时速160 km城市快轨有挡肩扣件研究

冉 蕾 马佳骏 刘雪锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 研究背景

根据受力结构的不同，扣件可分为有挡肩扣件和无挡肩扣件。国内城市轨道交通多采用无挡肩扣件，通过锚固螺栓将铁垫板与轨枕联结为一体，典型的有DTⅥ2型、DTⅢ2型、ZX-2型、ZX-3型等。无挡肩扣件的优点是调高和调距方便，且调整量大；缺点是列车速度较快或曲线半径较小时，锚固螺栓受力过大。在部分城市轨道交通线路的运营过程中，发生过锚固螺栓受剪破坏的现象，增加了养护维修工作量。

有挡肩扣件由铁垫板、轨距挡板、轨距块、板下垫板、轨下垫板等部件组成，可直接将横向力传至轨枕挡肩上，锚固螺栓不再承受横向力，优化了扣件的受力结构，延长了扣件使用寿命，对高速行车以及小半径曲线的适应性较好。目前，高铁扣件以有挡肩扣件为主，有代表性的扣件有WJ-8型、vossloh300型等[1-3]。

为了提供更大的扣压力和弹性，高速铁路扣件采用了尺寸较大的弹条，导致扣件、配套轨枕等部件尺寸均较大，造价较高。

随着城市轨道交通设计速度的不断提高，对轨道的稳定性、平顺性提出了更高的要求，既有无挡肩扣件无法满足高速行车的要求。为满足大运量、高速度、少维修的运营条件，急需研究一种稳定性更好的扣件结构类型，以保证行车安全、平稳。

2 城市轨道交通扣件存在问题

现有城市轨道交通大多为整体道床，采用无挡肩弹性分开式扣件，根据各城市的地质条件、线路条件、运营习惯等，又可分为无螺栓扣件或有螺栓扣件。地铁无螺栓扣件有ZX-3型、DTⅥ2型和单趾弹簧扣件等。有螺栓扣件有ZX-2型、DTⅢ2型和WJ-2A型小阻力扣件等。在运营过程中，均存在不同程度的问题。

2.1 无螺栓扣件弹条退出

无螺栓扣件靠弹条的变形提供扣压力，其结构简单，安装方便，缺点是弹条拆卸易引起弹条塑性变形，从而导致扣压力损失及弹条退出等情况(见图1)。

图1 无螺栓弹条退出

2.2 无螺栓扣件弹条折断

无螺栓弹条的变形对扣压力和应力影响较大，加工精度偏差、施工过程不规范都会造成弹条应力偏大。在高强度振动荷载下，容易引起弹条的折断(见图2)[9-10]。某城市地铁曾发生弹条折断飞起、将车站钢化玻璃墙击碎的情况。为防止车站弹条飞起伤人，需将车站范围内的弹条用铁丝串联起来，并用绑扎带进行固定。

图2 无螺栓弹条断裂

2.3 锚固螺栓折断、套管失效

无挡肩扣件主要靠垫板摩擦力承受横向力，当螺栓未拧紧或垫板摩擦系数较低时，将导致横向力超过摩擦力的抵抗范围。此时，横向力传到锚固螺栓上，易造成锚固螺栓弯曲、断裂等问题(见图3)。

另外，扣件调整量较大时，需要松开锚固螺栓进行调距，这个过程易造成套管螺纹损坏等问题。

图3 扣件锚固螺栓断裂

2.4 高架线和地下线扣件类型不统一

目前，城市轨道交通高架桥小阻力扣件多采用WJ-2A扣件或相同弹条的配套扣件，地下线一般采用无螺栓扣件或Ⅱ型弹条配套分开式扣件。地下线和高架线扣件结构差异较大，部件基本不能通用，造成运营备品备件种类繁多、养护维修非常不便。

综上所述，轨道部件所存在的问题都会直接影响行车的安全性、平稳性，增大线路养护维修工作量。为解决以上问题，适应城市轨道交通运量大、小半径曲线多、养护时间短的特点，需研究一种新型扣件。

