客貨共線無砟軌道用扣件系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李子睿，方杭瑋，劉偉明，閆子權(quán)，孫　啟（.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　0008；哈爾濱鐵路局 大慶工務(wù)段，黑龍江 大慶　63000）

客貨共線無砟軌道用扣件系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李子睿1，方杭瑋1，劉偉明2，閆子權(quán)1，孫啟2
（1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081；2哈爾濱鐵路局 大慶工務(wù)段，黑龍江 大慶163000）

我國客貨共線鐵路中無砟軌道結(jié)構(gòu)及配套扣件系統(tǒng)種類較多，各有不同的適用條件，然而，針對(duì)以貨運(yùn)為主運(yùn)營條件（客車最大設(shè)計(jì)速度160 km/h、貨車最大軸重25 t，預(yù)留發(fā)展27 t）的無砟軌道扣件系統(tǒng)，尚未進(jìn)行過系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)工作。本文針對(duì)以貨運(yùn)為主的剛性道床無砟軌道，研究設(shè)計(jì)了相應(yīng)的扣件系統(tǒng)，并進(jìn)行了扣件組裝性能試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)適用最小半徑曲線地段的軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。試驗(yàn)及理論分析結(jié)果表明，扣件組裝性能和橫向承載能力均滿足線路運(yùn)營要求。

客貨共線鐵路；無砟軌道；剛性道床；扣件系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；性能試驗(yàn)

客貨共線鐵路能夠最大限度地節(jié)約建設(shè)成本、充分提高線路的利用效率，對(duì)于我國這樣的幅員遼闊、資源分布不均衡的發(fā)展中國家而言，在一些欠發(fā)達(dá)地區(qū)發(fā)展客貨共線鐵路尤為重要。我國客貨共線鐵路中無砟軌道結(jié)構(gòu)及配套扣件系統(tǒng)種類較多，每種扣件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同。迄今，針對(duì)以貨運(yùn)為主運(yùn)營條件（客車最大設(shè)計(jì)速度160 km/h、貨車最大軸重25 t（預(yù)留發(fā)展27 t））的無砟軌道扣件系統(tǒng)，尚未進(jìn)行過系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)工作。因此，有必要結(jié)合我國前期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和《鐵路主要技術(shù)政策》的相關(guān)要求，進(jìn)行以貨運(yùn)為主客貨共線無砟軌道用扣件系統(tǒng)的研究工作。

本文僅針對(duì)以下運(yùn)營條件和線路條件進(jìn)行扣件的研究與設(shè)計(jì)：

1）以貨運(yùn)為主，客車最大運(yùn)行速度160 km/h、貨車最大軸重25 t（預(yù)留發(fā)展27 t）；

2）剛性道床無砟軌道，如雙塊式、長枕埋入式等。

1　設(shè)計(jì)原則

1）扣件要有足夠的強(qiáng)度特別是抗橫向荷載能力。

由于客貨共線線路中貨物列車軸重較大，客、貨列車速度差異較大，特別是當(dāng)列車通過曲線地段時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生軌道偏載及較大的橫向力，因此扣件應(yīng)有足夠的承載強(qiáng)度和足夠的抗橫向荷載能力，以保持軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2）優(yōu)先采用少維修的扣件結(jié)構(gòu)，最大限度減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。

無砟軌道一般設(shè)在長大隧道內(nèi)，扣件養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)困難，這就決定了無砟軌道扣件系統(tǒng)應(yīng)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、少維修的特點(diǎn)，最大限度減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。

3）采用有螺栓扣件，使扣件具有足夠的調(diào)整鋼軌高低位置的能力。

為了便于無砟軌道現(xiàn)場(chǎng)施工和后期的養(yǎng)護(hù)維修，扣件系統(tǒng)應(yīng)具有較大的鋼軌高低位置和左右位置調(diào)整能力，扣件系統(tǒng)應(yīng)考慮采用有螺栓結(jié)構(gòu)。

