新型有轨电车用扣件研究与设计

冯 雁

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

1 概述

有轨电车作为城市轨道交通一种主要的组成形式，以地面敷设方式为主，其扣件设计不同于一般铁路和地铁，有其特殊性。现代有轨电车主要采用埋入式轨道结构，轨道维修困难，要求钢轨扣件少维修或免维修，同时具有较高的防腐防锈性能[1]。因此，研究开发一种适用于现代有轨电车运营环境的有轨电车扣件，尽量减少零部件的数量，减小养护维修工作量，提高扣件的耐久性显得尤为重要。

2 有轨电车扣件主要设计原则

有轨电车敷设方式和运营环境有别于传统的轨道交通，扣件设计时，应充分考虑其特殊性对扣件设计的影响[2,3]：

1)现代有轨电车车辆轴重轻，最大轴重不超过12.5 t。2)现代有轨电车速度低，设计最大速度70 km/h，实际运营最高速度约为50 km/h，旅行速度20 km/h～30 km/h。3)扣件设计时，在满足承载力要求的前提下，应尽量简单合理，减少零部件的数量，减小养护维修工作量。4)现代有轨电车线路条件多为适应城市道路而定，曲线半径较小，故扣件系统设计时应重点考虑扣件的纵横向阻力能否满足要求。5)现代有轨电车轨道结构多位于绿化地段，扣件系统长期处于潮湿环境中，尤其是沿海地区，应重点考虑扣件系统的防腐性能，并尽量减少铁件的使用。

3 有轨电车扣件设计参数研究

3.1 足够的强度和耐久性

扣件承受荷载大小主要取决车辆轴重、运行速度、曲线半径、钢轨垂横向刚度以及扣件的垂横向刚度等因素。扣件的强度和耐久性主要通过疲劳试验加以验证，有轨电车线路一般曲线半径小，要求适用于最小曲线半径25 m，其受横向作用力明显，参照国内外同类型扣件的设计荷载，其疲劳荷载应为最大垂向荷载45 kN，横向荷载35 kN。经300万次荷载循环后，各零部件不得伤损，轨距扩大应小于6 mm，且扣压力、钢轨纵向阻力和节点静刚度满足一定要求，从而确保扣件的强度和耐久性[4]。

3.2 适量的节点刚度

轨道刚度对轨道结构振动特性、轮轨相互作用和舒适性等具有较大的影响，有轨电车轨道主要采用整体道床形式，其结构刚度较大。良好的扣件弹性，可以有效降低列车荷载的冲击，将轮轨间的荷载均匀地传递到下部基础[5]。扣件刚度主要与垫层刚度有关，垫层刚度越小，单个扣件节点承受的垂向荷载越小，列车冲击越小，但是过小的垫层刚度易引起轨距扩大，同时还会导致钢轨的垂向位移过大，危及行车安全。因此，扣件刚度取值应兼顾钢轨垂向位移和钢轨外翻，同时考虑既有扣件的设计和运营经验。现在有轨电车采用整体道床结构，但其运行速度与地铁相比相对较低，其扣件节点垂直静刚度可设定在30 kN/mm～50 kN/mm，垫板刚度控制在25 kN/mm～45 kN/mm。

3.3 良好的绝缘性能

在有轨电车轨道设计中，要求扣件应具有良好的绝缘性能，具有绝缘作用的零部件其常态绝缘电阻应不小于108Ω，从而保证扣件满足绝缘性能的要求。

3.4 良好的维修调整能力

由于轨道结构在建设及运营过程中，不可避免存在施工误差和不均匀沉降，轮轨反复左右也会恶化轨道几何状态，使高低和轨距发生变化。因此，扣件应具有一定的调整能力[6]。考虑有轨电车采用埋入式轨道结构，工务大修周期长，日常维修条件差，整体道床扣件轨距调整量取值为+8 mm,-12 mm。目前修建现代有轨电车的城市多为南方沿海城市，地质条件较差、易产生不均匀沉降，应考虑大调高量的需求，在常规调整需求下应至少30 mm，当高低调整量超高30 mm时，应对零部件进行加强处理。