3 有挡肩扣件研究

3.1 研究思路

(1)解决扣件存在的主要问题

目前，城市轨道交通扣件存在弹条断裂、T型螺栓后倾或折断、锚固螺栓折断、轨下垫板脱出等问题。应对扣件各部件的受力结构进行研究，以解决目前存在的问题。

(2)满足160 km/h线路的使用条件

针对160 km/h运行速度，应提高扣件的横向刚度，在保持钢轨垂向位移控制要求的前提下，尽量减少轨头横向位移，提高轨道在高速行车下的稳定性。

(3)地下线与高架线通用

目前，城市轨道交通地下线和高架线分别采用不同的扣件，造成备品备件种类较多，养护维修不便。因此，扣件应采用地下线与高架线通用的结构。

(4)降低扣件的造价

应尽量优化各部件尺寸，降低扣件的造价，使新扣件造价与普通地铁扣件相当。

3.2 主要设计参数

(1)设计荷载

扣件的受力取决于诸多因素：如车辆的轴重、固定轴距、曲线半径、钢轨抗弯刚度、扣件刚度等。目前，尚未有公认成熟的理论计算来确定单个扣件的横向力，一般通过经验公式估算，并通过测试加以验证。其中，垂向力为

R=0.5ψW

式中ψ——动载系数，根据《城际铁路设计规范》，设计速度小于等于160 km/h取2.0；

W——名义轮重。

横向力为

H=0.6×R(小半径曲线)

车辆轴重按17 t计算，垂向力R=85 kN；横向力H=51 kN。

(2)扣压力和纵向阻力取值

有砟轨道混凝土枕用扣件的防爬阻力必须大于道床纵向阻力。而无砟轨道的纵向阻力完全取决于扣件纵向阻力，设计时可参考有砟轨道的纵向阻力相当值[2，15，16]。

《城际铁路设计规范》中规定，设计速度为160 km/h时，有砟轨道道床纵向阻力≥12 kN/枕(20 kN/m)。常阻力扣件采用Ⅱ型弹条，扣压力为10 kN；橡胶垫板与钢轨之间摩擦系数取0.65，轨距块与钢轨之间摩擦系数取0.25，纵向阻力r=2×10(0.25+0.65)/0.6=31.6 kN/m，扣件防爬阻力大于道床纵向阻力，可满足无缝线路铺设要求。

高架桥小阻力扣件采用“小阻力弹条+复合垫板”的组合，根据无缝线路检算[11]，建议防爬阻力取10 kN/m，复合垫板与钢轨之间摩擦系数取0.25，轨距块与钢轨之间摩擦系数取0.25，纵向阻力r=2×6(0.25+0.25)/0.6=10 kN/m，小阻力弹条扣压力按照6 kN进行设计。

(3)静刚度

扣件节点垂向刚度应以30 kN/mm左右为宜[20]，与《地铁设计规范》中要求的20～40 kN/mm及《城际铁路设计规范》中20～30 kN/mm一致。

(4)轨距、高低调整量

扣件轨距调整量为±12 mm，高低调整量为30 mm，满足无砟轨道轨距加宽、施工误差等的调整要求。

3.3 扣件结构设计

(1)扣件方案设计

采用有挡肩、有螺栓结构，将横向力通过轨距挡板传至轨枕挡肩上，锚固螺栓不再承受横向力，优化了受力结构，延长了扣件使用寿命，对高速行车以及小半径曲线的适应性更好。扣件由螺旋道钉、平垫圈、弹条(II型弹条和小阻力弹条)、绝缘块、轨距挡板、轨下垫板(普通垫板和复合垫板)、铁垫板、铁垫板下弹性垫板和预埋套管组成(见图4)。

图4 有挡肩扣件组装示意(单位：mm)

该有挡肩扣件主要有以下特点。

①在WJ-8型扣件基础上，针对城际及市域铁路的运营条件，进行了优化设计。

②扣件系统为带铁垫板的弹性不分开式扣件，混凝土轨枕或轨道板承轨槽设混凝土挡肩，由钢轨传递而来的列车横向荷载通过铁垫板和轨距挡板传递至混凝土挡肩，降低了横向荷载的作用位置，使结构更加稳定。

