現代有軌電車新型扣件系統研究

劉雪鋒，李俊璽，馬佳駿

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

1 引言

現代有軌電車作為一種介于輕軌和公交之間的軌道交通系統，以其安全舒適、靈活性好、運能適中、造價低、美觀環保等優點成為眾多城市完善綜合交通運輸體系的重要手段，并且多地均有大力發展現代有軌電車作為城市綜合交通骨干的意愿。

現代有軌電車扣件系統工作環境一般位于地面以下，傳統扣件系統主體為金屬結構，金屬件易產生嚴重銹蝕；小半徑曲線地段在車輪橫向沖擊作用下，扣件系統頻繁出現損壞，由于工作環境特殊性，運營期養護維修不便。因此，對現代有軌電車扣件系統進行改進十分必要。

對于現代有軌電車扣件系統存在的問題，文章進行有針對性的優化。通過改善扣件系統主體結構材料屬性提高防腐性能；通過設置防松措施保證扣件系統在隱蔽工作環境中穩定的工作狀態，減少養護維修工作量；通過采用有擋肩結構提高扣件系統強度。

2 新型扣件系統結構設計

2.1 既有扣件系統存在的問題

現代有軌電車在迅速發展同時，由于特有運營環境，導致現代有軌電車扣件系統存在不同于地鐵和輕軌的問題。

（1）金屬件腐蝕嚴重。現代有軌電車軌道扣件系統常年埋設于地面下，潮濕的工作環境加速扣件系統金屬件化學腐蝕，而埋設于地下的走行軌將產生更多雜散電流，加劇扣件系統金屬件電化學腐蝕，進而降低扣件系統使用壽命。

（2）養護維修不便。安裝完成的現代有軌電車扣件系統埋設于地下，出現彈條或螺栓等零部件松動或傷損問題時不易發現，無法及時進行養護維修的軌道結構將加速病害蔓延，并且更換鋼軌、扣件系統等軌道部件的工序繁瑣。

（3）橫向荷載過大。現代有軌電車線路不同于地鐵或輕軌，受道路交通限制，線路曲線半徑較小，軌道系統將承受更大橫向作用力，引起錨固螺栓剪斷或彈條折斷等病害。

2.2 設計原則

根據現代有軌電車系統結構特點及目前存在的問題，設計需要遵循以下5個方面原則。

（1）足夠的強度。作為聯結鋼軌和道床核心部件，足夠的強度是確保列車平穩、安全運行的基礎。

（2）合理的剛度。降低扣件系統剛度可有效衰減輪軌間相互作用，但同時削弱了扣件系統穩定性，選擇合理的剛度才能同時保證安全性和減振效果。

（3）良好的絕緣、防腐性能。現代有軌電車扣件系統工作環境多位于地面以下，良好的絕緣、防腐性能可避免金屬部件受到腐蝕。

（4）足夠的調整能力。針對運營過程中線路可能出現的沉降或偏移，扣件系統應具有足夠的調高、調距能力。

（5）降低養護維修工作量。扣件系統結構應力要求簡單，緊固部件應有足夠的防松能力。

2.3 創新設計

基于現代有軌電車扣件系統應用環境，結合國內外現代有軌電車扣件系統結構特點及存在的問題，對其進行創新及優化設計。

2.3.1 新型基板

基板是現代有軌電車扣件系統核心組件，現有基板以金屬材質為主，由于長期埋設于地下，金屬材質易被腐蝕且自重較大不利于養護維修。

為適應現代有軌電車扣件所處的特殊環境，首次采取玻璃纖維增強聚酰胺66材質注塑成型基板，在保證基板結構強度同時，極大提高了扣件系統的防腐、絕緣性能，同時降低了扣件結構的重量，便于施工及養護維修，如圖 1所示。

圖1 新型基板

2.3.2 新型防松墊圈

現代有軌電車扣件系統長期埋設于地下，出現螺旋道釘松動，彈條扣壓力不足等問題時，不易及時發現，從而影響扣件系統整體性能。

設計首次采用新型防松墊圈，使墊圈壓緊螺旋道釘螺帽的同時兩翼卡緊彈條中趾，持續為螺帽提供壓緊力，防止螺旋道釘松脫，保證螺旋道釘和彈條長期處于穩定的工作狀態，如圖2所示。

