適合城市軌道交通連續長大單坡特點的SD-Ⅱa 型扣件研制

徐 紅，張幫明，孫 成

（1. 烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆烏魯木齊 830000；2.安徽省巢湖鑄造廠有限責任公司，安徽巢湖 238000；3. 中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

0 引言

受地形地貌和工程地質條件等的影響，城市軌道交通不同程度地遇見長大單坡和連續長大單坡等問題。城市軌道交通相關規范和標準對長大單坡沒有明確的定義，GB50157-2013《地鐵設計規范》有關長大坡度的相關描述為：“正線坡度大于 24‰、連續高差達 16m 以上的長大陡坡地段，應檢查車輛的編組及其牽引和制動性能以及故障運營能力”。

烏魯木齊市軌道交通 1 號線正線長度 27.615km，起終點落差 280m，最大一處連續單坡長度為 5.1km，落差76m，在目前國內城市軌道交通建設中少見。列車在長大單坡連續制動或緊急制動所產生的制動力直接作用在鋼軌上，導致鋼軌發生縱向位移，對軌道結構的穩定性、輪軌磨損等產生不利影響。長大單坡與小半徑曲線疊加將進一步增大軌道橫向力，加劇列車運行的復雜性。為有效防止鋼軌爬行和控制鋼軌位移，確保連續長大單坡軌道結構的整體穩定性和運行安全性，研究提高扣件系統抗縱、橫向變形的能力非常必要。

1 SD-Ⅱa 型扣件主要技術條件

1.1 總體要求

（1）具有足夠的強度，以承受列車運行作用在鋼軌上的動靜荷載。

（2）具有足夠的扣壓力，以有效限制鋼軌縱向變形和位移。

（3）具有良好的彈性，以使列車沖擊荷載能均勻地傳遞到道床。

（4）具有較大的水平和高低調整量，以適應基礎工后沉降和變形。

（5）具有良好的絕緣性，絕緣部件的工作電阻應大于 108 Ω。

（6）零部件應盡量標準化并具備通用性，結構力求簡單，易鋪設和維修。

1.2 技術參數確定

1.2.1 扣件縱向阻力及彈條扣壓力

扣件系統須具有足夠的扣壓力和縱向防爬阻力，以保證鋼軌與道床之間的可靠聯結。扣件縱向阻力F由扣壓件的扣壓力、鋼軌與軌下彈性墊板及鋼軌與軌距塊的摩擦系數共同確定，其計算公式如式（1）：

式（1）中，P為單個扣壓件的扣壓力；μ為綜合摩擦系數（通常取 0.6 左右）；μ1為軌底上表面與扣壓件的摩擦系數；μ2為軌底下表面與軌下彈性墊層的摩擦系數。

為滿足連續長大坡道地段扣件節點最小縱向阻力11 kN 的設計要求，單個彈條的扣壓力P應為：

因彈條通常存在制造誤差，這將造成 1 kN 左右的扣壓力損失，故本扣件將單個彈條扣壓力P設計值確定為 10.5 kN。

1.2.2 扣件系統剛度

軌道剛度是影響軌道振動與變形、列車運行平穩性與安全性等的重要參數，目前通常采用容許變形理論確定。對無砟軌道而言，軌道剛度通常以扣件系統剛度進行表述。

要確定扣件系統剛度，首先應確定合理的荷載作用范圍，通過將單根鋼軌作為多支點的彈性支承梁，利用車輪滾動時鋼軌動態支承力的分布曲線來確定。在相同輪重條件下，扣件靜剛度越小，參與支承（變形）的扣件數量相對越多，扣件節點最大支反力就越小；反之，扣件靜剛度越大，參與支承（變形）的扣件數量相對越少，扣件節點最大支反力就越大。

本文采用 ANSYS 有限元分析軟件，對不同扣件剛度條件下的軌道動態響應進行計算分析。通過分析可知，當扣件系統剛度為 17.5 kN/mm時，輪載位置鋼軌垂向下沉量為 1.523mm，此時扣件荷載為 26.659 kN；當扣件系統剛度為 30 kN/mm時，輪載位置鋼軌垂向下沉量為 0.98mm，此時扣件荷載為 29.404 kN；當扣件系統剛度為 40 kN/mm時，輪載位置鋼軌垂向下沉量為 0.78mm，此時扣件荷載為 31.225 kN。

