城市軌道交通高架線高彈性鋼軌扣件的研究設計

摘 要:通過對軌道交通高架線鋼軌扣件的分析，確定了新型高彈性扣件的設計原則、設計參數及結構型式，介紹了新型扣件的抗疲勞及減振性能試驗情況。
一 城市軌道交通鋼軌扣件的現狀分析及研究的必要性
扣件是軌道結構中的重要部件，它把鋼軌與軌下基礎牢固地聯結在一起。扣件應具有足夠的強度、耐久性及一定的彈性，能長期地保證鋼軌與軌枕的可靠聯結、保持軌距，防止鋼軌作相對于軌枕的縱向移動，持久地保持其穩固位置，并在動力作用下充分發揮其緩沖及減振性能，以減緩軌道殘余變形積累的速度。扣件性能的好壞，直接影響到軌道結構整體的穩定性及養護維修工作量。
1。為抵抗輪軌橫向力，需要將螺栓擰到某一擰緊力矩，橡膠墊層受到壓縮變形，使其喪失部分彈性。扣件的減振性能不能充分發揮。如果螺栓不擰緊將不能使扣件牢固的固定在軌枕上，螺栓也將承受由輪軌橫向力產生的較大的彎曲變形，導致螺栓失效，影響行車安全。
目前還有一種高架橋用的鋼軌扣件,即軌道減振器扣件，俗稱“科隆蛋”的扣件，見圖2。這種扣件的結構特點是利用橡膠將上面的承軌板和下面的底座硫化在一起，橡膠主要承受剪切作用，由于橡膠的剪切彈性大大好于其壓縮彈性，故蛋形扣件具有很低的垂直靜剛度，一般在10kN/mm左右，低的可以達到6kN/mm。我國在20世紀80年代后期進行過仿制，并用于上海、廣州地鐵。根據廣州地鐵的運營測試結果，與廣州地鐵單趾彈簧扣件（扣件節點靜剛度約42kN/mm）相比，減振效果約為8dB。
這種扣件的缺點是減振彈性隨時間的推移，有較大的衰減，導致減振失效需要更換，并且這種扣件的成本很高。
一般城市軌道交通高架線軌道結構的基礎型式多為整體道床，扣件設計應有較好的彈性、減振降噪、減少維修工作量。隨著國內外軌道結構技術的不斷發展，研究設計技術性能更優的扣件是十分必要的。
新設計的扣件的扣壓力適宜，調高調距量大、彈性好，滿足調整鋼軌水平、高低的要求，能牢固鎖定鋼軌，其良好的彈性可適應高架整體道床這種剛性基礎。
二 主要研究設計原則的確定
城市軌道交通用鋼軌扣件與一般鐵路用扣件的最大不同點在于其有較高的減振性能和極少的養護維修工作量。為防止產生雜散電流，要求有較高的絕緣性能。為此，確定高彈性鋼軌扣件研究設計原則如下：
（1） 扣件結構應堅固、穩定，能抵抗鋼軌傳遞的各種荷載的作用。
（2） 鋼軌扣壓件與現有的扣壓件一致，采用有螺栓扣壓件。
（3） 扣件應具有較高的減振性能，采用雙層減振墊層。
（4） 扣件應具有較高的電絕緣性，采用三層絕緣設計。
（5） 盡量統一全線各種扣件的通用零部件。
三 高彈性鋼軌扣件基本型式的確定
新型高彈性鋼軌扣件采用無擋肩彈性分開式結構，如圖3所示。上層鐵墊板與下層鐵墊板之間墊入橡膠墊板，上層鐵墊板兩端做成凹槽，以與下層鐵墊板兩端的凸臺相適應；兩塊鐵墊板在凹凸配合部位設絕緣緩沖墊，以加強絕緣；在絕緣緩沖墊板上設扣板。中間橡膠墊板在對應于軌下部位的橡膠圓粒直徑大于其余部位的圓粒直徑，以改善上層鐵墊板的受彎情況；下層鐵墊板凸臺的螺栓孔直徑大于下部直徑，以減小螺栓的彎曲力臂。被螺栓緊固后的扣板 只限制上層鐵墊板上翹，而不通過上層鐵墊板對中間橡膠墊板產生預壓力，保證橡膠墊板的彈性不損失。
這種結構形式可以與各種鋼軌緊固件相結合，中間橡膠墊板可以有不同的結構形式。
扣件節點靜剛度為10～15kN/mm，鋼軌水平調整量為40mm，軌距調整量+8mm、-16mm。扣壓鋼軌件采用DⅢ型彈條（Φ13mm、ω型），彈程11mm，一個彈條的扣壓力4kN。鐵墊板用螺旋道釘與預埋尼龍套管的短軌枕聯結。
四 主要設計參數的研究
4.1扣件承受垂直力和橫向水平力大小的確定。
