新型城市軌道交通用方鋼型防護裝置設(shè)計研究

黃慧超，丁靜波

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 研究背景

目前，城市軌道交通護軌主要應(yīng)用于小曲線半徑、豎緩重合以及跨越城市主干道和河流橋梁地段。國鐵護軌用于橋梁地段時，其主要作用是防止已脫軌的列車撞擊橋梁或墜入橋下，造成更大損失，國鐵護軌采用普通43，50，60 kg/m鋼軌制作，基本軌與護軌凈距大于140 mm車輪寬度，早期采用200～220 mm凈距。2007年以后，考慮大機作業(yè)前必須拆除護軌，作業(yè)完成后又要恢復(fù)護軌，存在安全隱患，新線護軌凈距按500 mm設(shè)計，以滿足大型搗固車橋上作業(yè)的要求。

城市軌道用的防脫護軌與國鐵普通護軌不同，護軌主要采用15 kg/m鋼軌、24 kg/m鋼軌、33 kg/m槽型鋼軌或槽鋼制作[1-2]，輪緣槽較小，輪緣槽寬度為40～100 mm。護軌結(jié)構(gòu)主要承受抗彎性、抗沖擊性，非直接承受列車荷載，當(dāng)一側(cè)車輪輪緣將要爬上軌頂面時，同一輪對的另一側(cè)車輪的輪背與護軌接觸，促使要爬軌的車輪恢復(fù)到正常位置，防止列車脫軌[3-5]。

1.2 城市軌道交通用防脫護軌現(xiàn)狀

1.2.1 DPⅡ-60型防脫護軌

DPⅡ-60型防脫護軌采用15 kg/m輕軌作為護軌，在兩個扣件節(jié)點之間，用專用的支架將護軌固定到鋼軌上，主要作用為防脫。該類型護軌緊固螺母在支架內(nèi)，現(xiàn)場安裝困難，其支架安裝高度較高；DPⅡ-60型防脫護軌其支架下方距離軌底65 mm，較難適應(yīng)一般地段整體道床鋼軌下方凈空為72 mm設(shè)計要求。DPⅡ-60型護軌現(xiàn)場照片見圖1。

圖1 DPⅡ-60型護軌安裝效果

1.2.2 槽軌型護軌

槽軌型護軌采用33 kg/m槽型鋼軌作為護軌，每間隔2個扣件間距在扣件節(jié)點之間，用專用的支架將護軌固定到鋼軌上。該護軌型式施工方便，整體強度較大，護軌抗橫向力大，但需專門軋制護軌，材料供應(yīng)困難，護軌質(zhì)量較大，養(yǎng)護維修作業(yè)較困難，經(jīng)濟性差。槽軌型護軌現(xiàn)場照片見圖2。

圖2 槽軌型護軌

1.2.3 槽鋼型護軌

槽鋼型護軌通過將槽鋼與支撐塊焊接，作為護軌結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝時支撐塊與護軌支架連接。該類型護軌單個支架節(jié)點質(zhì)量輕、造價較低，但工藝復(fù)雜，不利于現(xiàn)場安裝，橫向剛度較小，抗沖擊能力差。特別是焊接質(zhì)量對該型護軌影響較大，若焊接質(zhì)量較差，在列車荷載振動作用下，容易出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象。槽鋼型護軌現(xiàn)場照片見圖3。

圖3 槽鋼型護軌

根據(jù)以上情況，目前DPⅡ-60型防脫護軌工程適應(yīng)性較差，33 kg/m槽軌型鋼軌需專門軋制護軌，護軌質(zhì)量較大，其他槽鋼型護軌焊接質(zhì)量對該型護軌使用效果影響較大[6]，需研究一種安全性、通用性、施工便利性、經(jīng)濟性更優(yōu)的新型護軌結(jié)構(gòu)。

