高速鐵路WJ-8 型扣件彈條系統檢測與養護

曲玉福

（武漢鐵路職業技術學院，湖北 武漢 430000）

鋼軌扣件是鋼軌與下部基礎重要的聯結零件，其作用是將鋼軌固定在軌枕上，防止鋼軌的橫縱向移動，并保持軌距，扣件還要提供一定的彈性和足夠的強度。扣件連續失效過多，會造成線路失穩；瞬間崩斷彈條，有的擊穿電務設備的保護罩，影響道岔正常轉換；有的掉落到鋼軌上，被列車碾壓，造成列車跳動影響運行安全，硌傷鋼軌和列車輪對，還有的擊壞動車組車底及轉向架的零件，傷及動車組車體，影響高鐵運輸。

1 研究背景

在高速鐵路修建過程中，不同時期采用了不同技術系列扣件，高速鐵路無砟軌道扣件類型有WJ-7、WJ-8、SFC、W300-1 等型號。扣件種類繁多，型號復雜，每種扣件又有各自的技術指標，不做一一贅述。介紹WJ-8 型無砟軌道扣件，WJ-8 型扣件由螺旋道釘、平墊圈、彈條、絕緣軌距塊、軌距擋板、軌下墊板、鐵墊板、鐵墊板下彈性墊板和預埋套管等組成。為滿足高低調整需要，還包括軌下微調墊板和鐵墊板下調高墊板。WJ-8 扣件結構如圖1 所示。

圖1 WJ-8 扣件結構

按照高鐵修規周期性檢查要求，對扣件彈條按照狀態、部件缺損，彈條緊固狀態、鋼軌與絕緣軌距塊間隙每半年檢查1 遍，每公里連續抽查50 個。利用扣件安裝狀態檢查儀可以對全部扣件進行普查。某高鐵工務段使用扣件安裝狀態檢查儀檢查了近8 000 km，完成段管內的扣件全覆蓋檢查4 遍，積累了大量數據，通過對數據的挖掘，篩選出問題集中地段，納入綜合整治，收到良好的效果。文章僅取武（漢）孝（感）城際的10 km 來闡述。

2 鋼軌扣件存在的問題及原因分析

2.1 彈條折斷

一是螺旋道釘扭力矩過大，造成彈條失去彈性，列車通過時鋼軌振動，引發彈條折斷。二是彈條原材料內部有傷損，存在疲勞源。三是安裝時或者維修過程中遭受錘擊，存在暗傷。

2.2 彈條丟失

一是螺旋道釘扭力矩過小，列車經過時鋼軌振動，振飛彈條。二是由于預埋套管作用不良，螺旋道釘安裝不到位。三是在安裝過程中漏裝。

2.3 預埋套管失效

一是預埋套管強度不達標，精調過程中多次拆卸，導致預埋套管內螺紋失效。二是預埋套管安裝過程中定位銷失效造成上浮。三是預埋套管內水未吸凈，油水分離，冬季結冰之后將螺旋道釘頂起。四是預埋套管內有異物，阻止螺旋道釘的行程，同步影響到彈條的行程，導致預埋套管失效。

2.4 膠墊失去彈性

一是膠墊等橡膠制品正常老化或者鐵墊板下彈性墊板質量問題。二是扣件扣壓力不達標，鋼軌與下部軌道板間存在空吊，鋼軌對下部膠墊的沖擊力過大。三是輪軌關系不匹配，鋼軌波形磨耗病害導致的鋼軌高頻振動，將軌下膠墊及鐵墊板下彈性墊板壓潰或者變形，失去彈性。

2.5 彈條銹蝕

一是扣件彈條暴露在自然環境中，自然環境變化均會對彈條造成侵蝕。二是隧道內濕氣重，空氣不流通，也會加速彈條氧化，造成彈條銹蝕。三是鐵路沿線周圍有化工廠，導致酸性或者堿性環境，加速了對鋼軌及彈條的化學腐蝕。

2.6 扣件各部件的脫落、安放不到位

扣件安裝過程作業標準不高，各部位未安放正，就緊固螺旋道釘。

3 整治方法及措施

針對彈條折斷，彈條丟失，彈條銹蝕，各部件脫落、安放不到位的情況，扣件病害較明顯，可以利用扣件安裝狀態檢查儀、線路巡檢車或者人工巡視時可發現，及時補充扣件和扣件整正，恢復扣件狀態。