2.3.3 主體結構優化

圖2 新型防松墊圈

現代有軌電車線路曲線半徑小，輪軌作用橫向力大，因此應提高扣件系統結構強度。同時由于扣件系統長期埋設于地下，不便于養護維修，需在滿足使用功能基礎上，盡量減少扣件系統組成部件。

新型扣件系統采用有擋肩結構，利用混凝土軌枕擋肩承受輪軌作用傳遞的橫向力，降低螺旋道釘所受的剪切力，提高扣件穩定性。

新型扣件系統采用彈性不分開式結構，結構簡單，零部件少，最大程度降低了養護維修工作量，如圖3所示。

圖3 現代有軌電車新型扣件系統

2.4 結構設計

基于現代有軌電車新型扣件系統設計原則開展結構設計。新型扣件系統采用有擋肩、有螺栓、彈性不分開式結構，主要由基板、彈性墊板、螺旋道釘、Ⅱ型彈條、防松墊圈、絕緣軌距塊、尼龍套管等組成。

（1）新型扣件系統技術標準應符合現代有軌電車系統運營需求，其主要技術參數如表1所示。

（2）通過設置軌下調高墊板和板下調高墊板方式實現鋼軌調高，調高水平為0 ～20 mm；通過調整絕緣軌距塊配置方案實現鋼軌調距，調距水平為 - 8～+ 4 mm。調高調距方式簡便，滿足現代有軌電車運營后養護維修要求，如圖4所示。

表1 主要技術參數匯總表

（3）扣壓件選用Ⅱ型彈條，為城市軌道交通中最普遍應用形式，技術成熟，扣壓力適中，通用性高，如圖 5所示。

3 新型扣件系統理論計算

通過建立有限元分析模型，對工作狀態下新型扣件系統性能指標進行理論分析。

圖4 現代有軌電車新型扣件系統調高調距方案

圖5 Ⅱ型彈條

3.1 有限元模型參數取值

有限元模型參數取值如表2所示。通過設計參數進行荷載理論計算。

3.2 計算荷載

3.2.1 垂向荷載

新型扣件系統垂向荷載影響因素主要包括車輛軸重、運行速度等，根據我國軌道強度計算方法。枕上動壓力Rd為：

式（1）中，Rs為靜輪載計算得到的枕上壓力，取30 kN。軸重取12.5 t，荷載分配系數取0.48；α為速度系數，取0.315。速度取70 km/h，機車類型取電力機車；β為偏載系數，取0.1。車輛重心高度取1 500 mm，不均衡超高值取75 mm。左右鋼軌中心線間距取1 500 mm。

3.2.2 橫向荷載

新型扣件系統橫向荷載影響因素主要包括車輛軸重、曲線超高、運行速度等，針對扣件橫向荷載計算，目前尚未有公認計算公式，一般通過經驗公式進行估算，考慮小半徑曲線下最不利情況，橫向力Rt取值為：

3.3 鋼軌位移計算

分別對正常組裝和最大調高狀態下新型扣件系統在輪軌接觸位置施加垂向力Rd= 42.45 kN，橫向力Rt=25.47 kN的荷載，提取鋼軌垂橫向位移如圖6、圖7、表3所示。

經計算，2種狀態下鋼軌垂、橫向位移均滿足相關規范要求。

3.4 新型扣件系統零部件受力檢算

提取加載狀態下新型扣件系統各主要零部件Mises應力云圖，檢算各主要零部件受力情況。

表2 主要設計參數

圖6 正常狀態下鋼軌位移云圖（單位：mm）

3.4.1 基板

基板應力集中部位為底座與彈條接觸位置和鋼軌傾翻一側頂面折角位置，最大應力為54 MPa，如圖8所示。

圖7 最大調高狀態下鋼軌位移云圖（單位：mm）

表3 不同組裝狀態下鋼軌位移 mm

3.4.2 Ⅱ型彈條

Ⅱ型彈條彈程為10 mm，彈條中趾前端受壓向下彎曲10 mm后實現三點接觸，此時彈條最大應力為后趾圓弧內側，最大應力為1 349 MPa，如圖9所示。

3.4.3 螺旋道釘

由于新型扣件系統型式為有擋肩扣件系統，傳遞的輪軌橫向力主要由擋肩承受，螺栓所受剪力大大降低，與軌枕面接觸位置應力為25 MPa，與彈條接觸位置應力為38 MPa，如圖10所示。