2 新型鋼軌防護裝置結(jié)構(gòu)方案

2.1 新型鋼軌防護裝置適用范圍

適用于時速120 km及以下，軸重≤17 t，采用60 kg/m鋼軌的城市軌道交通線路[7]。

2.2 新型鋼軌防護裝置結(jié)構(gòu)特征

本鋼軌防護裝置由方形鋼管(護軌)、支架、錨固螺栓、雙層彈簧墊圈、錨固墊塊、調(diào)整墊片、T形螺栓、扣板、防松螺母以及絕緣墊塊組成。護軌接頭處通過接頭套管、螺栓、螺母及開口銷進行連接[8]。新型鋼軌防護裝置結(jié)構(gòu)示意見圖4，現(xiàn)場組裝照片見圖5。

圖4 新型鋼軌防護裝置(單位：mm)

圖5 新型鋼軌防護裝置現(xiàn)場

護軌采用矩形鋼管，通過緊固螺栓固定在護軌支架上。護軌中部每間隔2個軌枕間距設(shè)置1處支架，護軌接頭位置間隔1個扣件間距設(shè)置1處支架。鋼軌兩端設(shè)置2個絕緣片，將支架與鋼軌絕緣安裝，絕緣片兩段設(shè)置凸臺卡在支架上，防止竄動。

護軌接頭位置上表面采用滑槽設(shè)計，下表面采用開孔，用于護軌接頭處，與其他護軌連接，接頭套管采用100 mm長矩形鋼管，長100 mm。接頭位置通過內(nèi)套筒使接頭前后護軌水平、垂向偏差均控制在極小的偏差范圍內(nèi)，具有優(yōu)秀的接頭位置平順性保持能力；護軌接頭安裝方便，通過預(yù)留國標(biāo)部件可在施工現(xiàn)場方便地進行組裝，結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，其安全性、可靠性好。

2.3 護軌結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點

(1)安全性好，具有足夠的橫、豎向強度，具有一定的防脫軌作用。

(2)通用性好，支架底部距軌底30 mm，能適用于各種道床型式。

(3)防松性能好，T形螺栓、接頭螺栓采用防松螺母，護軌緊固螺栓采用矩形螺母結(jié)構(gòu)，可有效防松防轉(zhuǎn)。

(4)零部件通用性好，方便運營期養(yǎng)護維修。

(5)護軌接頭處縱向不設(shè)置約束，不會對鋼軌無縫線路產(chǎn)生影響。

3 仿真分析模型

3.1 模型建立

為分析新型鋼軌防護裝置力學(xué)性能，通過建立有限元模型進行分析計算。鋼軌防護裝置各零部件均采用實體單元模擬，采用六面體單元或四面體單元劃分網(wǎng)格。鋼軌防護裝置各部件之間的接觸關(guān)系采用綁定方式建立。為方便建模，有限元模型中未考慮彈簧墊圈、T形螺栓及相關(guān)部件，T形螺栓預(yù)緊力施加在支架上。鋼軌、護軌兩端采用固定約束[9]。

各零部件的材料參數(shù)如表1所示。

表1 扣件零部件材料參數(shù)

本模型考慮中間段護軌和接頭位置護軌兩種結(jié)構(gòu)形式。中間段鋼軌防護裝置有限元模型采用2組支架將單根護軌固定，支架間距為1 200 mm，如圖6所示；接頭位置鋼軌防護裝置有限元模型采用2組支架分別將1個護軌固定，支架間距為600 mm，兩根護軌通過接頭連接套管進行連接，如圖7所示。

圖6 中間段鋼軌防護裝置有限元模型

圖7 接頭位置鋼軌防護裝置有限元模型三維視圖

橫向加載力值按照GB/T 5599—2019《機車車輛動力學(xué)性能評定及試驗鑒定規(guī)范》規(guī)定的車輛脫軌系數(shù)安全指標(biāo)，取危險工況下橫向力Q和垂向力P的比值1.2計算；垂向力P參照彈性地基梁設(shè)計方法，動載系數(shù)取2，分別按75 kN(14 t，B型車)、90 kN(17 t，A型車)、100 kN(特殊情況)3種橫向力作用[10-11]。

