新型有軌電車用扣件研究與設計

馮 雁

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

1 概述

有軌電車作為城市軌道交通一種主要的組成形式，以地面敷設方式為主，其扣件設計不同于一般鐵路和地鐵，有其特殊性。現代有軌電車主要采用埋入式軌道結構，軌道維修困難，要求鋼軌扣件少維修或免維修，同時具有較高的防腐防銹性能[1]。因此，研究開發一種適用于現代有軌電車運營環境的有軌電車扣件，盡量減少零部件的數量，減小養護維修工作量，提高扣件的耐久性顯得尤為重要。

2 有軌電車扣件主要設計原則

有軌電車敷設方式和運營環境有別于傳統的軌道交通，扣件設計時，應充分考慮其特殊性對扣件設計的影響[2,3]：

1)現代有軌電車車輛軸重輕，最大軸重不超過12.5 t。2)現代有軌電車速度低，設計最大速度70 km/h，實際運營最高速度約為50 km/h，旅行速度20 km/h～30 km/h。3)扣件設計時，在滿足承載力要求的前提下，應盡量簡單合理，減少零部件的數量，減小養護維修工作量。4)現代有軌電車線路條件多為適應城市道路而定，曲線半徑較小，故扣件系統設計時應重點考慮扣件的縱橫向阻力能否滿足要求。5)現代有軌電車軌道結構多位于綠化地段，扣件系統長期處于潮濕環境中，尤其是沿海地區，應重點考慮扣件系統的防腐性能，并盡量減少鐵件的使用。

3 有軌電車扣件設計參數研究

3.1 足夠的強度和耐久性

扣件承受荷載大小主要取決車輛軸重、運行速度、曲線半徑、鋼軌垂橫向剛度以及扣件的垂橫向剛度等因素。扣件的強度和耐久性主要通過疲勞試驗加以驗證，有軌電車線路一般曲線半徑小，要求適用于最小曲線半徑25 m，其受橫向作用力明顯，參照國內外同類型扣件的設計荷載，其疲勞荷載應為最大垂向荷載45 kN，橫向荷載35 kN。經300萬次荷載循環后，各零部件不得傷損，軌距擴大應小于6 mm，且扣壓力、鋼軌縱向阻力和節點靜剛度滿足一定要求，從而確保扣件的強度和耐久性[4]。

3.2 適量的節點剛度

軌道剛度對軌道結構振動特性、輪軌相互作用和舒適性等具有較大的影響，有軌電車軌道主要采用整體道床形式，其結構剛度較大。良好的扣件彈性，可以有效降低列車荷載的沖擊，將輪軌間的荷載均勻地傳遞到下部基礎[5]。扣件剛度主要與墊層剛度有關，墊層剛度越小，單個扣件節點承受的垂向荷載越小，列車沖擊越小，但是過小的墊層剛度易引起軌距擴大，同時還會導致鋼軌的垂向位移過大，危及行車安全。因此，扣件剛度取值應兼顧鋼軌垂向位移和鋼軌外翻，同時考慮既有扣件的設計和運營經驗。現在有軌電車采用整體道床結構，但其運行速度與地鐵相比相對較低，其扣件節點垂直靜剛度可設定在30 kN/mm～50 kN/mm，墊板剛度控制在25 kN/mm～45 kN/mm。

3.3 良好的絕緣性能

在有軌電車軌道設計中，要求扣件應具有良好的絕緣性能，具有絕緣作用的零部件其常態絕緣電阻應不小于108Ω，從而保證扣件滿足絕緣性能的要求。

3.4 良好的維修調整能力

由于軌道結構在建設及運營過程中，不可避免存在施工誤差和不均勻沉降，輪軌反復左右也會惡化軌道幾何狀態，使高低和軌距發生變化。因此，扣件應具有一定的調整能力[6]。考慮有軌電車采用埋入式軌道結構，工務大修周期長，日常維修條件差，整體道床扣件軌距調整量取值為+8 mm,-12 mm。目前修建現代有軌電車的城市多為南方沿海城市，地質條件較差、易產生不均勻沉降，應考慮大調高量的需求，在常規調整需求下應至少30 mm，當高低調整量超高30 mm時，應對零部件進行加強處理。