2　扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

客貨共線鐵路無砟軌道扣件系統(tǒng)（以下簡稱扣件）結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。扣件由螺旋道釘、平墊圈、彈條、軌距擋板、擋板座、支承塊、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預(yù)埋套管組成。此外為調(diào)高需要，還包括鐵墊板下調(diào)高墊板。其中，軌距擋板號(hào)碼分為20和24兩種；擋板座號(hào)碼分為9，11，13，15共4種；軌下墊板按厚度分為4，5，6 mm等11種規(guī)格；鐵墊板下調(diào)高墊板按厚度分為10，20 mm 2種規(guī)格。

本扣件為有擋肩帶鐵墊板彈性不分開式結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

1）混凝土軌枕或軌道板承軌槽設(shè)混凝土擋肩，由鋼軌傳遞而來的列車橫向荷載通過軌距擋板和擋板座傳到混凝土擋肩；

2）通過更換不同號(hào)碼的軌距擋板和擋板座可實(shí)現(xiàn)單股鋼軌-6～+4 mm的左右位置調(diào)整量；

3）通過更換不同厚度的軌下墊板和增設(shè)鐵墊板下調(diào)高墊板，可實(shí)現(xiàn)鋼軌高低調(diào)整量-4～+26 mm。

4）鐵墊板不設(shè)擋肩，可以采用沖壓制造，以節(jié)省制造成本；

圖1　扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5）軌距擋板由型鋼制造，可降低生產(chǎn)成本；

6）在鐵墊板下設(shè)彈性墊板，可使扣件系統(tǒng)具有良好的彈性同時(shí)又減少了鋼軌傾翻量；

7）采用螺旋道釘和預(yù)埋套管緊固彈條，提高扣件絕緣性能并便于現(xiàn)場(chǎng)安裝。

3　扣件零部件設(shè)計(jì)

扣件采用的部分零部件（W1型彈條、S2或S3型螺旋道釘、平墊圈及D1型預(yù)埋套管）均與WJ-8型扣件零部件相同；采用的Ⅱ型軌距擋板與彈條Ⅵ型扣件的Ⅱ型軌距擋板相同。因此，主要針對(duì)擋板座、支承座、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板等部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1擋板座及支承座設(shè)計(jì)

擋板座用玻纖增強(qiáng)聚酰胺66制造，兩邊不設(shè)邊耳。

支承座由于使用中受力不大，為了節(jié)省成本用聚乙烯制造。聚乙烯材料在剛度和強(qiáng)度上滿足設(shè)計(jì)要求，并具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。支承座兩端設(shè)有凸耳，用于限定與擋板座的相對(duì)位置。

3.2軌下墊板設(shè)計(jì)

由于軌下墊板不需提供彈性，考慮其承載能力和摩擦系數(shù)均要求較高，故采用聚乙烯和醋酸乙烯（EVA）材料制造。

在軌下墊板的兩側(cè)設(shè)計(jì)有邊耳，用于卡住鐵墊板，防止軌下墊板沿鋼軌方向竄動(dòng)。扣件正常安裝時(shí)采用8 mm厚軌下墊板，通過更換不同厚度的軌下墊板，可實(shí)現(xiàn)鋼軌-4～+6 mm的高低調(diào)整量。

3.3鐵墊板設(shè)計(jì)

鐵墊板要有合適的厚度，若太厚既浪費(fèi)原材料又不便于現(xiàn)場(chǎng)安裝；若太薄，由于鐵墊板下設(shè)置較低剛度的彈性墊板，列車通過時(shí)將造成鐵墊板撓曲變形過大而導(dǎo)致斷裂，影響行車安全。

WJ-8A型扣件為高速鐵路兼顧貨運(yùn)采用的無砟軌道扣件，彈性墊板剛度為30～40 kN/mm，鐵墊板厚度16 mm。由于本扣件方案的鐵墊板長寬尺寸、鐵墊板下彈性墊板剛度（35～50 kN/mm）與WJ-8型扣件相近，故將本扣件鐵墊板厚度暫定為16 mm。