根據 GB50157-2013《地鐵設計規范》規定，無砟道床節點垂向靜剛度宜為 20～40 kN/mm，這也比較接近容許變形法的相關要求。參考國內目前在建城市軌道交通工程實踐經驗，SD-Ⅱa 型扣件節點靜剛度采用 20～40 kN/mm較為合理。

1.2.3 軌距調整量

軌距調整量主要解決軌道施工誤差和鋼軌側磨導致的軌距超限問題，故通常要求軌距的負調整量相對大些。城市軌道交通通常穿越中心城區，小半徑曲線居多，輪軌橫向作用力相對較大，而工務大修周期長，日常維修條件差，故 SD-Ⅱa 型扣件應具有大的軌距調整量，以方便現場施工及運營維護。

鐵運 [2006]146 號《鐵路線路維修規則》中規定的經常保養的容許偏差管理值，軌距為 +8/-4mm，而 60 kg/m鋼軌軌頭側面磨耗的輕傷標準為 14mm，軌道動態質量容許偏差管理值中規定臨時補修軌距為 +20 / -10mm、極限軌距為 +24 / -12mm。綜合考慮軌道交通扣件軌距調整量通常為 +8 / -12 mm，結合連續長大單坡及其與小半徑曲線重疊的輪軌作用特點，SD-Ⅱa型扣件設計軌距調整量為 +16 / -20 mm，調整級數為 2mm。

1.2.4 套管抗拔力

對于彈性分開式扣件，列車橫向荷載主要靠鐵墊板與緩沖墊板間的摩擦力克服，錨固螺栓和套管基本不承受交變荷載，受力狀態相對較好。

城市軌道交通平面最小曲線半徑通常為 350m，結合國內目前運營線路軌道的實測數據，鋼軌最大橫向力通常為 40 kN，緩沖墊板摩擦系數為 0.4，故單個螺栓的緊固軸力為：

為實現上述緊固軸力，要求單個錨固螺栓的扭矩達到 250 N · m。考慮振動衰減因素，小半徑曲線地段螺栓初始安裝扭矩采用 300～350 N · m，此時最大緊固軸力將達到 80 kN。連續長大單坡與小半徑曲線疊加后，在列車緊急制動力的作用下，橫向力將較常規工況增大，因此 SD-Ⅱa 型扣件將套管最大抗拔力確定為100 kN。

SD-Ⅱa 型扣件主要技術參數詳見表1。

表1 SD-Ⅱa 型扣件主要技術參數匯總表

2 SD-Ⅱa 型扣件結構設計

2.1 總體設計

SD-Ⅱa 型扣件系統采用無擋肩、有螺栓彈性分開式結構，鐵墊板承軌槽設 1 : 40 軌底坡，通過在軌下及鐵墊板下鋪設調高墊板實現鋼軌高低調整，通過軌距塊和齒形墊塊配合實現軌距調整。扣件組裝如圖1 所示。

圖1 SD-Ⅱa 型扣件組裝

2.2 主要部件設計

2.2.1 ω 型彈條

SD-Ⅱa型扣件采用ω型彈條，φ14mm的60Si2MnA 熱軋彈簧鋼，單個彈條扣壓力為10.5kN，彈程 10mm。

通過建立彈條三維仿真模型（圖2），采用 ANSYS軟件按第四強度理論進行彈條有限元計算分析（圖3）。結果表明，彈條應力峰值為 1399mPa，小于材料的屈服強度，滿足 SD-Ⅱa 型扣件系統扣壓件的設計要求。

圖2 彈條三維仿真模型圖

圖3 彈條有限元分析應力云圖

2.2.2 鐵墊板

鐵墊板設計厚度為 18mm，采用 QT450-10 材料制造。為避免套筒扳手與彈條座相干涉，釘孔距采用146mm×260mm。在鐵墊板中部增設 2 個凸起，防止軌下墊板竄出軌底。鐵墊板錨固螺栓孔設計為長圓孔，并配有齒狀限位機構實現與齒形墊片嚙合，在防止鐵墊板串動的同時增大軌距調整量。

2.2.3 軌下墊板

扣件軌下墊板通常采用橡膠材料，如天然橡膠、氯丁橡膠或丁苯橡膠，通過墊板表面溝槽或小圓柱壓縮變形提供彈性，動、靜剛度比通常為 1.4。但由于原材料及加工工藝等原因，其耐磨性、耐久性、抗疲勞性、耐老化性等均相對較差，后期彈性衰減較快，使用壽命縮短。SD-Ⅱa 型扣件設計采用波浪型的熱塑性聚酯彈性墊板，能同時通過撓曲變形和壓縮變形產生回彈力，動、靜剛度比為 1.35～1.38。同時，考慮到烏魯木齊當地的極端低溫條件，故要求墊板壓縮耐寒系數不小于 0.5，以確保低溫條件下列車運行安全和平穩。