4 有軌電車扣件主要受力部件設計

新型有軌電車扣件主要由螺旋道釘、彈條、預埋套管、軌距擋板、彈性墊板、軌下調高墊板和整體調高墊板等組成，具體結構如圖1所示。

4.1 彈條設計

扣壓件作為扣件系統的主要受力部件，其尺寸與結構的合理性直接影響其他相關部件的設計，彈程、直徑、前后肢距、后肢半徑、前后肢半徑中心間距、中肢拱高、側肢拱高等因素對彈條扣壓力、彈程以及最大應力均有一定的影響[7]。彈條設計時，應充分利用材料的彎曲和扭曲應變，從而實現線形的較大變化，具有良好的彈性性能。為了評價彈條尺寸設計的合理性，可建立有限元模型進行分析計算[8]，當彈條達到設計彈程時，扣壓力約為9.5 kN，滿足彈條扣壓力不小于9 kN的要求，最大應力出現在后肢位置，為1 300 MPa，小于材料的屈服強度1 375 MPa，見圖2，圖3。

4.2 預埋套管與螺旋道釘設計

扣件主要通過預埋套管與錨固螺栓之間的螺紋配合進行固定，為了確定合理的螺紋匹配長度，建立了套管與螺栓在軸向拉力作用下的計算模型，在滿足抗拔力60 kN的情況下，相關計算結果見圖4～圖7。

從圖4～圖7中可以看出，螺旋道釘的豎向應力影響范圍為9圈螺紋，Von Mises等效應力影響范圍7圈螺紋；預埋套管的豎向應力影響范圍7圈螺紋，Von Mises等效應力影響范圍6圈螺紋。因此，螺旋道釘和套管在設計時，螺紋數量不宜超過9圈。此外，在滿足抗拔力60 kN的情況下各零部件的應力情況，可以看出：螺旋道釘Von Mises等效應力445.778 MPa，遠小于屈服強度970 MPa；預埋套管的等效應力122.996 MPa，小于屈服強度170 MPa，均滿足強度要求。

4.3 軌距擋板設計

軌距擋板主要抵抗鋼軌橫向荷載并保持軌距，作為主要受力部件，其強度滿足一定的要求。根據擬定軌距擋板尺寸，建立軌距擋塊分析模型，通過計算表明，軌距擋塊的第四強度理論應力為115.037 MPa，小于其許用應力130.8 MPa，滿足強度安全設計要求，見圖8。

5 新型扣件零部件和試組裝試驗結果

一組新型扣件研制時，應確定各零部件制造工藝方案、工藝流程、關鍵工藝特點、關鍵生產設備及控制產品質量的檢驗方法等。通過各零部件的試制和檢驗，其產品均滿足合格。為檢驗扣件整體組裝情況下的性能，保證運營安全，必須進行組裝疲勞試驗，以檢驗各部件的耐久性。試驗參照歐洲標準EN 13146-4《鐵路應用—軌道—扣件系統試驗方法——第4部分：重復加載的影響》的規定執行[9]。扣件組裝時鋼軌調高30 mm。試驗荷載參數為：PV=45 kN，PL=35 kN，實驗用鋼軌高度100 mm。試驗時用試驗扣件將一段長度約0.5 m的59R2短鋼軌固定在混凝土軌枕上。經300萬次荷載循環后，扣件未發現任何傷損，軌距擴大2.5 mm，扣壓力與鋼軌縱向阻力變化均小于20%，節點靜剛度變化小于25%，試驗數據滿足試驗預期目標的全部要求，如圖9所示。

6 結語

新型扣件為一種有軌電車用斜擋肩扣件系統，適用于有軌電車鋪設59R2或60R2槽型鋼軌的地段。通過零部件設計、樣品試制以及試組裝試驗表明，產品各部件符合要求，產品質量穩定。該扣件結構簡單，零部件少，便于養護維修，金屬件部件少，潮濕環境中耐腐蝕性強，高低調整量大，整體性能具有一定的優勢。經小規模的上道試鋪驗證后可在有軌電車工程中應用并推廣。