扣板式扣件力学特性及优化设计

叶松

中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063

铁路货场门式起重机通过两侧支腿支撑在地面钢轨上，钢轨通过扣件系统固定，并将上部吊装荷载及自重传递至下部承轨梁和地基上［1］。扣件作为保证钢轨稳定的关键连接部件，其服役状态对整个走行轨系统至关重要。目前铁路货场走行轨扣件的选用尚无明确标准及规范［2］，一般参考铁路的弹条扣件或参考《吊车轨道联结及车挡（适用于混凝土结构）》（图集号：17G325）等国家标准图集设计的扣板式扣件。扣板式扣件具有零件标准化、经济性好等优点，广泛用于码头、仓库、工厂等门式起重机走行轨系统中［3］。

针对扣板式扣件，国家标准图集中并未明确扣件零件材料、制作工艺等要求，在实际工程应用中存在零件制造达不到精度要求等问题［2］。随着铁路货场长大笨重货物以及集装箱运输的发展，门式起重机的起重吨位越来越大，其走行轨扣件系统按照常规设计出现的病害日益增多。扣件质量已成为走行轨系统最易发生的质量问题之一［4］。通过现场调研发现，随着线路运营时间的增长，在轮载及外界复杂环境荷载反复作用下，部分地段的走行轨扣板式扣件出现了不同程度的病害，如铁垫板压弯变形严重、铁垫板下橡胶垫老化窜出、螺旋道钉锈蚀、螺母松动、离缝脱空、承轨梁裂纹等，见图1。扣件病害影响结构耐久性，降低使用寿命，严重时甚至威胁走行轨系统的安全稳定。

一些学者对走行轨扣件开展了研究。徐志良［2］分析了常用走行轨固定装置的使用现状及效果。雷存茂等［4］对比了铁路货场门式起重机轨道系统的差异。钟渊等［5］比较分析了两种港口起重机轨道固定系统的优缺点。张晓晗等［6］探讨了起重机连续式钢轨固定方法的原理和构造。既有研究主要集中在结构介绍、优缺点分析及选用方面，未结合频发的病害问题对扣板式扣件的受力机理及优化设计进行深入研究。

本文结合扣板式扣件的结构特点，建立可考虑扣件各部件复杂相互作用关系的走行轨扣件系统精细化有限元分析模型，研究扣板式扣件的受力变形特性，同时结合现场病害调研情况，提出结构设计优化措施，以期对我国货场走行轨扣板式扣件的优化设计及养护维修提供参考。

1 精细化分析模型

扣板式扣件由螺旋道钉、螺母、平垫圈、弹簧垫圈、扣板、铁垫板、铁垫板下橡胶垫板等部分组成。扣件、QU70 钢轨、承轨梁等部分共同组成走行轨系统。承轨梁为C30钢筋混凝土条形基础。钢轨通过扣件固定在承轨梁，钢轨下面设铁垫板，铁垫板下设绝缘缓冲垫。走行轨系统横断面见图2。

图2 走行轨系统横断面

建立可考虑扣板式扣件各组成部件复杂相互作用关系的有限元精细化分析模型，分析扣板式扣件在轮载作用下的力学特性。

1.1 计算参数

扣板式扣件各主要组成部件的几何尺寸均按工程实际取值。钢轨采用QU70 钢轨，扣件间距0.5 m；螺旋道钉、螺母、平垫圈采用Q235A 碳素结构钢材质；扣板采用KTH350-10 黑心可锻铸铁材质；根据GTCC-068—2019《铁路专用产品质量监督抽查检验实施细则 铁道混凝土枕轨下橡胶垫板》，轨下橡胶垫板刚度取100 kN/mm；轨下橡胶垫板尺寸为200 mm（长） ×132 mm （宽）× 10 mm（厚）；铁垫板尺寸为370 mm （长）×200 mm （宽）× 10 mm（厚），采用Q235B 材质；铁垫板下绝缘缓冲垫板尺寸与铁垫板尺寸相同，采用聚酯耐磨型传送带材质，刚度为1 000 kN/mm，垫板弹性模量通过尺寸和刚度换算得到［7］；承轨梁混凝土强度等级为C30。主要组成部件材料参数见表1。