③扣压件采用国铁Ⅱ型弹条，经过了几十年的运营考验，技术成熟，通用性好，造价较低。

④通过轨距挡板和绝缘轨距块共同实现轨距调整，调整量大，且调整方便。

⑤同一结构可安装多种弹条(II型弹条和小阻力弹条)，配合使用摩擦系数不同的轨下垫板(橡胶垫板或复合垫板)可获得不同的线路阻力。

(2)静力计算

采用ANSYS有限元分析软件建立扣件的有限元模型，通过模拟扣件工作过程中的实际受力情况，对其静刚度及各零部件的受力进行分析，验证扣件力学性能是否满足使用要求。

① 计算荷载说明

在工作过程中，ZX-2Y型扣件主要承受车轮传递至钢轨轨头的垂向荷载和横向荷载，内部荷载为螺旋道钉拧紧后产生的对弹条的压力，进而产生对轨距块和轨距挡板的压力。模型加载情况如图5所示(已对轨枕底面进行约束处理)。

图5 扣件加载方案示意

②计算模型

本模型中，钢轨为60kg/m钢轨，轨枕为有挡肩轨枕。为检验小阻力弹条性能，扣件各零部件均采用实体模型；为保证计算效率，在不影响计算结果的情况下，对扣件模型进行简化，主要包括：

简化螺旋道钉的螺纹，螺栓直径保持不变；

省略平垫圈和绝缘套管；

对轨距挡板和轨距块形状进行简化；

去除扣件模型中非关键部分R3以下的圆角。

③ 网格划分

单元划分采用3D实体单元中的SOLID45实体元，采用自由划分的方式进行网格划分，划分结果如图6所示。

图6 扣件有限元模型

④计算参数

扣件各部件材料属性见表1。

⑤组装静刚度计算

通过向组装扣件系统的钢轨施加垂直于钢轨底面的荷载，计算钢轨在荷载作用下产生的相对于轨枕的位移。根据产生单位位移变化增加的垂向力来确定组装扣件系统的静刚度[8，14]。

表1 扣件各部件材料属性

注：铁垫板下弹性垫板静刚度为30 kN/mm。

对钢轨分别施加5 kN和55 kN的垂向作用力，计算出两种荷载作用下的钢轨位移分别为1.721 mm和0.157 mm(如图7所示)。

图7 钢轨位移

扣件的组装静刚度为

(1)

⑥受力检算

对有挡肩扣件螺栓的预紧方式进行简化处理，建立如图8所示的有限元模型，对钢轨和轨距挡板进行约束，在螺栓上施加预紧力，通过调整预紧力的大小来计算弹条扣压力。通过计算得出，当预紧力为12.5 kN时，弹条的扣压力为6 kN。

在分析过程中，为钢轨施加垂向85 kN、横向51 kN的静荷载，并对两螺栓分别施加12.5 kN的预紧力，计算扣件各部件的受力情况，分析各部件的受力状态，见图9和表2。

图8 螺栓预紧力计算有限元模型

图9 各部件应力

表2 各部件计算结果汇总 MPa

经计算，有挡肩扣件的组装静刚度为32.0 kN/mm，在列车静载作用下，各部件的受力特性满足要求[17-19]。

3.4 扣件试验试制及室内试验

根据设计方案，对扣件进行相关试验，并进行部件的组装试验，验证其性能。

(1)弹条试验

针对新型小阻力弹条，进行了尺寸、外观、裂纹、硬度、金相组织、表面脱碳层、残余变形、扣压力、疲劳性能等试验。

经检验，小阻力弹条的尺寸、金相组织、脱碳层满足设计技术要求，扣压力在5.5～6.5 kN之间，残余变形小于1 mm，疲劳试验后弹条无损伤，疲劳变形小于1 mm。试验结果均满足设计要求。

(2)扣件组装试验

按照《高速铁路扣件系统试验方法》的测试要求，对扣件进行组装疲劳试验(见图10)[4-7]。

图10 有挡肩扣件组装疲劳试验

取常阻力扣件、小阻力扣件、小阻力调高扣件(调至最大调高量时)各两组分别进行组装疲劳试验，试验结果见表3。

表3 扣件组装疲劳性能结果

扣件的各项试验均满足规范的要求，疲劳试验前后，轨距加宽、扣压力变化、静刚度变化、纵向阻力变化均满足要求。

4 结论

(1)理论计算表明，有挡肩扣件具有较大的抗横

向力，钢轨稳定性好，刚度均匀，可适用于时速160 km城市快轨。

(2)该扣件地下线与高架线可通用，仅通过更换弹条和轨下垫板就可调节纵向阻力，备品备件少，方便养护维修。

(3)组装疲劳试验表明，轨距扩张量、静刚度、扣压力、纵向阻力变化率均满足相关标准的要求。