4 有轨电车扣件主要受力部件设计

新型有轨电车扣件主要由螺旋道钉、弹条、预埋套管、轨距挡板、弹性垫板、轨下调高垫板和整体调高垫板等组成，具体结构如图1所示。

4.1 弹条设计

扣压件作为扣件系统的主要受力部件，其尺寸与结构的合理性直接影响其他相关部件的设计，弹程、直径、前后肢距、后肢半径、前后肢半径中心间距、中肢拱高、侧肢拱高等因素对弹条扣压力、弹程以及最大应力均有一定的影响[7]。弹条设计时，应充分利用材料的弯曲和扭曲应变，从而实现线形的较大变化，具有良好的弹性性能。为了评价弹条尺寸设计的合理性，可建立有限元模型进行分析计算[8]，当弹条达到设计弹程时，扣压力约为9.5 kN，满足弹条扣压力不小于9 kN的要求，最大应力出现在后肢位置，为1 300 MPa，小于材料的屈服强度1 375 MPa，见图2，图3。

4.2 预埋套管与螺旋道钉设计

扣件主要通过预埋套管与锚固螺栓之间的螺纹配合进行固定，为了确定合理的螺纹匹配长度，建立了套管与螺栓在轴向拉力作用下的计算模型，在满足抗拔力60 kN的情况下，相关计算结果见图4～图7。

从图4～图7中可以看出，螺旋道钉的竖向应力影响范围为9圈螺纹，Von Mises等效应力影响范围7圈螺纹；预埋套管的竖向应力影响范围7圈螺纹，Von Mises等效应力影响范围6圈螺纹。因此，螺旋道钉和套管在设计时，螺纹数量不宜超过9圈。此外，在满足抗拔力60 kN的情况下各零部件的应力情况，可以看出：螺旋道钉Von Mises等效应力445.778 MPa，远小于屈服强度970 MPa；预埋套管的等效应力122.996 MPa，小于屈服强度170 MPa，均满足强度要求。

4.3 轨距挡板设计

轨距挡板主要抵抗钢轨横向荷载并保持轨距，作为主要受力部件，其强度满足一定的要求。根据拟定轨距挡板尺寸，建立轨距挡块分析模型，通过计算表明，轨距挡块的第四强度理论应力为115.037 MPa，小于其许用应力130.8 MPa，满足强度安全设计要求，见图8。

5 新型扣件零部件和试组装试验结果

一组新型扣件研制时，应确定各零部件制造工艺方案、工艺流程、关键工艺特点、关键生产设备及控制产品质量的检验方法等。通过各零部件的试制和检验，其产品均满足合格。为检验扣件整体组装情况下的性能，保证运营安全，必须进行组装疲劳试验，以检验各部件的耐久性。试验参照欧洲标准EN 13146-4《铁路应用—轨道—扣件系统试验方法——第4部分：重复加载的影响》的规定执行[9]。扣件组装时钢轨调高30 mm。试验荷载参数为：PV=45 kN，PL=35 kN，实验用钢轨高度100 mm。试验时用试验扣件将一段长度约0.5 m的59R2短钢轨固定在混凝土轨枕上。经300万次荷载循环后，扣件未发现任何伤损，轨距扩大2.5 mm，扣压力与钢轨纵向阻力变化均小于20%，节点静刚度变化小于25%，试验数据满足试验预期目标的全部要求，如图9所示。

6 结语

新型扣件为一种有轨电车用斜挡肩扣件系统，适用于有轨电车铺设59R2或60R2槽型钢轨的地段。通过零部件设计、样品试制以及试组装试验表明，产品各部件符合要求，产品质量稳定。该扣件结构简单，零部件少，便于养护维修，金属件部件少，潮湿环境中耐腐蚀性强，高低调整量大，整体性能具有一定的优势。经小规模的上道试铺验证后可在有轨电车工程中应用并推广。