復合木橋枕和軌距可調扣件的研制及其運用

趙繼華

(北京鐵路局工務處，北京　100055)

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復合木橋枕和軌距可調扣件的研制及其運用

趙繼華

(北京鐵路局工務處，北京100055)

在借鑒國內外現有FFU軌枕和橡塑軌枕的基礎上，提出在木枕外圍整體包覆聚氨酯彈性體形成復合橋枕的方案，既保持了木橋枕的各項力學性能，又延長了使用壽命，做到了制作環保，使用免維修。通過增設軌距調整塊方式對原有鐵墊板進行改造，實現不擰卸螺紋道釘即可對線路軌距、高低進行調整。北京鐵路局管內的京廣、豐沙等線使用了該技術，四年內沒有出現任何安全和質量問題。

復合橋枕聚氨酯彈性體鐵墊板調整塊

我國鐵路鋼橋明橋面均使用木橋枕。木橋枕具有彈性好、重量輕、絕緣性強、制作簡單的特點，但其使用年限短、開裂失效嚴重、改道后持釘力差、每年投入養護成本高等弊端一直沒有解決。再加上，木橋枕在生產制作過程中注油能耗大、不環保，許多地區已禁止生產。

明橋面保養周期為3～6個月，綜合維修周期為2～3年，橋枕修理作業一直是橋隧維修的主要項目，職工勞動強度大，防腐用煤焦油或油膏有損職工身體健康，且橋枕修理要在天窗點內完成，占用工時多，極大影響橋隧維修生產效率。

要使木橋枕達到壽命長、免維修、全環保、低投入、調整線路軌距和高低作業簡單的要求，必須從木橋枕的制作工藝、維修養護方法找到突破口，從根本上解決目前木橋枕存在的問題[1-15]。

1　原因分析和解決對策

1.1原因分析

影響木橋枕使用壽命的主要原因：

(1)橋上線路軌距、高低調整及更換防磨墊板時，往往通過擰卸固定鐵墊板的螺紋道釘來完成，這就造成了區域性木纖維的破壞，多次擰卸螺紋道釘會使木橋枕失去持釘力。

(2)木橋枕直接暴露在大氣中，經風吹、日曬、雨淋、冰凍和列車沖擊，造成木橋枕腐朽或通裂而失效。

(3)素橋枕未烘干、注油深度不足，致使木橋枕剛上橋其表面就開裂。

(4)維修工作量大，維修養護不到位、不及時，小缺陷發展成大缺陷，導致木橋枕過早失效。

1.2解決對策

(1)復合橋枕方案的確定

幾十年來木橋枕的生產工藝和維修手段就沒有改變過，要想使其做到長壽命、免維修、全環保，必須通過科技創新改變現有木枕的結構形式、生產工藝和維修手段。在鑒借國內外現有FFU軌枕和橡塑軌枕基礎上，通過比選確定采用聚氨酯彈性體包裹素木橋枕形成復合橋枕來替代現有木橋枕，既發揮了聚氨酯彈性體耐候、耐腐蝕、抗老化、高絕緣、防水性好的特點，又利用了木材彈性好、重量輕、制作簡單的優點。

復合橋枕由木材內芯和聚氨酯彈性體保護層構成(如圖1)。其承力方式和原橋枕相同，采用聚氨酯彈性體保護層，可有效防止木橋枕腐朽、開裂，延長木橋枕的使用壽命(可使用30年以上)，且做到了免維修。

圖1　復合橋枕結構示意

(2)軌距可調鐵墊板方案的確定

影響木橋枕使用壽命另一個重要原因是當橋上線路軌距、高低調整或更換防磨墊板時，需擰卸固定鐵墊板的螺紋道釘來完成，多次擰卸螺紋道釘會造成木橋枕持釘力不足。為實現螺紋道釘不動就可完成軌距、高低的調整，需對現有鐵墊板和螺紋道釘進行改造。在鐵墊板螺栓孔的位置挖孔，并配備與之配套的不同型號軌距調整塊，使鐵墊板可左右移動，以達到調整軌距的目的(如圖2)。

圖2　軌距可調鐵墊板結構示意

把原來固定鐵墊板螺紋道釘的釘頭改換為螺母，在調整軌道水平、高低時只要松開螺母，更換不同型號的軌距調整塊和不同厚薄的墊板，就可順利地完成橋上線路軌距、高低的調整。

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2　復合橋枕方案設計及制作

2.1保護層材料選擇

目前，使用較多的高分子彈性體主要有橡膠、塑料和聚氨酯，其中橡膠和塑料材料耐老化性差，不適合木橋枕使用環境。聚氨酯彈性體具有良好的彈性，其耐水性、耐酸堿性能、耐候性能、絕緣性能好，適合與木材進行復合。因此，選擇聚氨酯彈性體作為木枕的保護層。

2.2聚氨酯彈性體保護層厚度比選

為確定合理的保護層厚度，選擇長度0.5m標準斷面的木橋枕，且保護層分別為為0mm、3mm、5mm、10mm的試塊各兩塊(見圖3)，在鐵科院鐵建所橋梁實驗室進行彈性模量和強度試驗(見圖4)， 試驗結果見表1。

