時(shí)速160 km城市快軌有擋肩扣件研究

2020-06-16 07:41:14馬佳駿劉雪鋒

鐵道勘察 2020年3期

冉蕾馬佳駿劉雪鋒

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 研究背景

根據(jù)受力結(jié)構(gòu)的不同，扣件可分為有擋肩扣件和無擋肩扣件。國內(nèi)城市軌道交通多采用無擋肩扣件，通過錨固螺栓將鐵墊板與軌枕聯(lián)結(jié)為一體，典型的有DTⅥ2型、DTⅢ2型、ZX-2型、ZX-3型等。無擋肩扣件的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)高和調(diào)距方便，且調(diào)整量大；缺點(diǎn)是列車速度較快或曲線半徑較小時(shí)，錨固螺栓受力過大。在部分城市軌道交通線路的運(yùn)營過程中，發(fā)生過錨固螺栓受剪破壞的現(xiàn)象，增加了養(yǎng)護(hù)維修工作量。

有擋肩扣件由鐵墊板、軌距擋板、軌距塊、板下墊板、軌下墊板等部件組成，可直接將橫向力傳至軌枕擋肩上，錨固螺栓不再承受橫向力，優(yōu)化了扣件的受力結(jié)構(gòu)，延長了扣件使用壽命，對高速行車以及小半徑曲線的適應(yīng)性較好。目前，高鐵扣件以有擋肩扣件為主，有代表性的扣件有WJ-8型、vossloh300型等[1-3]。

為了提供更大的扣壓力和彈性，高速鐵路扣件采用了尺寸較大的彈條，導(dǎo)致扣件、配套軌枕等部件尺寸均較大，造價(jià)較高。

隨著城市軌道交通設(shè)計(jì)速度的不斷提高，對軌道的穩(wěn)定性、平順性提出了更高的要求，既有無擋肩扣件無法滿足高速行車的要求。為滿足大運(yùn)量、高速度、少維修的運(yùn)營條件，急需研究一種穩(wěn)定性更好的扣件結(jié)構(gòu)類型，以保證行車安全、平穩(wěn)。

2 城市軌道交通扣件存在問題

現(xiàn)有城市軌道交通大多為整體道床，采用無擋肩彈性分開式扣件，根據(jù)各城市的地質(zhì)條件、線路條件、運(yùn)營習(xí)慣等，又可分為無螺栓扣件或有螺栓扣件。地鐵無螺栓扣件有ZX-3型、DTⅥ2型和單趾彈簧扣件等。有螺栓扣件有ZX-2型、DTⅢ2型和WJ-2A型小阻力扣件等。在運(yùn)營過程中，均存在不同程度的問題。

2.1 無螺栓扣件彈條退出

無螺栓扣件靠彈條的變形提供扣壓力，其結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，缺點(diǎn)是彈條拆卸易引起彈條塑性變形，從而導(dǎo)致扣壓力損失及彈條退出等情況(見圖1)。

圖1 無螺栓彈條退出

2.2 無螺栓扣件彈條折斷

無螺栓彈條的變形對扣壓力和應(yīng)力影響較大，加工精度偏差、施工過程不規(guī)范都會(huì)造成彈條應(yīng)力偏大。在高強(qiáng)度振動(dòng)荷載下，容易引起彈條的折斷(見圖2)[9-10]。某城市地鐵曾發(fā)生彈條折斷飛起、將車站鋼化玻璃墻擊碎的情況。為防止車站彈條飛起傷人，需將車站范圍內(nèi)的彈條用鐵絲串聯(lián)起來，并用綁扎帶進(jìn)行固定。

圖2 無螺栓彈條斷裂

2.3 錨固螺栓折斷、套管失效

無擋肩扣件主要靠墊板摩擦力承受橫向力，當(dāng)螺栓未擰緊或墊板摩擦系數(shù)較低時(shí)，將導(dǎo)致橫向力超過摩擦力的抵抗范圍。此時(shí)，橫向力傳到錨固螺栓上，易造成錨固螺栓彎曲、斷裂等問題(見圖3)。

另外，扣件調(diào)整量較大時(shí)，需要松開錨固螺栓進(jìn)行調(diào)距，這個(gè)過程易造成套管螺紋損壞等問題。

圖3 扣件錨固螺栓斷裂

2.4 高架線和地下線扣件類型不統(tǒng)一

目前，城市軌道交通高架橋小阻力扣件多采用WJ-2A扣件或相同彈條的配套扣件，地下線一般采用無螺栓扣件或Ⅱ型彈條配套分開式扣件。地下線和高架線扣件結(jié)構(gòu)差異較大，部件基本不能通用，造成運(yùn)營備品備件種類繁多、養(yǎng)護(hù)維修非常不便。