由于不需要鐵墊板傳遞橫向力，因而鐵墊板上不設(shè)擋肩，這就大大簡化了鐵墊板的制造工藝，可采用Q235-A鋼板沖壓成型。

為保證行車安全性，對(duì)已確定尺寸的鐵墊板強(qiáng)度進(jìn)行校核。計(jì)算中選取鐵墊板下彈性墊板的設(shè)計(jì)剛度最小值35 kN/mm。最大垂向荷載選取疲勞試驗(yàn)荷載75 kN。采用有限元方法對(duì)鐵墊板應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力分布見圖2。

圖2　鐵墊板應(yīng)力分布（單位：Pa）

有限元分析結(jié)果表明，鐵墊板最大應(yīng)力132 MPa，相對(duì)材料的屈服強(qiáng)度235 MPa有較大的安全儲(chǔ)備。

3.4鐵墊板下彈性墊板設(shè)計(jì)

在鐵墊板形狀、尺寸確定后，鐵墊板下彈性墊板的平面尺寸也就基本確定了，考慮到彈性墊板在受壓時(shí)會(huì)發(fā)生橫向變形，其平面尺寸應(yīng)略小于鐵墊板的平面尺寸。根據(jù)扣件結(jié)構(gòu)尺寸要求，彈性墊板厚度設(shè)計(jì)為14 mm。

橡膠墊板在我國既有線路上大量使用，橡膠墊板上下表面一般設(shè)計(jì)為溝槽型。溝槽型橡膠墊板制造相對(duì)容易，整體使用效果良好，但其耐油性能和承載能力較差，在長期使用過程中易產(chǎn)生壓潰現(xiàn)象。

由于本扣件鐵墊板下彈性墊板的設(shè)計(jì)靜剛度（35～50 kN/mm）較小，在長期使用過程中更容易損壞，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)增加網(wǎng)狀簾子布（圖3），以提高彈性墊板承載能力，減小其橫向變形，從而延長使用壽命。

圖3　鐵墊板下彈性墊板內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4　扣件組裝性能試驗(yàn)

4.1鋼軌縱向阻力測(cè)試

扣件在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下的鋼軌縱向阻力試驗(yàn)，按《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第1部分：鋼軌縱向阻力的測(cè)定》（TB/T 3396.1—2015）進(jìn)行，試驗(yàn)布置如圖4所示。試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖5，單節(jié)點(diǎn)鋼軌縱向阻力最小值為13.3 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4　鋼軌縱向阻力試驗(yàn)布置

表1　鋼軌縱向阻力測(cè)試結(jié)果　kN

4.2組裝疲勞測(cè)試

參照《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第4部分：組裝疲勞性能試驗(yàn)》（TB/T 3396.4—2015），進(jìn)行扣件標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和鋼軌最大調(diào)高（+26 mm）狀態(tài)的組裝疲勞試驗(yàn)（圖6）。

圖5　1號(hào)樣品鋼軌縱向阻力荷載-位移曲線

圖6　扣件組裝疲勞試驗(yàn)布置

試驗(yàn)參數(shù)為：

①標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)，垂直力PV=75 kN、橫向力PL= 40 kN，試驗(yàn)鋼軌為截矮15 mm的60 kg/m鋼軌，300萬次荷載循環(huán)。

②鋼軌最大調(diào)高（+26 mm）狀態(tài)，垂直力 PV= 75 kN、橫向力PL=60 kN，試驗(yàn)鋼軌為截矮至100 mm高度的60 kg/m鋼軌，10萬次荷載循環(huán)。

每種疲勞試驗(yàn)條件及每種材料彈性墊板各做2組，試驗(yàn)結(jié)果為：①標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下，經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后，扣件各零部件均未出現(xiàn)傷損，軌距擴(kuò)大量均≤6 mm（詳見表2），滿足設(shè)計(jì)要求；②鋼軌最大調(diào)高狀態(tài)下，經(jīng)10萬次大橫向荷載循環(huán)后，扣件各零部件均未出現(xiàn)傷損，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2　標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)疲勞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5　曲線軌道橫向穩(wěn)定性分析