圖3　試塊

圖4　試驗情況

試驗項目0mm木枕3mm復合枕5mm復合枕10mm復合枕彈性模量/MPa65.4268.5369.3567.26強度/kN134195195195

試驗結果表明：

(1)復合木橋枕抗壓彈性模量略大于普通木枕；強度提高較大，復合木枕較普通木橋枕極限承載能力提高25%以上。

(2)聚氨酯包覆厚度對復合橋枕彈性模量、強度影響不大。從工藝和性價比考慮，保護層厚度為3～5mm最經濟。

2.3復合橋枕的制作

圖5　模鑄成品示意

3　軌距可調鐵墊板設計

3.1軌距可調鐵墊板結構設計和組成

軌距可調鐵墊板由鐵墊板(圖6)、調整塊(圖7)和緊固件(包括螺紋道釘、緊固螺帽、彈墊、防松螺帽)組成，其安裝后如圖8所示。

圖6　軌距可調鐵墊板示意

圖7　不同規格調整塊示意

圖8　整體安裝示意

調整塊有0號、2號、4號、6號四種規格，0號指圓孔在調整塊正中心，2號指圓孔中心偏離中心2mm，4號、6號依次偏離4mm、6mm。調整范圍是單股鋼軌左右±6mm；軌距調整范圍±12mm，調整級差±2mm。

3.2軌距調整方法

調整軌距時，先卸下螺紋道釘上的兩個螺帽，從鐵墊板上將4個調整塊全部取出，在螺紋道釘不動的前提下，可左右移動鐵墊板，移動鐵墊板幾毫米，則選用幾號調整塊重新裝入并旋緊螺紋道釘上的兩個螺帽，達到調整軌距的目的，圖9為一塊鐵墊板一側更換調整塊后的示意。

圖9　更換調整塊示意

4　軌距可調鐵墊板室內試驗

軌距可調鐵墊板樣品加工完成后，在鐵科院高速鐵路軌道技術國家重點實驗室進行軌距調整范圍測試和200萬次組裝疲勞試驗。

(1)軌距調整范圍，單股鋼軌左右位置調整量為±6mm；軌距調整量為±12mm；調整級差±2mm。

(2)因沒有木枕扣件組裝疲勞試驗標準，本試驗參照TB/T2491—94《扣件組裝疲勞試驗方法》進行，試驗參數為：垂向力70kN、橫向力37kN、荷載循環200萬次、加載頻率4±1Hz。200萬次疲勞試驗后，未見螺紋道釘上部螺帽出現松動，軌距擴大滿足≤5mm的要求。

5　現場應用效果

在力學性能檢測數據支持下，2013年和2014年分別在運輸繁忙和重載的京廣238橋(直線橋)、豐沙線35號橋(曲線橋)使用了復合橋枕和軌距可調扣件。到目前為止，最早鋪設期已達四年，通過追蹤檢查，復合橋枕和軌距可調扣件沒有出現任何質量問題，線路幾何尺寸保持良好，真正做到了保安全、長壽命、免維修、全環保(如圖10)。2016年我局還將津山、石德、京承、豐沙五座橋的2217根橋枕更換為復合木橋枕。

圖10　現場鋪設情況

復合木橋枕和軌距可調扣件的研制成功，徹底改變了鋼梁明橋面木橋枕的結構形式和養護維修手段，使其達到了長壽命、免維修、全環保、低投入、軌道作業簡單的要求。室內力學性能測試和現場鋪設也證明其具有安全性、科學性和實用性，極大減輕了明橋面作業強度，深受現場歡迎。

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋隧建筑物修理規則[S].北京：中國鐵道出版社，2010

[2]中國鐵路總公司.鐵路技術管理規程(普速部分)[S].北京：中國鐵道出版社，2014

[3]中國鐵路總公司.普速鐵路工務安全規則[S].北京：中國鐵道出版社，2014

[4]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋梁檢定規范[S].北京：中國鐵道出版社，2004

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[6]邊育生.橋隧工[M].北京：中國鐵道出版社，2009

[7]陳長坤.鐵路防腐木枕現狀·問題·發展[J].鐵道物資科學管理，1996(1)

[8]王榮和，李剛.木枕使用彈條和扣件時鋪設施工方案[J].鐵道建筑，1994(8)

[9]孫孝紅，肖林，李俊.明橋面木枕受力分析[J].鐵道建筑，2007(2)

[10]周悌先，江敏.防止木枕腐朽新措施[J].鐵道科技動態，1988(10)

[11]孫繼成.高速鐵路WJ-7B型扣件高精度快速安裝定位專用工裝研究[J].鐵道勘察，2011(4)

Development and Application of Composite Wooden Pillow and Gauge Adjustable Fastener

ZHAO Jihua

2016-04-20

趙繼華(1967—)，男，1989年畢業于西南交通大學工程地質專業，高級工程師。

1672-7479(2016)04-0095-03

U213.3

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