WJ-7型扣件橫向阻力試驗研究

張東陽,汪 杰,陳 帥,劉學毅,楊榮山

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

無砟軌道整體性強，一般認為應該不存在線路失穩問題。但是當溫度力過大、扣件工作狀態不良、鎖定軌溫降低時，軌條會發生碎彎[1-3]。隨著無砟軌道無縫線路應用的推廣，在夏季高溫天氣出現鋼軌碎彎的現場病害也越發突出[4]。鋼軌碎彎與扣件的橫向阻力直接相關，但是扣件橫向阻力比較復雜，與扣件類型、結構構造、生產工藝、施工質量等密切相關，在以往用有限元方法對鋼軌變形和線路橫向穩定性的研究中[5-11]，橫向剛度取值往往都是在一個設定的范圍內。現在以WJ-7型扣件為例，WJ-7型扣件是在原WJ-1、WJ-2型扣件系統的基礎上優化改進而成的彈性分開式無擋肩扣件系統[12-15]，主要應用于CRTSI型板式無砟軌道。但是現行規范中并沒有規定其橫向剛度取值，更缺乏相關試驗研究[16-19]。根據文獻[8]，WJ-7型扣件橫向力傳遞可分為3個階段，首先橫向力通過絕緣軌距擋塊傳至鐵墊板，通過板下摩擦傳至道床；橫向力增大，鐵墊板開始滑動；當鐵墊板與錨固螺栓接觸時，橫向力由絕緣軌距擋塊經鐵墊板和錨固螺栓傳至道床。文獻[11]在對鋼軌傾翻性能研究中以軌頭單位位移所需施加的橫向力表征鋼軌橫向剛度，在軌頭橫向力值為20～50 kN時，WJ-7型扣件約束下鋼軌節點橫向剛度為12.32 kN/mm，且在有垂向荷載作用時橫向剛度要大于無垂向荷載作用時的橫向剛度。這里用軌頭位移計算橫向剛度并不適用于軌條碎彎，根據文獻[12-13]對軌條碎彎的描述，本文認為扣件橫向剛度應該以鐵墊板產生單位位移所需施加的橫向力表征。

為確定WJ-7型扣件在碎彎時橫向剛度，在實驗室條件下開展WJ-7型扣件橫向力測試試驗，通過對鋼軌截面中性軸位置加載橫向力，測量鐵墊板和鋼軌截面不同高度位置的橫向位移。通過分析位移數據，了解鋼軌的變形規律并計算獲得扣件橫向剛度取值。本文的研究成果可為鋼軌碎彎驗算提供參考。

1 測試方法

在西南交通大學鐵道實驗室對WJ-7型常阻力扣件(橡膠墊板、W1型彈條)和小阻力扣件(復合墊板、X2型彈條)開展橫向力測試試驗。

鐵道實驗大廳氣溫約為10 ℃，試驗所用扣件來自成都高鐵工務段，狀態良好。將扣件和短鋼軌(長0.6 m，60 kg/m)按照《WJ-7型扣件安裝說明書》用扭矩扳手安裝在試驗工裝臺上，其中W1型彈條安裝扭矩為120 N·m，X2型彈條安裝扭矩為80 N·m，錨固螺栓安裝扭矩300 N·m，扣件絕緣塊是9號絕緣塊。扣件安裝在短鋼軌的中間位置，鋼軌一側安裝液壓千斤頂，加載位置為扣件節點處鋼軌截面中性軸，另一側安裝4個百分表，分別測量扣件節點處鋼軌軌頭、軌腰、軌底和扣件鐵墊板的位移，具體的位置分別是軌頂面以下16 mm處，中性軸處(距軌底81 mm)，軌底處，鐵墊板板中處。測試示意和測試工裝分別如圖1、圖2所示。

圖1 橫向力測試示意

圖2 試驗工裝

2 測試過程和誤差分析

在試驗臺上，每次安裝1組扣件并測量，測量完畢后，卸載扣件并重新安裝測試。液壓千斤頂每次加載0.98 kN橫向力并讀數；當加載力大于11.76 kN時，每次加載1.96 kN并讀數。正式試驗開展前，先進行預加載，當位移曲線持續表現為直線并結合液壓千斤頂加載噸位，確定常阻力扣件加載最值為41.16 kN，小阻力扣件加載最值為33.32 kN。正式試驗中，常阻力和小阻力扣件各測8組數據。本試驗中誤差主要來源于以下4個方面。

(1)扣件安裝誤差

在安裝扣件時，錨固螺栓安裝扭矩取300 N·m，要求彈條中部前端下顎與絕緣塊剛好接觸且兩者間隙不大于0.5 mm，絕緣塊與鐵墊板擋肩縫隙不大于1 mm等，在手工安裝過程中精度難以控制。