實際護軌承載能力取決于護軌支架整體軌排剛度和節(jié)點距離。本模型均按2個支架承載，不考慮軌排整體剛度，偏于安全。鑒于鋼軌防護裝置屬于軌道安全設(shè)備，產(chǎn)品經(jīng)撞擊后，超屈服強度出現(xiàn)塑性變形時應(yīng)及時更換，本模型按照材料極限抗拉強度進行檢算，以驗證產(chǎn)品的最大抗橫向能力[5]。

3.2 中間段鋼軌防護裝置計算結(jié)果

在75 kN橫向力作用下，中間段鋼軌防護裝置計算結(jié)果如下。

(1)中間段鋼軌防護裝置變形情況

在75 kN橫向力作用下，護軌出現(xiàn)橫向變形，且在支架位置出現(xiàn)輕微扭轉(zhuǎn)，其護軌最大橫向位移為2.67 mm，最大豎向位移為0.58 mm。同時支架、鋼軌因偏心受力出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，支架頂部最大橫向位移為0.48 mm，最大豎向位移為0.54 mm。

中間段鋼軌防護裝置整體變形云圖見圖8。

圖8 中間段鋼軌防護裝置整體變形云圖

(2)護軌部件受力情況

護軌在75 kN橫向力作用下，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在護軌位置外側(cè)，最大值為267 MPa，護軌不會產(chǎn)生破壞，材質(zhì)Q345滿足要求。

(3)護軌支架部件受力情況

護軌支架在75 kN橫向力作用下，結(jié)構(gòu)最大值為181 MPa，最大應(yīng)力位于支架底部固定鋼軌位置，材質(zhì)QT450滿足要求。

(4)緊固螺栓、緊固墊塊、扣板部件受力情況

緊固螺栓、緊固墊塊、扣板部件在75 kN橫向力作用下，最大應(yīng)力值分別為57.5，38.6，38.5 MPa，緊固墊塊緊固螺栓不會出現(xiàn)破壞。

經(jīng)檢算，當(dāng)橫向荷載作用在中間段鋼軌防護裝置時，護軌、緊固螺栓及緊固墊塊均滿足結(jié)構(gòu)強度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

(5)不同橫向力變形及應(yīng)力匯總

在90，100 kN橫向力作用下，中間段鋼軌防護裝置應(yīng)力、變形情況與75 kN荷載作用下趨勢相同，最大等效應(yīng)力及最大橫向位移分別見表2、表3。

表2 護軌主要部件最大應(yīng)力統(tǒng)計 MPa

表3 護軌主要部件最大橫向位移統(tǒng)計 mm

通過上述計算結(jié)果可以看出，當(dāng)橫向荷載分別為75，90，100 kN作用在中間段鋼軌防護裝置時，護軌、緊固螺栓及緊固墊塊均滿足結(jié)構(gòu)強度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

3.3 接頭位置鋼軌防護裝置計算結(jié)果

在75 kN橫向力作用下，接頭位置鋼軌防護裝置計算結(jié)果如下。

(1)接頭位置鋼軌防護裝置變形情況

在75 kN橫向力作用下，護軌出現(xiàn)橫向變形，且在支架位置出現(xiàn)輕微扭轉(zhuǎn)，其護軌最大橫向位移為4.81 mm，最大豎向位移為1.60 mm。同時支架、鋼軌因偏心受力出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，支架頂部最大橫向位移為3.00 mm，最大豎向位移為1.51 mm。

接頭位置鋼軌防護裝置整體變形云圖見圖9。

圖9 接頭位置鋼軌防護裝置整體變形云圖

(2)護軌部件受力情況

護軌在75 kN橫向力作用下，最大拉應(yīng)力值為299 MPa，出現(xiàn)在護軌開槽位置外側(cè)護軌不會產(chǎn)生破壞，材質(zhì)Q345滿足要求。

