地鐵軌下鐵墊板優化及其靜力學性能研究

宋智慧，唐恩寬，唐善武

（1.武漢鐵路職業技術學院，湖北 武漢 430205；2.湖北瑞立德科技有限公司，湖北 武漢 430062；3.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

隨著城市地鐵業務的迅速發展，在列車運行速度不斷加快、行車密度逐漸增加的同時，軌道線路設備也出現了大量的病害。通過對武漢軌道交通 2 號線鋼彈簧浮置板道床段線路進行調研，對中南路—寶通寺區間鋼彈簧浮置板地段現場工況進行分析，全面調查線路所存在的病害，區間段主要存在尼龍套管失效、浮置板空吊板和鐵墊板凹陷等問題，發現在武漢軌道交通 2 號線的曲線地段，尤其是在鋼彈簧浮置板道床的小半徑曲線地段，鐵墊板上螺栓孔位置已達到極限，而且部分區段線路的軌距、方向等仍處于超臨修狀態或接近超臨修狀態，嚴重影響著日常的維修作業及線路的安全運營［1，2］。

分析區間道床病害的成因及解決辦法，對線路上使用的定型軌下鐵墊板進行有針對性的優化研究，從而設計出兩種螺栓孔徑、厚度不同于定型軌下鐵墊板的優化型鐵墊板。通過對兩種優化后的鐵墊板進行原材料檢測，對所組成的扣件系統各部件力學強度檢算，分析優化后的兩種鐵墊板的靜力學性能［3］。

1 鐵墊板優化設計

經過對武漢市城市地鐵 2 號線中南路—寶通寺區段道床病害的主要原因進行分析，找出相應解決辦法。對該線上采用的定型軌下鐵墊板（見圖 1）進行有針對性的優化研究，進而設計出兩個固定螺栓孔徑、厚度等不同定型軌下鐵墊板模型，以增加墊板寬度和孔徑為手段，達到調距扣板調節量和軌距調節量擴大的目的，調距扣板調整量優化為 ±20。增加鐵墊板厚度還可提高豎向調節量，能夠做到在確保現場軌下墊板調整片不超標的前提下，使豎向線路達到標準設計線型。優化后鐵墊板設計圖如圖 2 所示。

圖1 原定型鐵墊板設計圖（單位：mm）

2 優化后鐵墊板原材料質量檢測

按照中國城市地鐵的有關標準要求，城市地鐵線路中所采用的軌下鐵墊板的技術條件，主要涉及鐵墊板材質和整體性能方面的重要技術指標，且鐵墊板的總體特性與其所使用的材質特性之間有較大關聯，因此為了全面檢驗軌下鐵墊板并改進工程中所使用材質的整體特性，同時保證檢驗結論的準確度和權威性，先后分兩次將 6 件優化后的鐵墊板樣品（未加厚、加厚型鐵墊板各 3 塊）送至中國國家鐵路產品質量監督檢測中心進行權威檢測［4］。優化后的鐵墊板樣品圖如圖 3 所示。

2.1 檢測項目

相關規范規定的檢測項目有：材料抗拉強度（MPa）、斷后伸長率（%）、硬度（°）、外觀質量、金相組織檢測等 5 個。材料抗拉強度不低于 500 MPa，斷后伸長率≥10 %，硬度范圍為 170°～230°，在測試完成后，對被測試件進行了外觀檢測，無破損或嚴重變化。

圖2 優化后鐵墊板設計圖（單位：mm）

圖3 優化后的鐵墊板樣品實體圖

2.2 檢測主要儀器及依據

檢測主要儀器有：600 DX 材料試驗機、HBE3000電子布氏硬度計、游標卡尺、LeicaDMT5000M 型金相顯微鏡等。

按照有關標準要求，本試驗所應用檢測標準為 GB/T 1348-2009《球墨鑄鐵件》、GB/T 9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗》。

2.3 檢測結果

檢測結果如表 1、表 2 所示。

表1 鐵墊板材料檢測結果

表2 鐵墊板金相組織檢測結果

圖4 金相照片

2.4 檢測結論

經檢測，優化后鐵墊板根據檢驗規范要求所進行檢測的 5 個項目的指標均符合要求，說明優化后軌下鐵墊板制作所采用的原材料及成品質量符合相關行業規范要求。

3 各構件強度檢算

本文采用高速鐵路軌道結構的設計荷載進行優化后扣件系統各構件的強度檢算。

其中，垂直荷載按最大動軸重F1=340 kN 取值；橫向水平荷載按F2=80 kN 取值；縱向水平荷載只考慮列車制動力和起動力的影響，所引起的鋼軌應力按σ=10 MPa 取值［5］，由于高速鐵路及地鐵線路軌道所采用的 P60 鋼軌截面積為S=77.45 cm2，因此縱向水平荷載為F3=σ·S=10×106×77.45×10-4=77.45 kN 。