雖然扣件的彈條安裝狀態完好，但扭力矩不足或者過大，對扣件扣壓力和壽命影響巨大，彈條的扣壓力的檢測依據固定扭力的扳手來確定，存在較大的偏差。

3.1 彈條離縫值來代替彈條扭矩

扣件是將鋼軌與軌下結構聯結的唯一零件，利用彈條的彈性變形產生扣壓力，對于扣壓力的檢測，僅僅通過螺旋道釘扭矩不能夠真實反映，人工需用塞尺檢測彈條中部前端下顎與絕緣塊間的離縫值（本文簡稱彈條離縫值）來判定扣壓力。安裝標準彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊不宜接觸，兩者間隙不得大于0.5 mm，經常保養標準間隙不得大于1 mm 來代替W1 型彈條（130～170 N·m）、X2 型彈條（90～120 N·m）。

3.2 彈條離縫值檢測與分析

彈條離縫值檢測通過人工抽查，扣件安裝狀態檢查儀普查。扣件安裝狀態檢查儀檢查彈條離縫值，采用線激光手段，對扣件進行掃描，為保證檢測精度，線激光檢測線間距不超過1 mm。通過線激光掃描，檢測到扣件，找到彈條中部，利用總測量值-彈條的直徑，即得到彈條與絕緣規矩塊之間的離縫。WJ-8 測量模型如圖2 所示。

圖2 WJ-8 測量模型示意圖

根據計算彈條離縫值計算公式：

式（1）中f 為縫隙大小，H 為激光測量得到中圈環上最高點的高度；h 為激光測量得到絕緣墊片的垂向高度；D 為W1 型彈條（直徑為14 mm）經過中頻感應預熱，三道成型、預壓、拋丸和靜電噴粉防腐處理后，直徑以14.42 mm作為標準值來修正直徑誤差，單位為mm。

（1）對檢測結果進行數據分析，生成扣件離縫值原始記錄。武孝城際下行間隙所有明細見表1。

表1 武孝城際下行間隙所有明細

可知每套扣件彈條離縫值，根據具體檢測扣件的起始位置，找到相應的扣件，通過人工使用塞尺進行復核，發現與現場數據相符。

（2）按照扣件離縫值篩選，分類匯總，找出離縫大值，按照超限等級，優先安排扣件復緊，如對應軌枕編號003301012 的左股外側間隙4.3 mm，大于3 mm 就不滿足扣件扣壓力不小于9 kN 的基本條件。扣件離縫值超限記錄見表2。

表2 扣件離縫值超限記錄

（3）按照扣件離縫值具體逐公里分類匯總，找出離縫大值集中的具體的公里區段，如武孝城際下行K8+000 間隙超限數量為825 套，占本公里總扣件的12.89%，需優先安排扣件復緊。武孝城際下行每公里間隙統計見表3。

表3 武孝城際下行每公里間隙統計

柱狀圖將上表形象的顯示扣件超限的個數，為扣件復緊安排計劃提供依據。超限數據集中在K8-K10兩公里。

（4）引入數理統計方法，統計800 根軌枕800 套扣件離縫值分布，800 根軌枕左股外800 套彈條、800 根軌枕左股內800 套彈條離縫值分布。

FI 是左股外側離縫值、左股內側離縫值、右股內側離縫值、右股外側離縫值4 項在800 根軌枕彈條離縫值標準差之和。

式中σi為彈條離縫值偏差的標準差；i＝1，2，3，4，分別為左股外、左股內、右股內、右股外。Xij是指在800 根軌枕單元區段中彈條離縫幅值；j＝1，2，…，n；i ＝1，2，3，4。是指在800 根軌枕單元區段中彈條離縫平均值。n 是采樣點的個數（800 根單元區段中每根采集一個點，n＝800）。800 根取樣，一般無砟軌道的軌枕間距為625 mm，800 根軌枕單元間距為500 m，便于現場檢修和數據匯總。

以具體檢測的10 km 范圍為例，篩選出800 套扣件離縫值平均值，如K9+000-K9+500 段扣件離縫值平均大，說明該段扣件狀態差。區段內扣件離縫平均值見表4。