表1 走行轨轨道结构主要计算参数

门式起重机走行轨位于直线上，且运行速度较低，走行轨轨道结构主要承受起重机垂向、横向荷载作用。铁路货场A 配置一台50 t-30 m U 型双梁箱形门式起重机，为软钩起重机，荷载分布图式见图3。根据GB 50009 —2012《建筑结构荷载规范》，单个车轮最大轮压标准值为260 kN，横向水平荷载标准值百分数取10%，因此计算中垂向力、横向水平力分别取260、26 kN。加载方式采用四轮垂向、横向集中力加载，作用在钢轨顶面。

图3 荷载分布图示（单位：mm）

1.2 计算模型

建立可考虑扣板式扣件各组成部件复杂相互作用关系的有限元精细化分析模型，见图4。模型包括钢轨、扣板式扣件、承轨梁三部分。钢轨、承轨梁以及扣板式扣件的主要组成部件均采用实体单元模拟。在不改变扣件系统整体传力特性的前提下，对扣件部分零件外形进行适当简化［8］。弹簧垫圈采用弹簧单元模拟，弹簧刚度为168 kN/mm［9］；扣件组装时，螺母扭力矩120 N·m，换算得到螺旋道钉预压力为14 kN。钢轨两端采用对称约束，承轨梁底部采用固定约束；钢轨与铁垫板之间、扣板与钢轨之间以及铁垫板下橡胶垫板与承轨梁之间各界面切向均采用摩擦接触模拟，摩擦因数分别取0.2、0.2 和0.8，法向采用硬接触模拟［10-11］。结合荷载情况，同时考虑到避免边界效应对结构的影响，有限元模型长度取8 m。

图4 有限元分析模型

1.3 有限元模型验证

为保证模型的合理性，对扣件精细化分析模型进行验证，确保模型能够准确地反映出实际扣板式扣件系统的工作特征。

对钢轨轨头逐级施加垂向荷载，轨下橡胶垫板压缩至1 mm 时，提取单个扣板的支反力为2.71 kN，则单组扣件的扣压力为5.42 kN，与文献［12］相同工况下的扣压力相差不大，约4.2%。通过对钢轨施加纵向荷载，计算每组扣件钢轨的纵向阻力，得到扣件钢轨纵向阻力为11.4 kN，与扣件系统设计参数纵向阻力不小于11 kN 吻合。由此验证了本文所建立的有限元模型的有效性，可用于后续研究。

2 力学特性

在垂向和横向轮载共同作用下，走行轨系统各部件的受力及变形见图5，其峰值见表2。

表2 轮载作用下走行轨系统各部件受力及变形峰值

由图5和表2可知：

1）在受力方面，在垂向、横向轮载共同作用下，钢轨、扣板、螺栓道钉、铁垫板、承轨梁最大主应力为拉应力，其中扣板受力相对较小，螺旋道钉和铁垫板受力较大，铁垫板上部受压，下部受拉；承轨梁与螺旋道钉相互作用位置存在较为明显的应力集中现象，承轨梁最大拉应力小于C30混凝土抗拉强度（2.2 MPa）；橡胶垫板和绝缘缓冲垫板最大主应力为压应力，整体受力水平较低。

2）在变形方面，钢轨、扣板、螺旋道钉、橡胶垫板、铁垫板垂向位移相对较大，横向位移整体相对较小，均在1 mm以内。

对比各部件拉应力与强度标准值，得到各部件安全系数，见表3。可知，设计标准状态的走行轨扣件系统在垂向和横向轮载共同作用下，各部件受力均满足要求，但螺旋道钉、铁垫板及承轨梁的受力较大，安全冗余相对不足。综合现场病害情况，扣板式扣件系统在铁垫板、橡胶垫板等方面还存在优化空间。