新建客貨共線鐵路設(shè)計(jì)主要依據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50090—2006），規(guī)定線路平面的最小曲線半徑如表3所示。

表3　客車時(shí)速不超過160 km的客貨共線鐵路平面最小曲線半徑

曲線作為軌道線路的薄弱環(huán)節(jié)之一，在列車通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的輪軌橫向力。為驗(yàn)證曲線軌道的橫向穩(wěn)定性，根據(jù)客貨共線鐵路無砟軌道線路運(yùn)營條件，選取以下2種典型工況進(jìn)行計(jì)算。

第1種工況：客車運(yùn)行速度160 km/h，機(jī)車軸重23 t；貨車運(yùn)行速度100 km/h，車輛軸重27 t。曲線半徑1 600 m，超高120 mm。

第2種工況：客車運(yùn)行速度為80 km/h，機(jī)車軸重23 t；貨車運(yùn)行速度80 km/h，車輛軸重27 t。曲線半徑500 m，超高150 mm。

根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用車輛-軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)原理，建立車輛-軌道空間力學(xué)分析模型，見圖7。

圖7　車輛-軌道空間力學(xué)分析模型

列車動(dòng)力學(xué)模型由車體、搖枕、側(cè)架、輪對(duì)等11個(gè)剛體組成，每輛車共47個(gè)自由度。在搖枕和車體間考慮一個(gè)心盤回轉(zhuǎn)摩擦副，垂向和橫向懸掛直接等效到車體和側(cè)架之間，考慮搖枕的搖頭自由度，其余自由度和車體一起考慮；側(cè)架和搖枕之間考慮搖枕彈簧的垂向、橫向與縱向剛度以及楔塊摩擦阻尼特性，此外還考慮了非線性的抗菱變形剛度；軸箱懸掛在橫向和縱向考慮軸箱間隙，在軸箱間隙范圍內(nèi)，用一個(gè)彈簧阻尼器來模擬；當(dāng)軸箱與側(cè)架接觸后，用彈簧阻尼器與線性彈簧止擋并聯(lián)來模擬，側(cè)架考慮縱向、橫向、垂向、搖頭和點(diǎn)頭自由度。

圖7中，Mc，Mt，Mw分別表示車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)的質(zhì)量，kg；Icx，Icy分別是車體側(cè)滾和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)慣量；Itx，Ity分別是轉(zhuǎn)向架側(cè)滾和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)慣量；mr是單位長度鋼軌的質(zhì)量，kg；EI為鋼軌抗彎剛度，N·m2；Ksy，Ksz分別是轉(zhuǎn)向架一側(cè)二系懸掛橫向和垂向剛度，N/m；Csy，Csz分別是轉(zhuǎn)向架一側(cè)二系懸掛橫向和垂向阻尼，N·s/m；Kpy，Kpz分別是每軸箱一系懸掛橫向和垂向剛度，N/m；Cpy，Cpz分別是每軸箱一系懸掛橫向和垂向阻尼，N·s/m；Kpv，Kph分別是軌下墊層和扣件提供的橫向和垂向剛度，N/m；Cpv，Cph分別是軌下墊層和扣件提供的橫向和垂向阻尼，N·s/m；X，Y，Z分別表示縱向、橫向和垂向位移變量，m。

在分析模型中，左右兩股鋼軌均視為離散彈性點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的無限長歐拉梁，并考慮其垂向、橫向及扭轉(zhuǎn)自由度。

車輛子系統(tǒng)與軌道子系統(tǒng)的耦合作用通過輪軌接觸實(shí)現(xiàn)。輪軌法向接觸采用經(jīng)典 Hertz理論模擬，如圖8所示。圖中，A1，B1分別表示輪緣曲率和輪轂橫截面曲率；B2為鋼軌橫截面曲率。