綜上所述，軌道部件所存在的問題都會(huì)直接影響行車的安全性、平穩(wěn)性，增大線路養(yǎng)護(hù)維修工作量。為解決以上問題，適應(yīng)城市軌道交通運(yùn)量大、小半徑曲線多、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短的特點(diǎn)，需研究一種新型扣件。

3 有擋肩扣件研究

3.1 研究思路

(1)解決扣件存在的主要問題

目前，城市軌道交通扣件存在彈條斷裂、T型螺栓后傾或折斷、錨固螺栓折斷、軌下墊板脫出等問題。應(yīng)對扣件各部件的受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以解決目前存在的問題。

(2)滿足160 km/h線路的使用條件

針對160 km/h運(yùn)行速度，應(yīng)提高扣件的橫向剛度，在保持鋼軌垂向位移控制要求的前提下，盡量減少軌頭橫向位移，提高軌道在高速行車下的穩(wěn)定性。

(3)地下線與高架線通用

目前，城市軌道交通地下線和高架線分別采用不同的扣件，造成備品備件種類較多，養(yǎng)護(hù)維修不便。因此，扣件應(yīng)采用地下線與高架線通用的結(jié)構(gòu)。

(4)降低扣件的造價(jià)

應(yīng)盡量優(yōu)化各部件尺寸，降低扣件的造價(jià)，使新扣件造價(jià)與普通地鐵扣件相當(dāng)。

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)荷載

扣件的受力取決于諸多因素：如車輛的軸重、固定軸距、曲線半徑、鋼軌抗彎剛度、扣件剛度等。目前，尚未有公認(rèn)成熟的理論計(jì)算來確定單個(gè)扣件的橫向力，一般通過經(jīng)驗(yàn)公式估算，并通過測試加以驗(yàn)證。其中，垂向力為

R=0.5ψW

式中ψ——?jiǎng)虞d系數(shù)，根據(jù)《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)速度小于等于160 km/h取2.0；

W——名義輪重。

橫向力為

H=0.6×R(小半徑曲線)

車輛軸重按17 t計(jì)算，垂向力R=85 kN；橫向力H=51 kN。

(2)扣壓力和縱向阻力取值

有砟軌道混凝土枕用扣件的防爬阻力必須大于道床縱向阻力。而無砟軌道的縱向阻力完全取決于扣件縱向阻力，設(shè)計(jì)時(shí)可參考有砟軌道的縱向阻力相當(dāng)值[2，15，16]。

《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，設(shè)計(jì)速度為160 km/h時(shí)，有砟軌道道床縱向阻力≥12 kN/枕(20 kN/m)。常阻力扣件采用Ⅱ型彈條，扣壓力為10 kN；橡膠墊板與鋼軌之間摩擦系數(shù)取0.65，軌距塊與鋼軌之間摩擦系數(shù)取0.25，縱向阻力r=2×10(0.25+0.65)/0.6=31.6 kN/m，扣件防爬阻力大于道床縱向阻力，可滿足無縫線路鋪設(shè)要求。

高架橋小阻力扣件采用“小阻力彈條+復(fù)合墊板”的組合，根據(jù)無縫線路檢算[11]，建議防爬阻力取10 kN/m，復(fù)合墊板與鋼軌之間摩擦系數(shù)取0.25，軌距塊與鋼軌之間摩擦系數(shù)取0.25，縱向阻力r=2×6(0.25+0.25)/0.6=10 kN/m，小阻力彈條扣壓力按照6 kN進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3)靜剛度

扣件節(jié)點(diǎn)垂向剛度應(yīng)以30 kN/mm左右為宜[20]，與《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求的20～40 kN/mm及《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中20～30 kN/mm一致。

(4)軌距、高低調(diào)整量

扣件軌距調(diào)整量為±12 mm，高低調(diào)整量為30 mm，滿足無砟軌道軌距加寬、施工誤差等的調(diào)整要求。

3.3 扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)扣件方案設(shè)計(jì)