表3 走行轨系统各部件安全系数

3 扣板式扣件优化设计

为进一步提高走行轨扣件系统的强度和稳定性，根据前文的计算结果，结合现场病害情况，从优化调整铁垫板厚度和轨下橡胶垫板刚度两方面对扣件系统进行优化设计。

3.1 优化铁垫板厚度

根据调研情况，现场存在铁垫板压弯病害，导致轨道线形较差，啃轨、车轮磨损严重。为解决此问题，通过优化加强铁垫板厚度，提高铁垫板的承载能力，避免受力变形过大而影响整体结构安全。结合设计情况，铁垫板厚度分别取5、8、10（原设计值）、15、20、25 和30 mm。铁垫板材质、螺旋道钉埋入承轨梁的深度以及其他部件参数不变。计算得到走行轨扣件系统各部件的受力及变形随铁垫板厚度的变化曲线，见图6。可知：

图6 走行轨系统各部件受力及变形随铁垫板厚度变化曲线

1）在受力方面，①随着铁垫板厚度的增加，螺旋道钉、铁垫板拉应力呈非线性减小趋势；承轨梁拉应力整体呈非线性变化，铁垫板厚度小于10 mm 时，随着铁垫板厚度增加，承轨梁拉应力减小较为明显，厚度为10 ～ 20 mm 时，承轨梁拉应力减小速率变小，铁垫板厚度超过20 mm 后，随着铁垫板厚度的增加呈非线性增加趋势。②钢轨拉应力随着铁垫板厚度的增加整体呈非线性变化。铁垫板厚度小于20 mm 时，随着铁垫板厚度的增加，钢轨拉应力减小较为明显；厚度为20 ～ 25 mm 时，钢轨拉应力减小速度明显减缓；铁垫板厚度超过25 mm 后，钢轨拉应力随着铁垫板厚度的增加呈缓慢增加趋势。这是因为，当铁垫板厚度较小时，增加铁垫板厚度能一定程度减小铁垫板下承轨梁的应力集中现象，从而改善系统受力，承轨梁所受拉应力减小；当厚度超过一定限值后，扣件系统整体所受弯矩增加，横向力产生的弯矩通过螺旋道钉传递至承轨梁，导致钢轨及承轨梁拉应力增加。

2）在变形方面，随着铁垫板厚度的增加，钢轨、铁垫板、橡胶垫垂向位移呈非线性减小趋势，且变化速度逐渐减小。铁垫板厚度小于20 mm 时，随着铁垫板厚度的增加，铁垫板横向位移减小较为明显；厚度为20 ～ 25 mm时，铁垫板横向位移减小速度明显减缓；铁垫板厚度超过25 mm 后，随着铁垫板厚度的增加呈一定增加趋势，但变形整体相对较小。

综上，建议铁垫板厚度优化至20 mm，且不宜超过25 mm。同时为进一步提高走行轨系统强度和稳定性，建议铁垫板材料优化为QT450-10 球墨铸铁件材质，提高屈服强度标准上限至310 MPa。

3.2 优化轨下橡胶垫板刚度

轨下橡胶垫板刚度分别取50、100（原设计值）、250、500、750、1 000、1 250 和1 500 kN/mm。算得走行轨扣件系统各部件的受力及变形随橡胶垫板刚度的变化曲线见图7。