鋼軌扣件所承受的輪軌橫向力的大小取決于車輛軸重的大小、車輛轉向架軸距、線路曲線半徑的大小，鋼軌的橫向抗彎剛度及扣件的橫向剛度等因素。目前尚未有比較成熟的扣件橫向力計算理論。一般是通過經驗公式估算，然后再通過現場測試進行驗證。
目前，UIC估算方法是較常用的計算方法。UIC規定作用在單個扣件的垂直力（枕上壓力）R和橫向水平力H可用下列公式估算：
R=0.5ψω H=0.4R（大半徑）
H=0.6R（小半徑）
ψ—速度系數，取1.5；
ω—名義輪重，等于0.5P，P—軸重
對于天津地鐵:軸重為141kN，輪重為70.5kN
則 R=0.5×70.5×1.5=52.9 (kN)
對于大半徑曲線 H=0.4×52.9=21.15 (kN)
對于小半徑曲線 H=0.6×52.9=31.74 (kN)
小半徑曲線控制設計，故取 H=35 kN
根據北京地鐵在R200m半徑的曲線上實測的資料，當列車速度為50km/h時，測得的扣件橫向力最大可能平均值為28.9kN，天津地鐵最小半徑為350m，故本工程的扣件采用橫向水平力取值為35kN，這種控制設計的條件偏于安全。
4.2扣件彈性的確定
扣件結構彈性是非常重要的參數，取值是否合理決定了扣件的減振性能的好壞。這與扣件結構、墊層的材料、外形及外部荷載的大小等因素有關，扣件彈性好可以使軌道結構彈性達到木枕碎石道床的效果。新扣件的節點垂直靜剛度應接近目前軌道減振器“科隆蛋”
的彈性值,取10～15kN/mm。
4.3調距調高量的確定
在運營過程中軌道不可避免地會出現高低水平及軌距超差的問題，對于這些問題應采用較為方便的解決辦法，即扣件結構設計中應考慮有適當的調高、調距能力。高架整體道床，應考慮橋墩下沉或橋梁收縮徐變的影響，調高量應大一些，為+40mm，其中軌下可調10mm、鐵墊板下可調30mm；扣件的調距能力為－16mm～＋8mm。
4.3電絕緣性
扣件必需具有良好的電絕緣性，以滿足軌道電路的要求。同時扣件是城市軌道交通中防止雜散電流的第一道關卡，必須有較高的絕緣值，所有扣件絕緣部件的電絕緣性能均要求達到108Ω以上。
五 扣件結構的研究設計
高架軌道鋼軌扣件主要承受著輪軌垂直力和橫向水平力,輪軌橫向水平力由上層鐵墊板傳給下層鐵墊板的凸緣,最終由下層鐵墊板與其下墊層之間的摩阻力平衡。扣件兩端的M30螺栓只對下層鐵墊板起緊固作用,不對上層鐵墊板預緊,這樣就解決了原高架橋鋼軌扣件鐵墊板下彈性墊層被M30螺栓預先壓縮彈性損失的問題。
5.1鐵墊板設計
A、上層鐵墊板設計
上層鐵墊板承受鋼軌的壓力和輪軌橫向力，兩端設計成凹槽，并通過凹槽將橫向力傳給下層鐵墊板，由于其下有較軟的橡膠墊層，為防止它彎曲破壞，厚度取為18mm。
B、下層鐵墊板設計
下層鐵墊板承受著由中間彈性墊層衰減后的豎直力和上層墊板傳來的輪軌橫向力及M30螺栓的豎直緊固力。兩端設計成凸臺抵擋橫向力。見圖5。其下的墊層較薄，剛度大，鐵墊板彎曲應力小，厚度相對較薄，取15mm。為降低M30螺栓的彎曲力臂,凸形臺上部螺栓孔徑比下部大,這樣橫向力的作用點比較低,增強了M30螺栓的耐久性。鐵墊板采用球墨鑄鐵QT450-15鑄造。
5.2減振墊層設計
扣件的彈性主要由橡膠墊層提供，其彈性目標值是使扣件垂直靜剛度在10～15kN/mm之間，墊層分軌下墊層和鐵墊板之間墊層兩部分，降低軌下剛度可以減輕鋼軌的高頻振動，減少鋼軌振動噪音的傳播，降低鐵墊板下墊層剛度，可減少扣件墊板的振動噪音。鐵墊板之間橡膠墊板的靜剛度值與鋼軌下橡膠墊板靜剛度比值取為1.5～2倍，軌下橡膠墊板靜剛度值為30～40kN/mm，墊板下橡膠墊板靜剛度值為40～60kN/mm。
A、軌下橡膠墊板的設計
橡膠墊板的彈性除與其材料性能有關外，還與其外形結構有很大關系，目前較常用的外形分圓柱形和溝槽兩種。