表4 區段內扣件離縫平均值

數據離散度說明該段范圍內的扣件離縫值波動大，大值超限個數集中在該500 m 范圍內。K5+000-K15+000 離縫值標準差見表5。

由表5 可知，該段范圍扣件彈條的超限離縫值主要集中在K9+000-K9+500 范圍內，在人員、設備及能力有限的情況下優先安排此段范圍。

表5 K5+000-K15+000 離縫值標準差

3.3 研發專用的復緊設備

不適用固定扭力矩方式來旋緊螺旋道釘，而是根據離縫值的大小來換算成螺桿的轉動角度。WJ-8 型扣件的螺紋螺距為12.0 mm。WJ-8 螺旋道釘的螺距如圖2 所示。

圖2 WJ-8 螺旋道釘的螺距

按照彈條離縫值的數值來控制螺旋道釘的轉動角度。為螺旋道釘轉動角度與旋進距離對照，見表6。按照扣件的安裝標準控制在0.5 mm 以內，避免彈條受到過大的螺旋道釘壓力而變形，影響彈條使用壽命。

表6 為螺旋道釘轉動角度與旋進距離對照表

（1）研發單個扣件復緊扳手。一種把檢測的數據整體導入的扭力扳手內進行自動判別，對每個扣件的緊固，對離縫值為0 無法判別。離縫值為0 的扣件先松開扣件螺栓轉動90°，再次進行測量，根據離縫值進行復緊。

（2）研發單個檢測復緊一體扳手。一種即時維修復緊扳手，維修對單個扣件進行先測量離縫值，再根據離縫值的數值折算成螺栓的轉動角度，轉換成螺栓機套筒頭的轉動角度。復緊后再進行復檢。

（3）研發多個扣件同步復緊設備。一種大型養路機械復緊的設備，一次復緊多個扣件，以單元板結構的扣件個數為單位。

3.4 加強現場作業控制，加強作業標準化

每次松開扣件后，禁止將螺桿放置到軌道板或者道床上而沾污螺栓，影響扭力矩套管與螺栓的咬合度。需對螺桿絲扣部分進行擦拭清洗，重新涂潤滑油。螺栓套管內定期涂油，灌注潤滑油，保持套管的潤滑，延長設備使用壽命。

3.5 扣件彈條實施單元管理

依據不同的外部環境進行相應管理。特殊橋梁地段，路基地段，站線股道、道岔內，路橋（路隧、橋隧）結合部地段，有砟與無砟結合部地段，小半徑曲線地段，TQI 數據離散度大的優先安排。

3.6 提高扣壓力精確度

扣件廠家應提高螺旋道釘和預埋套管的加工精度，扣件維護部門應保證預埋套管中有一定量的防護油脂。保持螺旋道釘和預埋套管間間隙的均衡，減少扣件的差異性，來提高扣件扣壓力的準確性。

4 結論

（1）通過扣件安裝狀態檢查儀可實現對扣件彈條中部與絕緣塊間隙檢測，可將離縫值轉換為扣件扣壓力，進而為扣件復緊實現扣壓力可控提供了方法。通過對扣件扳手的研發，可以實現精確控制彈條扭力矩，既實現扣件的扣壓力，又不影響扣減的使用壽命。

（2）加強扣件的養護，按周期安排檢測，監控扣件整體工作狀態，精細化扣件的單元式管理，及時更換傷損失效的扣件，減少對運輸干擾。

（3）結合單個扣件缺失、斷裂、歪斜和扣壓力復緊狀態圖來合理安排人工復緊。扭力矩過大比扭力矩不足所造成彈條傷損更大。所以，加強彈條離縫值為0 的判定，一種原因是彈條與絕緣塊接觸臨界值，另外一種原因是螺旋道釘扭力矩過大導致彈條已經變形。

鐵路工務養護是一個系統工程，扣件系統作為鋼軌與軌枕的唯一聯結零件，在各種復雜自然環境下工作，承受著鋼軌傳遞過來的垂直力、鋼軌溫度應力傳遞過來的橫向力，在高頻荷載作用的反復振動，都會影響扣件的使用壽命，必須及時更換失效扣件，才能確保工務設備的穩定，更好地為運輸服務。