图7 走行轨系统各部件受力及变形随橡胶垫板刚度变化曲线

由图7可知：

1）在受力方面，①钢轨、螺旋道钉、铁垫板和承轨梁的受力均随橡胶垫板刚度增加而整体上呈非线性减小趋势，且变化速度逐渐减小。橡胶垫板刚度取500 kN/mm 时，各部分的受力及变形随着刚度的变化尚未趋于稳定，橡胶垫板刚度还存在进一步优化的空间；橡胶垫板刚度超过800 kN/mm时，承轨梁拉应力基本趋于稳定；橡胶垫板刚度超过1 000 kN/mm 时，螺旋道钉、铁垫板拉应力基本趋于稳定；橡胶垫板刚度超过1 250 kN/mm 时，钢轨拉应力基本趋于稳定。②橡胶垫板刚度小于70 kN/mm 时，承轨梁拉应力超过了C30 混凝土极限抗拉强度（2.2 MPa），存在拉裂风险。③橡胶垫板压应力随着刚度的增加而整体上呈非线性增加趋势，增加速度逐渐减小，整体应力水平较小。

2）在变形方面，钢轨、螺旋道钉、铁垫板和橡胶垫板垂向、横向位移均随着橡胶垫板刚度的增加而整体上呈非线性减小趋势，变化速度逐渐减小。橡胶垫板刚度超过1 000 kN/mm时，变形基本趋于稳定。

综上，建议橡胶垫板刚度取1 000 kN/mm；同时结合实际工程，考虑构件通用性，建议轨下橡胶垫板采用与铁垫板下绝缘垫板相同材料，采用聚酯耐磨型传送带材料，性能满足GB/ T 32457—2015《输送带 具有橡胶或塑料覆盖层的普通用途织物芯输送带规范》的相关要求。

4 优化设计效果

4.1 走行轨扣件系统优化前后对比

优化前后走行轨系统各部件受力及变形对比见表4。可知：①除扣板的受力一定程度增加外，走行轨扣件系统的其他组成部件受力均有较大幅度减小，且优化后的扣板受力峰值远小于扣板材料的屈服强度；相较于优化前，螺旋道钉、铁垫板和承轨梁主应力分别减小了62.1%、66.9%和71.5%。②走行轨扣件系统的变形情况得到大幅改善。相较于优化前，钢轨、铁垫板垂向位移分别减小了53.9%和81.7%；螺旋道钉和绝缘缓冲垫板横向位移分别减小了76.9%和81.8%。

表4 优化前后走行轨系统各部件受力及变形对比

4.2 现场应用效果

根据现场调研，铁路货场A 配置的50 t-30 m U 型双梁箱形门式起重机采用的扣板式扣件，在服役多年后出现了铁垫板压弯、承轨梁裂缝、橡胶垫板压坏或窜出等问题，导致走行轨轨面平顺性急剧下降，存在严重的安全隐患。通过针对性更换橡胶垫板、铁垫板等优化措施进行整治。整治运营两年后现场实测线形指标与整治前对比见图8。可知，优化整治后走行轨轨面线形保持良好，扣件系统各组成部件现场服役状态良好。

图8 整治前后现场实测线形指标对比

综上，走行轨扣件系统铁垫板厚度优化取20 mm，采用QT450-10球墨铸铁件材质，橡胶垫板刚度优化取1 000 kN/mm，采用聚酯耐磨型传送带材质，能很好改善走行轨扣板式扣件系统的力学性能。

5 结论

1）标准设计状态下，走行轨扣板式扣件各部件力学性能满足要求，但螺旋道钉、铁垫板及承轨梁的受力较大，钢轨、扣板、螺旋道钉等部件垂向变形较大，存在进一步优化空间。

2）铁垫板厚度优化至20 mm，且不宜超过25 mm；铁垫板材料优化为QT450-10球墨铸铁件材质。

3）轨下橡胶垫板刚度取1 000 kN/mm，采用聚酯耐磨型传送带材料。

4）优化后走行轨扣件系统受力变形均有较大幅度改善。相较于优化前，受力最大减小了71.5%，变形最大减小了81.8%。

5）现场整治应用情况表明，优化整治后走行轨轨面线形良好，优化后扣件系统现场服役状态良好，优化效果明显。