(2)液壓千斤頂加載位置偏差

液壓千斤頂加載頭的正確位置是扣件節點位置的鋼軌截面中性軸，本試驗中采用的60 kg/m鋼軌截面中性軸位置距軌底高度為81.23 mm。在試驗前對鋼軌加載位置標記和安裝千斤頂加載頭過程中，難免會出現位置偏差。另外，加載過程中鋼軌發生偏轉，加載頭位置會發生輕微滑移。

(3)百分表測量頭的位置偏移

本試驗中安裝的百分表在鋼軌偏轉后，百分表測量頭難免發生滑移，尤其是軌腰和軌頭橫移量相對較大的位置。

(4)人工讀數誤差

讀數時，視線應與表盤面垂直，不能斜視。由于試驗工裝空間結構的局限性，讀數時往往需要斜視。

為減小測量誤差，我們只取試驗數據中均勻性較好的5組數據分析。

3 數據分析

取均勻性較好的5組位移數據分析，發現試驗數據還是比較離散，但位移曲線形狀和規律基本相同。

3.1 WJ-7型常阻力扣件橫向阻力

常阻力扣件橫向阻力-位移曲線、扣件橫向阻力-平均位移曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 常阻力扣件橫向阻力-位移曲線

圖4 常阻力扣件橫向阻力-平均位移曲線

分析可以得出以下結論：①鐵墊板的位移很小，橫向力加載最值為41.16 kN，鐵墊板位移僅為0.279 mm，位移與橫向力呈線性關系，其位移曲線斜率即扣件橫向剛度在143.7～162.1 kN/mm；②軌頭、軌腰、軌底位移曲線比較類似，前段是二次拋物線，后段近乎直線。

去除鐵墊板的位移后，位移曲線如圖5、圖6所示，在橫向力為5.88 kN時，軌底位移為1.177 mm，軌頭位移為2.015 mm，軌頭位移是軌底位移的1.7倍，鋼軌發生了明顯的偏轉。參考文獻[1]中絕緣塊剛度取300 kN/mm，那么絕緣塊的壓縮變形可以忽略，絕緣塊與鐵墊板擋肩之間縫隙的閉合和鋼軌偏轉的共同作用形成了二次拋物線，后段直線是鋼軌偏轉的結果。

對軌頭位移曲線擬合可得：

對軌腰位移曲線擬合可得：

對軌底位移曲線擬合可得：

圖5 常阻力扣件橫向阻力-去鐵墊板位移曲線前段

圖6 常阻力扣件橫向阻力-去鐵墊板位移曲線

3.2 WJ-7型小阻力扣件橫向阻力

小阻力扣件橫向阻力-位移曲線、扣件橫向阻力-平均位移曲線如圖7、圖8所示。

圖7 小阻力扣件橫向阻力-位移曲線

圖8 小阻力扣件橫向阻力-平均位移曲線

分析可以得出以下結論：(1)橫向力加載到最大值33.32 kN時，鐵墊板位移為0.239 mm，位移與橫向力呈線性關系，橫向剛度取值范圍為130.2～138.9 kN/mm；(2)軌頭、軌腰、軌底位移曲線前段是二次拋物線，后段近乎直線。

去除鐵墊板的位移后，位移曲線如圖9、圖10所示。橫向力為3.92 kN時，軌底位移為1.27 mm，軌頭位移為1.83 mm，軌頭位移是軌底位移的1.44倍，鋼軌發生了明顯的偏轉。橫向力為2.94～3.92 kN，3個位移值都出現了跳躍式增長，同樣根據文獻[1] 忽略絕緣塊的壓縮變形，認為位移的跳躍式增長是絕緣塊與鐵墊板擋肩之間的縫隙閉合造成的，后段直線是鋼軌偏轉的結果。

對軌頭位移曲線擬合可得：

對軌腰位移曲線擬合可得：

對軌底位移曲線擬合可得：

圖9 小阻力扣件橫向阻力-去鐵墊板位移曲線前段

圖10 小阻力扣件橫向阻力-去鐵墊板位移曲線

4 結論

通過對WJ-7型常阻力扣件和小阻力扣件的橫向阻力試驗數據分析，得到以下結論。

(1)鋼軌軌頭、軌腰、軌底位移曲線由二次拋物線和直線兩部分組成。橫向力初加載時位移曲線為二次拋物線，這是絕緣塊與鐵墊板擋肩之間縫隙閉合和鋼軌偏轉共同作用的結果，后段直線是因為鋼軌偏轉。

(2)在橫向力作用下，鐵墊板的位移呈線性增長；常阻力扣件橫向剛度在143.7～162.1 kN/mm，小阻力扣件橫向剛度在130.2～138.9 kN/mm。