圓柱結構是在橡膠上下表面設置許多矮小圓柱體，具有臨空面積大的優點，可以提供較大的壓縮變形，但是由于鋼軌底寬只有150 mm，所有的輪軌垂直力全部作用在上面，往往會導致圓柱表面的壓應力超過橡膠的允許壓應力（3～5MPa），使橡膠壓潰而失去彈性，另一方面圓柱根部也要做好圓弧過渡，否則極易從此產生裂紋，影響耐久性。故軌下橡膠墊板采用溝槽形式，不用圓柱形結構。為增加彈性，墊板的厚度取為12mm，表面設置17條溝槽，其中一面為9條溝槽，另一面為8條溝槽，經理論計算軌下橡膠墊板的靜剛度約為35kN/mm，實測值為35～38kN/mm。
B、墊板之間橡膠墊板的設計
鐵墊板之間的彈性墊層設計是本扣件的技術核心之一，與軌下橡膠墊板不同，鐵墊板下橡膠墊板承壓面積大，表面壓應力小，為爭取彈性采用圓柱形結構，雙面設置，圓柱高4mm，直徑14mm，墊層厚度17mm，設計靜剛度值為40～50kN/mm。為降低上層墊板的彎曲應力，在軌下部位的橡膠圓柱直徑取14mm，其余部位圓柱直徑為12mm。為提高其減振性能小圓柱頂面設計成弧面，對荷載的小幅振動衰減有利。
5.3 其他部件設計
A、絕緣墊
絕緣墊在兩塊鐵墊板的凹凸部位設置絕緣墊，起絕緣和緩沖的作用，材料為玻纖增強聚酰胺66。
B、扣板
扣板在下層鐵墊板的凸臺上設置扣板，其作用是限制上層墊板上翹，防止軌距擴大，采用鋼板制造。
C、絕緣緩沖墊板
絕緣緩沖墊板位于下層墊板下，起絕緣和提供摩擦力的作用。下層鐵墊板被M30螺栓牢牢的緊固在軌枕上，鐵墊板與墊層之間產生很大的摩擦力平衡輪軌橫向力。墊層采用橡塑制成，具有良好的韌性和耐磨性能。
D、其余的部件
其余的部件包括鋼軌扣壓件、T形螺栓、軌距調整塊、M30螺栓、預埋套管等均與現用扣件一致。
六 疲勞試驗
為檢驗扣件整體組裝情況下的性能，保證運營安全，必須在室內進行組裝疲勞試驗，以檢驗各部件的耐久性。試驗方法如下：將兩組新型扣件組裝在一根軌枕上，軌枕是借用國家鐵路提速道岔的岔枕，表面無軌底坡，對扣件偏于不利。采用加力架向兩短軌加載，橫向力為4.3～35kN，垂向疲勞荷載為5～40.5kN,加載頻率為4Hz。
經300萬次循環荷載疲勞試驗后檢測，扣件各部件完好，軌距擴大僅2.5mm。
七 減振對比試驗
落錘減振對比試驗的目的是分析不同的鋼軌扣件在同樣沖擊錘落高的情況下減振情況，通過測定短軌枕、整體道床及基礎的振動加速度，通過對振動加速度的分析，得出新型鋼軌扣件相對現有的高架鋼軌扣件和軌道減振器扣件的減振效果。
試驗前，利用鐵科院動力學試驗室已灌注的一段混凝土整體道床，經修整擴槽后，埋入3塊短軌枕，利用落錘沖擊試驗機進行新型鋼軌扣件、軌道減振器及DTⅦ2型扣件分別配剛性整體道床時的減振性能試驗。
落錘沖擊試驗共設3種工況，見表1，每種工況布置4個測點，即鋼軌加速度，短軌枕加速度，道床加速度和基礎加速度。
九、結語
新型鋼軌扣件確保了鐵墊板下的橡膠墊板充分發揮其彈性，不象傳統的分開式扣件由于螺栓的擰緊而導致橡膠墊板的彈性損失；該扣件安裝方便，如果某一部件損壞更換也非常簡單；該扣件具有三重絕緣，比傳統的扣件具有更好的電絕緣性，非常適合城市軌道交通的雜散電流防護。下層鐵墊板的凸臺設計既有效的承受由上層鐵墊板傳遞的輪軌橫向力，又不增大螺栓的彎曲力臂，確保了螺栓的安全使用。鐵墊板之間的橡膠墊板結構設計充分考慮了其上部力的分布特點，能夠使上層鐵墊板在豎直力的作用下均勻下沉，減小了鐵墊板的彎曲變形，有效的延長其使用壽命。
試驗證明，新型鋼軌扣件比目前的扣件在減振性能上有明顯的優點，經過進一步結構優化設計，減振性能將與軌道減振器扣件相當，而其成本則低于軌道減振器扣件。