采用有擋肩、有螺栓結(jié)構(gòu)，將橫向力通過軌距擋板傳至軌枕擋肩上，錨固螺栓不再承受橫向力，優(yōu)化了受力結(jié)構(gòu)，延長了扣件使用壽命，對高速行車以及小半徑曲線的適應(yīng)性更好。扣件由螺旋道釘、平墊圈、彈條(II型彈條和小阻力彈條)、絕緣塊、軌距擋板、軌下墊板(普通墊板和復(fù)合墊板)、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預(yù)埋套管組成(見圖4)。

圖4 有擋肩扣件組裝示意(單位：mm)

該有擋肩扣件主要有以下特點(diǎn)。

①在WJ-8型扣件基礎(chǔ)上，針對城際及市域鐵路的運(yùn)營條件，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

②扣件系統(tǒng)為帶鐵墊板的彈性不分開式扣件，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鐵墊板和軌距擋板傳遞至混凝土擋肩，降低了橫向荷載的作用位置，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

③扣壓件采用國鐵Ⅱ型彈條，經(jīng)過了幾十年的運(yùn)營考驗(yàn)，技術(shù)成熟，通用性好，造價(jià)較低。

④通過軌距擋板和絕緣軌距塊共同實(shí)現(xiàn)軌距調(diào)整，調(diào)整量大，且調(diào)整方便。

⑤同一結(jié)構(gòu)可安裝多種彈條(II型彈條和小阻力彈條)，配合使用摩擦系數(shù)不同的軌下墊板(橡膠墊板或復(fù)合墊板)可獲得不同的線路阻力。

(2)靜力計(jì)算

采用ANSYS有限元分析軟件建立扣件的有限元模型，通過模擬扣件工作過程中的實(shí)際受力情況，對其靜剛度及各零部件的受力進(jìn)行分析，驗(yàn)證扣件力學(xué)性能是否滿足使用要求。

① 計(jì)算荷載說明

在工作過程中，ZX-2Y型扣件主要承受車輪傳遞至鋼軌軌頭的垂向荷載和橫向荷載，內(nèi)部荷載為螺旋道釘擰緊后產(chǎn)生的對彈條的壓力，進(jìn)而產(chǎn)生對軌距塊和軌距擋板的壓力。模型加載情況如圖5所示(已對軌枕底面進(jìn)行約束處理)。

圖5 扣件加載方案示意

②計(jì)算模型

本模型中，鋼軌為60kg/m鋼軌，軌枕為有擋肩軌枕。為檢驗(yàn)小阻力彈條性能，扣件各零部件均采用實(shí)體模型；為保證計(jì)算效率，在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，對扣件模型進(jìn)行簡化，主要包括：

簡化螺旋道釘?shù)穆菁y，螺栓直徑保持不變；

省略平墊圈和絕緣套管；

對軌距擋板和軌距塊形狀進(jìn)行簡化；

去除扣件模型中非關(guān)鍵部分R3以下的圓角。

③ 網(wǎng)格劃分

單元?jiǎng)澐植捎?D實(shí)體單元中的SOLID45實(shí)體元，采用自由劃分的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 扣件有限元模型

④計(jì)算參數(shù)

扣件各部件材料屬性見表1。

⑤組裝靜剛度計(jì)算

通過向組裝扣件系統(tǒng)的鋼軌施加垂直于鋼軌底面的荷載，計(jì)算鋼軌在荷載作用下產(chǎn)生的相對于軌枕的位移。根據(jù)產(chǎn)生單位位移變化增加的垂向力來確定組裝扣件系統(tǒng)的靜剛度[8，14]。

表1 扣件各部件材料屬性

注：鐵墊板下彈性墊板靜剛度為30 kN/mm。

對鋼軌分別施加5 kN和55 kN的垂向作用力，計(jì)算出兩種荷載作用下的鋼軌位移分別為1.721 mm和0.157 mm(如圖7所示)。

圖7 鋼軌位移

扣件的組裝靜剛度為

(1)

⑥受力檢算

對有擋肩扣件螺栓的預(yù)緊方式進(jìn)行簡化處理，建立如圖8所示的有限元模型，對鋼軌和軌距擋板進(jìn)行約束，在螺栓上施加預(yù)緊力，通過調(diào)整預(yù)緊力的大小來計(jì)算彈條扣壓力。通過計(jì)算得出，當(dāng)預(yù)緊力為12.5 kN時(shí)，彈條的扣壓力為6 kN。

在分析過程中，為鋼軌施加垂向85 kN、橫向51 kN的靜荷載，并對兩螺栓分別施加12.5 kN的預(yù)緊力，計(jì)算扣件各部件的受力情況，分析各部件的受力狀態(tài)，見圖9和表2。