线路的维修周期，减少了养护维修工作量，在铁路运输线路上可推广使用。

图 5 鞍钢矿渣公司运输线现场

5　结束语

目前轧制钢枕在国内应用还很有局限性，只在一些露天矿场、矿井巷道等轻型轨道中使用，还未在重载荷铁路正线上应用。而钢枕凭借其制作简单、节约成本、便于施工等优点，已在欧美、拉美等国家部分使用。随着钢铁、铁路工业的不断发展，设计重载荷、高强度、优结构的新型钢枕是未来研究和发展的方向。

［1］ 张晓东. 铁道工程［M］. 北京：中国铁路出版社，2012.

［2］ 卢祖文. 铁路轨道结构及维修［M］. 北京：中国铁路出版社，2002.

［3］ 陈伯雄. Inventor 机械设计应用技术［M］. 北京：北京人民邮电出版社，2002.

［4］ 铁路第一勘察设计院.铁路工程设计手册［M］. 北京：中国铁道出版社，1995.

［5］ 沈阳铁路局工务处. 铁路工务技术手册［M］. 北京：中国铁道出版社，1987.

责任编辑 孙锐娇

Application Disscussion of Rolled Steel Sleeper

Shang Deru， Cui Bingbing

Based on the discussion of the ssteel sleeper characteristics， the paper makes comparison of the advantages and disadvantages of the two different steel sleepers and fastening connection. By using Inventor software to establish threedimensional model， it uses fi nite element analysis method， and makes analysis on the rolling steel sleeper structure strength， puts forward the future prospects for the application and development of the steel sleeper.

rolling， steel sleeper， structure analysis，characteristic， application

U213.3

2016-02-19

尚德如（1982—），男，工程师