圖8　輪軌法向Hertz接觸

另外，線路模型中的緩和曲線，根據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50090—2006）采用三次拋物線型進(jìn)行模擬分析。軌道不平順幅值采用《鐵路線路維修規(guī)則》（鐵運(yùn)［2006］146號(hào)）中軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖9和表4所示。

計(jì)算結(jié)果表明，輪軌橫向力最大值為38.2 kN，軌距擴(kuò)大量最大值為1.89 mm，而扣件單節(jié)點(diǎn)橫向承載能力均不小于60 kN，因此本扣件可滿足以貨運(yùn)為主的客貨共線鐵路軌道穩(wěn)定性要求。

表4　線路整體穩(wěn)定性理論分析結(jié)果

6　結(jié)論

本文針對(duì)客貨共線線路“客車最大設(shè)計(jì)速度160 km/h、貨車最大軸重25 t（預(yù)留發(fā)展27 t）”的運(yùn)營條件，研究設(shè)計(jì)了適用于無砟軌道的扣件系統(tǒng)，進(jìn)行了扣件組裝性能試驗(yàn)，并對(duì)適用最小半徑曲線地段的軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

1）本扣件為有擋肩帶鐵墊板彈性不分開式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)較大的鋼軌位置調(diào)整量，同時(shí)具備較大的扣件彈性，適用于剛性道床的無砟軌道。

2）對(duì)單節(jié)點(diǎn)扣件的鋼軌縱向阻力和組裝疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試，均滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

3）為檢算扣件適應(yīng)最小半徑曲線的能力，利用車輛-軌道空間耦合動(dòng)力學(xué)原理，建立了車輛-軌道空間力學(xué)分析模型。計(jì)算結(jié)果表明，本扣件可滿足最小半徑曲線地段軌道橫向承載能力要求，具有較大的安全余量。

［1］中華人民共和國鐵道部.部令第34號(hào)鐵路主要技術(shù)政策［S］.北京：中華人民共和國鐵道部，2013.

［2］國家鐵路局.TB/T 3396.1—2015高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第1部分：鋼軌縱向阻力的測(cè)定［S］.北京：中國鐵道出版社，2015.

［3］國家鐵路局.TB/T 3396.4—2015高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第4部分：組裝疲勞性能試驗(yàn)［S］.北京：中國鐵道出版社，2015.

［4］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中華人民共和國建設(shè)部.GB 50090—2006鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2006.

［5］中華人民共和國鐵道部.鐵運(yùn)［2006］146號(hào)鐵路線路修理規(guī)則［S］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［6］翟婉明.車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)［M］.3版.北京：科學(xué)出版社，2007.

［7］王其昌.無碴軌道鋼軌扣件［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2006.

［8］中國鐵道科學(xué)研究院，中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，等.客貨共線隧道內(nèi)無砟軌道系統(tǒng)研究方案評(píng)審報(bào)告［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2015.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Research and Design on Fastening System of Ballastless Track for Railway for Mixed Passenger and Freight

LI Zirui1，F(xiàn)ANG Hangwei1，LIU Weiming2，YAN Ziquan1，SUN Qi2
（1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2.Daqing Track Maintenance Division，Harbin Railway Bureau，Daqing Heilongjiang 163000，China）

T here are many different types of ballastless track structure and corresponding fastening systems in China，suitable for different situations.However，the fastening systems of ballastless track for the line mainly dedicated to freights（the maximum design speed of passenger train is 160 km/h，and the maximum axle load of freight train is 25 t（27 t reserved for development））has not yet been systematically studied.In this paper，the ballastless track on rigid roadbed was studied，being focused on its fastening systems.T he fastener assembly performance test and the analysis of structural stability in the minimum radius curve section were carried out. Experimental and theoretical results show that the performance of the fastener assembly and lateral resistant capacity meet operational requirements.

Railway for mixed passenger and freight；Ballastless track；Rigid roadbed；Fastening system；Design；Performance test

李子睿（1982— ），男，助理研究員，碩士。

U213.2+44；U213.5+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.27

1003-1995（2016）07-0109-05

2016-02-25；

2016-04-20

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2014G002-B）