2.2.4 錨固螺栓

目前，國內城市軌道交通扣件錨固螺栓直徑通常為 30mm，螺距采用 6mm。SD-Ⅱa 型扣件專門針對連續長大單坡和小半徑曲線疊加的特點，采用直徑 30mm、螺距 8mm的等強度設計理念，預埋套管抗拔力≥100 kN，以承受更大的軸向力，確保軌道結構穩定和行車安全。

圖4 為 SD-Ⅱa 型扣件效果圖及零部件圖。

3 室內試驗

3.1 彈條疲勞試驗

在理論分析滿足設計要求的基礎上，進行了樣品試制及單件產品室內實尺試驗。試驗方法參照 TB/T2329-2002《彈條Ⅰ型、Ⅱ型扣件彈條疲勞試驗方法》等行業相關標準，并通過國家鐵路產品質量監督檢驗中心循環10 百萬次疲勞試驗，SD-Ⅱa 型彈條力學性能滿足設計要求，疲勞試驗結果見表2。由表2 數據可見，SD-Ⅱa 型彈條的疲勞性能滿足 TB/T2329-2002《彈條Ⅰ型、Ⅱ型扣件彈條疲勞試驗方法》的要求。

圖4 SD-Ⅱa 型扣件效果圖及零部件圖

表2 SD-Ⅱa 型彈條產品質量檢測結果

3.2 扣件剛度及組裝疲勞試驗

扣件組裝疲勞試驗根據鐵道行業標準 TB/T2491-94《扣件組裝疲勞試驗方法》進行。試驗條件如表3 所示，試驗加載如圖5 所示。疲勞前扣件靜剛度為 29.85～31.75 kN/mm，經過 3 百萬次疲勞試驗后，剛度變化量為10.02%～13.57%，滿足疲勞前、后靜剛度變化量≤20% 的要求；軌距擴大值為 2.95mm，滿足 TB/T2491-94《扣件組裝疲勞試驗方法》中軌距擴大值＜6mm的要求；各零部件均無損傷及失效。

表3 SD-Ⅱa 型扣件組裝疲勞試驗條件

圖5 扣件組裝疲勞試驗圖

3.3 扣件縱向阻力試驗

將 60 kg/m 短軌、SD-Ⅱa型扣件和混凝土短枕組裝，錨固螺栓預緊力矩采用 320 N · m。擰緊T型螺栓螺母，使彈條中趾下額與軌距塊間隙為 0～0.5mm。水平千斤頂推短軌一端，在混凝土短軌枕上安放位移計，且使位移計觸頭接觸短軌另一端。逐級均勻施加水平力，每間隔 30 s 增加水平力 0.5 kN。當短軌與墊板間發生滑動時讀數，記錄此時的水平力，試驗連續進行 3 次（圖6）。

圖6 扣件組裝縱向阻力測試

試件 1、試件 2 扣件組裝（無調高墊板）疲勞前、后縱向阻力實測結果如表4 所示。由表4 可知，疲勞試驗前、后，扣件組裝縱向阻力均滿足≥ 11 kN，縱向位移≤ 1mm，縱向阻力變化量≤20% 的要求。

4 結束語

SD-Ⅱa 型扣件系統是在現有城市軌道交通扣件系統的基礎上，為適應連續長大單坡及與小半徑曲線疊加的特點和要求而研制的。經理論計算及室內各項試驗，該扣件系統完全滿足設計要求。SD-Ⅱa 型扣件目前已在烏魯木齊市軌道交通 1 號線正線全線鋪設，運營過程中將隨時跟蹤扣件使用情況，并使之更加完善。

表4 試件 1、2 號組裝疲勞前、后縱向阻力實測結果

[1]GB50157-2013 地鐵設計規范[S]. 2013.

[2]劉富，周宇. 城市軌道交通連續長大單坡列車運行性能仿真分析[J]. 城市軌道交通研究，2017（12）.

[3]肖俊恒. 彈條扣件的優化設計與研究[D]. 北京：中國鐵道科學研究院，1994.

[4]TB/T2491-94扣件組裝疲勞試驗方法[S]. 1994.