(3)護軌支架部件受力情況

護軌支架在75 kN橫向力作用下，最大應(yīng)力位于支架底部固定鋼軌位置，最大值為276 MPa，材質(zhì)QT450-10滿足要求。

(4)緊固螺栓、緊固墊塊、接頭套管受力情況

緊固螺栓、緊固墊塊、接頭套管外側(cè)在75 kN橫向力作用下，構(gòu)件最大應(yīng)力值分別為110.7，81.1，179 MPa，緊固墊塊、緊固螺栓、接頭套管外側(cè)滿足結(jié)構(gòu)強度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

接頭緊固螺栓最大應(yīng)力超過材料最大抗拉強度，螺栓可能出現(xiàn)破壞，此時接頭套管將作為主受力部件，接頭套管外側(cè)最大應(yīng)力小于材料屈服強度，接頭位置不會失效。

(5)不同橫向力變形及應(yīng)力匯總

在90，100 kN橫向力作用下，中間段鋼軌防護裝置應(yīng)力、變形情況與75 kN荷載作用下趨勢相同，最大等效應(yīng)力及最大橫向位移分別見表4、表5。

表4 護軌主要部件最大應(yīng)力統(tǒng)計 MPa

表5 護軌主要部件最大橫向位移統(tǒng)計 mm

從上述計算結(jié)果可以看出，當(dāng)橫向荷載75，90，100 kN作用在接頭位置鋼軌防護裝置時，護軌、緊固螺栓、緊固墊塊及接頭套筒外側(cè)均滿足結(jié)構(gòu)強度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

3.4 小結(jié)

通過建立橫向荷載作用在護軌中間位置和荷載作用在護軌接頭位置兩種工況，主要結(jié)論為：當(dāng)橫向荷載75，90，100 kN作用在中間段、接頭段鋼軌防護裝置時，護軌、緊固螺栓、緊固墊塊及接頭套筒外側(cè)均滿足結(jié)構(gòu)強度要求，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)破壞。

4 廠內(nèi)型式試驗

4.1 試驗?zāi)康募霸囼烅椖?/h3>

(1)試驗項目

試驗項目包括方鋼型鋼軌防護裝置的橫向推力試驗及疲勞試驗。

(2)試驗?zāi)康?/p>

通過橫向推力試驗掌握方鋼型鋼軌防護裝置主體及接頭位置橫向抗彎性能，測試評估方鋼型防脫護軌在列車橫向荷載作用下承載性能；其疲勞試驗主要目的是模擬在運營過程中，護軌與直接承受列車沖擊荷載的鋼軌共同作用，發(fā)生周期性振動，系統(tǒng)耐久性、穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 試驗方法

(1)方鋼型鋼軌防護裝置中間及接頭位置橫向推力測試：安裝2組鋼軌固定支架，支架橫向間距為2 m，并將鋼軌固定在安裝支架上，要求鋼軌固定支架基礎(chǔ)及與鋼軌間連接牢固，在試驗荷載作用下不發(fā)生位移[12-13]。

①在試驗鋼軌上安裝2組護軌支架，并安裝方鋼形防護裝置，支架固定螺栓力矩達(dá)到設(shè)計要求，采用不設(shè)置護軌接頭和設(shè)置護軌接頭兩種方法。通過材料試驗機對方鋼型防護裝置施加橫向荷載，加載速度5 kN/s，任意部位加載至100 kN后，停30 s，要求各部件不得出現(xiàn)裂紋。

②安裝2組護軌支架和方鋼型防護裝置，并放置護軌接頭，支架及接頭套管固定螺栓力矩達(dá)到設(shè)計要求，接頭位于護軌支架間中間位置，接頭前后支架間距為1.2 m。重復(fù)①中加載試驗步驟。橫推試驗現(xiàn)場照片見圖10。

圖10 護軌橫推試驗現(xiàn)場照片

(2)方鋼型鋼軌防護裝置支架橫向推力破壞測試。安裝2組鋼軌固定支架，并將鋼軌固定在安裝支架上，要求鋼軌固定支架基礎(chǔ)與鋼軌間連接牢固，在試驗荷載作用下不發(fā)生位移。通過材料試驗機對鋼軌用方鋼型防護裝置施加橫向荷載，在方鋼另一側(cè)布置位移傳感器觀察荷載作用下的位移變化，加載速度5 kN/s，試驗中觀察鋼軌固定支架的變形和裂紋情況[14]。靜載強度試驗現(xiàn)場照片見圖11。