3.4.4 防松墊圈

防松墊圈兩翼隨彈條中趾變形同步發生變形，墊圈應力最大位置為兩翼根部，最大應力為42 MPa，如圖 11所示。

圖8 基板Mises應力云圖（單位：MPa）

圖9 Ⅱ型彈條Mises應力云圖（單位：MPa）

圖10 螺旋道釘Mises應力云圖（單位：MPa）

圖11 防松墊圈Mises應力云圖（單位：MPa）

經計算，新型扣件系統主要零部件受力均滿足要求，且有適當余量，如表4所示。

表4 主要零部件受力情況匯總表 MPa

3.5 新型扣件系統組裝靜剛度計算

對正常組裝狀態下和最大調高狀態下新型扣件系統分別施加F1= 5 kN和F2= 55 kN的垂向荷載，產生位移D1、D2。分別計算2種狀態下新型扣件系統的垂向靜剛度KSTA，計算結果如圖12、圖13、表5所示。

經計算，正常狀態和調高狀態下新型扣件系統組裝靜剛度均滿足40±5 kN/mm的設計要求。

4 廠內試制試驗

理論計算滿足設計要求后，對該扣件系統進行廠內試制試驗，主要包括其零部件和組裝性能檢驗。

圖12 正常狀態下鋼軌位移云圖（單位：mm）

圖13 最大調高狀態下鋼軌位移云圖（單位：mm）

表5 不同組裝狀態下新型扣件系統靜剛度計算

4.1 基板原材料性能檢測

基板主料為聚酰胺66，加入一定量玻璃纖維及一定比例的抗氧劑、偶聯劑、成核劑、增韌劑等，在滿足新型扣件系統絕緣要求同時，提高各個方向強度。基板是本扣件系統中核心受力部件，因此對原材料性能進行檢測，經檢驗，基板原材料各項參數指標均為合格，檢測結果如表6所示。

4.2 基板抗壓性能檢測

在原材料滿足設計要求情況下，對基板成品強度進行檢測，經檢驗，基板各項抗壓性能指標均為合格，如表7所示。

4.3 彈性墊板性能測試

彈性墊板是為新型扣件系統提供彈性的主要部件，同時也是與鋼軌直接接觸部件，對絕緣性能有較高要求，因此對彈性墊板性能進行檢測，各項檢測指標均為合格，如表8所示。

表6 基板原材料性能

表7 基板抗壓性能指標匯總表 mm

表8 彈性墊板動、靜剛度和工作電阻的測試

4.4 新型扣件系統組裝疲勞試驗

組裝疲勞試驗是將軌枕、鋼軌、螺旋道釘按一定標準組裝后，用疲勞試驗機進行3×106次循環荷載，加載完成后觀察扣件系統損壞、變形以及軌距擴張量，經檢驗，疲勞試驗后的新型扣件系統無損壞，軌距擴張量為4 mm，該扣件系統組裝疲勞性能合格。

4.5 疲勞試驗前后新型扣件系統垂向靜剛度試驗

讀取垂向荷載F1= 5 kN和F2= 55 kN時鋼軌相對工裝的垂向位移值，計算單個扣件系統節點垂向靜剛度，經檢驗，該扣件系統垂向靜剛度和疲勞試驗后靜剛度變化率均為合格，如表9所示。

4.6 新型扣件系統電阻值試驗

測試在噴水條件下固定于單根軌枕上的2根短鋼軌之間的電阻值，鋼軌不能有裂紋和銹跡，軌枕表面應干燥并且置于絕緣塊之上，噴水結束后記錄時間不小于3 min。分別對3組新型扣件系統進行了測試，經測試，新型扣件系統組裝電阻值合格，如表10所示。

表9 疲勞試驗前后垂向靜剛度試驗記錄表

表10 電阻試驗記錄表 kΩ

5 結語

文章通過建立現代有軌電車新型扣件系統有限元模型，對新型扣件系統受力特性進行計算分析，并進行廠內試制試驗驗證，得出主要結論如下。

（1）新型扣件系統基板采用玻璃纖維增強聚酰胺66材質注塑成型，在保證結構強度同時，可有效提高新型扣件系統防腐和絕緣性能。

（2）新型扣件系統采用防松墊圈，在不便于養護維修情況下，可有效防止螺旋道釘松動，保證彈條扣壓力。

（3）新型扣件系統采用彈性不分開式有擋肩結構，在減少組成部件同時，可有效提高新型扣件系統抗橫向力水平。

基于以上研究結論，此種新型扣件系統有效解決了傳統現代有軌電車扣件系統存在的問題，可在現代有軌電車工程中推廣使用。