重载道岔用预埋铁座方案设计研究★

何雪峰　许有全　冉　磊

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

1　概述

为适应我国重载铁路发展需要，1996年在弹条Ⅲ型扣件科研成果的基础上研制了预埋铁座式扣件系统：轨枕上预埋铁座、采用Ⅲ型弹条扣压铁垫板，预埋铁座材料为黑心可锻铸铁(kTH350-10),最小抗拉强度350 MPa；抗横向水平力能力为静态100 kN，动态70 kN。该预埋铁座扣件运营中发现：在轨枕上表面和预埋铁座交界面附近，铁座有开裂现象。2000年设计对预埋铁座材料进行优化，采用球墨铸铁(QT450-10)，最小抗拉强度为450 MPa。

2006年，泰国机场线道岔结构设计采用了Ⅱ型弹条预埋铁座式扣件系统；2007年，国铁小半径曲线采用了预埋铁座扣件系统，主要用于50 kg/m钢轨、半径为250 m～350 m的曲线地段。

从图1,图2对比可知，传统螺钉紧固铁垫板与岔枕联结方式相比，采用预埋铁座扣件系统，能减少塑料套管失效、螺钉折断等伤损问题，具有抗横向力能力强、稳定性好等优点。为满足国内30 t轴重铁路发展需要，重载道岔采用了预埋铁座扣件系统，并在国内外研究的基础上改进和优化，以延长其使用寿命。

下面给出了三种预埋铁座设计方案，从容许应力、安全储备等方面进行了比选，以确定最终设计方案。

2　计算参数选取

货车轴重30 t；动轮载180 kN；预埋铁座横向力85 kN；预埋铁座材质：QT450-10(球墨铸铁)，屈服强度310 N/mm2，抗拉强度450 N/mm2。采用有限元法计算预埋铁座受力，其中混凝土对铁座的约束考虑为线性弹簧，自铁座顶面向下建立坐标系，如图3所示。

3　计算结果分析

三种预埋铁座方案如图4～图6所示。为降低铁座预埋部分所受应力、减少应力集中现象，在国铁线路用预埋铁座基础上，方案一、方案二设计时调整了铁座中预埋部分尺寸。

从图7和表1中数据可以看出。国铁线路用预埋铁座在轨枕上表面所受拉应力为142 MPa，最大拉应力为226 MPa，出现在距铁座顶部72 mm处，球墨铸铁的屈服强度为310 MPa，安全储备系数为137%，在铁座32 mm宽度处应力集中明显。

表1　三种预埋铁座方案应力比较

铁座类型岔枕表面应力最大应力应力值/MPa安全系数应力值/MPa应力范围/mm安全系数国铁线路用1422.18226721.37结构一26.911.5315868～1051.96结构二26.911.5315468～1052.01

结构一在轨枕上表面所受拉应力为26.9 MPa，最大拉应力为158 MPa，范围是距离铁座顶部68 mm～105 mm位置，最大拉应力分布均匀，安全储备系数196%。

结构二在轨枕上表面所受拉应力为26.9 MPa，最大拉应力为154 MPa，范围是距离铁座顶部68 mm～105 mm位置，最大拉应力分布均匀，安全储备系数201%。

从三种方案数据比较可知，国铁线路用预埋铁座所受拉应力较大，且存在应力集中现象，方案一和方案二应力集中不明显，应力峰值分布均匀，方案二所受应力最小，安全系数最高，因此推荐重载道岔预埋铁座采用结构二形式。

4　预埋铁座扣件系统试验研究

按照预埋铁座抗拔力试验方法，对岔枕预埋铁座进行了抗拔力试验，预埋铁座抗拔力加载60 kN时，试验结果合格，满足重载岔枕技术条件要求，同时现场试验荷载加载到100 kN时，岔枕和铁座无伤损，满足使用要求。

预埋铁座扣件系统经过室内200万次组装疲劳试验，结果表明：扣件系统没有发生破裂损坏，疲劳试验结束后轨距扩大量均值为1 mm，满足重载道岔技术条件要求。

预埋铁座扣件系统通过抗拔力和组装疲劳试验后，在我国第一条30 t轴重重载铁路——山西中南部铁路通道和张铁路上道应用，如图8所示，从2014年年底开通到现在，该扣件系统使用状况良好，没有发现铁座开裂、折断等现象。

5　结语

为满足30 t轴重重载道岔设计需要，提高扣件系统强度和稳定性，采用了预埋铁座扣件系统，对三种预埋铁座方案进行了比选，主要结论如下：1)方案二在轨枕表面应力和最大拉应力方面都优于其他两个方案，安全储备系数2.01，所受拉应力远低于铁座材料屈服强度310 N/mm2，推荐本方案为设计方案。2)预埋铁座扣件系统通过了上拔力和室内组装疲劳试验，满足相应技术条件要求。3)预埋铁座扣件系统在山西中南部30 t轴重重载铁路、张唐铁路线使用，效果良好。