圖11 支架橫推試驗現(xiàn)場

(3)方鋼型鋼軌防護裝置疲勞測試：固定軌枕并安裝鋼軌、扣件，要求軌枕基礎(chǔ)連接牢固，在試驗荷載作用下不發(fā)生位移。將護軌安裝在鋼軌內(nèi)側(cè)，護軌支架需安裝在兩根軌枕外側(cè)。

通過疲勞試驗機對鋼軌施加50 kN豎向荷載，卸載，緊固扣件及護軌螺栓后再對鋼軌施加脈沖荷載，循環(huán)荷載最大值為140 kN，荷載加載角度為26°，加載頻率為3～5 Hz。當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到3×106次時停止試驗，檢查支架是否松動，觀察護軌、支架、墊片等是否有損壞[15-18]。疲勞試驗現(xiàn)場照片見圖12。

圖12 護軌疲勞試驗現(xiàn)場

4.3 試驗結(jié)果

(1)橫向推力試驗

廠內(nèi)橫向推力試驗采用中間段及接頭位置兩種工況，進行破壞性試驗，橫推力試驗最大荷載為100 kN。橫推試驗結(jié)束后，觀察所有試件均完好，護軌、支架出現(xiàn)變形，未見零部件開裂。

護軌及接頭位置橫推試驗后結(jié)構(gòu)變形情況現(xiàn)場照片分別見圖13、圖14。

圖13 護軌橫推試驗后結(jié)構(gòu)變形情況

圖14 護軌接頭位置橫推試驗后變形情況

方鋼型鋼軌防護裝置支架橫向推力破壞測試結(jié)果見表6。

表6 方鋼型防護裝置靜載強度測試值

在加載過程中，當(dāng)荷載加到100 kN以后，位移開始增大，方鋼變形加劇，到130 kN后，變形達(dá)到17 mm，試驗停止。

(2)疲勞試驗

方鋼型鋼軌防護裝置經(jīng)50～140 kN豎向荷載，300萬次循環(huán)荷載，加載頻率為3～5 Hz，疲勞測試后，觀察試件完好，未見破壞和松脫現(xiàn)象。

4.4 試驗結(jié)論

方鋼型鋼軌防護裝置主體及接頭位置經(jīng)100 kN橫向推力試驗未破壞，達(dá)到預(yù)期效果；豎向荷載50～140 kN，經(jīng)300萬次循環(huán)荷載，加載頻率為3～5 Hz，未見松脫現(xiàn)象，方鋼型鋼軌防護裝置系統(tǒng)耐久性、穩(wěn)定性和可靠性滿足要求。

5 結(jié)論

新型60 kg/m鋼軌用方鋼型鋼軌防護裝置結(jié)構(gòu)簡單，取材方便，強度高，經(jīng)濟性好，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)先進，利于加工，養(yǎng)護維修方便；能適用于各種道床型式，施工方便，各零部件通用性好；接頭位置可將接頭前后護軌水平、垂向偏差均控制在極小的偏差范圍內(nèi)。

經(jīng)仿真模型計算，方鋼型鋼軌防護裝置中間段和接頭位置，分別在75，90，100 kN三種橫向力作用下，結(jié)構(gòu)良好，未破壞。方鋼型鋼軌防護裝置主體及接頭位置經(jīng)室內(nèi)100 kN橫向推力試驗未破壞，達(dá)到預(yù)期效果；經(jīng)模擬在運營過程中，50～140 kN豎向荷載，300萬次循環(huán)荷載，加載頻率為3～5 Hz，未見松脫現(xiàn)象，方鋼型鋼軌防護裝置系統(tǒng)耐久性、穩(wěn)定性和可靠性滿足要求。

經(jīng)仿真分析及試驗驗證，本型鋼軌防護裝置可滿足城市軌道交通使用要求，可代替現(xiàn)有防脫護軌。