3.1 錨固螺栓檢算

扣件系統的扣壓力可通過給錨固螺栓施加的預緊力矩進行控制。具體的力矩控制計算方法見式（1）。

式中：Q為抗拔力，N；T為錨固螺栓的預緊力矩，N·m；d為錨固螺栓的公稱直徑，m；μ0為錨固螺栓的扭矩系數，本文按 0.15 進行取值。當螺栓的預緊力矩為200 N·m、公稱直徑為30 mm 時，擰緊后錨固螺栓的受力值即抗拔力見式（2）。

同時當扣件系統處于最大調高量時（單獨考慮加厚型鐵墊板受力情況），由于扣件系統受到鋼軌橫向力（這里分析時按照扣件系統所受最大橫向力 80 kN 考慮）的影響，會對螺栓產生一個附加的彎矩，螺栓的最不利受力位置位于螺栓與下部錨固套管的結合位置，此時螺栓的懸臂長度L見式（3）。

螺栓的受力見式（5）。

對于采用 45# 鋼材質的錨固螺栓，螺栓的屈服極限為 355 MPa，經計算可知安全系數為 2.07，可見螺栓的受力遠小于其材料的屈服極限，因此螺栓的受力情況是偏于安全的，滿足現場的使用要求。同時需要注意的是，采用通過控制扭矩的方式來控制抗拔力時，由于潤滑情況等現場條件存在差異，螺栓所受拉力大小會產生最大 25 % 的誤差。

3.2 調距扣板檢算

調距扣板沿線路橫斷面方向的長度調整 10 mm 后，降低了扣板受力結構的剪切面積，計算時扣件系統所受橫向力取 80 kN，由于兩個扣板受力相同，則可計算得到扣板剪切面的受見式（6）。

對于 45 # 鋼材質的調距扣板，扣板的屈服極限為355 MPa，經計算可知安全系數為 5.08，調距扣板所受剪切力遠小于其屈服極限，可見扣板強度改造后仍能保證有較大的安全系數，滿足使用要求。

3.3 優化后鐵墊板檢算

為準確地計算優化后軌下鐵墊板的受力情況，采用ABAQUS 有限元軟件對其受力情況進行模擬，并計算出所受最大應力情況，以此對優化后的兩種軌下鐵墊板進行強度檢算。

3.3.1 有限元模型建立

本次軌道交通鋼彈簧浮置板道床軌下鐵墊板的優化部分主要為鐵墊板處的錨固螺栓連接孔左右各擴大10 mm，或厚度同時增加 15 mm，對優化前和兩種改進后的鐵墊板分別建立實體模型如圖 5 所示。

圖5 鐵墊板實體模型

3.3.2 強度檢算

為了精確檢算優化后鐵墊木在列車負荷作用下的最大剛度，并研究優化后前鐵墊塊的最大受力狀況，從而對其結構力學性能進行了評估，使用 ABAQUS 有限元軟件構建了該扣件連續結構力學分析計算系統的有限元模塊，對鐵墊板結構承載力等狀況進行了仿真分析，分別測算出扣件及其連接結構的最大變形和應力狀況。

綜合計算分析了 3 種鐵墊板扣件結構在垂向載荷70 kN、橫向水平載荷 80 kN、縱向載荷 77.45 kN 條件下的受力情況，力作用面分別為鐵墊板承軌槽上表面、左邊側表面和鐵墊板前表面。優化前、優化后未加厚、優化后加厚 3 種工況下的鐵墊板受力狀態計算結果如圖 6 所示。

圖6 3 種工況鐵墊板下受力情況

由仿真結果可知，鐵墊板在 70 kN 垂向載荷、80 kN橫向水平載荷、77.45 kN 縱向載荷作用下，優化前、優化后未加厚、優化后加厚 3 種鐵墊板的最大應力分別為 124.3 MPa、121.7 MPa 及 122.1 MPa。應力分布從鐵墊板由上而下擴散逐漸增大，最大應力產生在鐵墊板下表面四周邊緣處，計算得到的最大應力均小于鐵墊板的設計強度 450 MPa，因此縱向力載荷分析表明優化后鐵墊板的強度滿足使用要求。

3.3.3 變形分析

科學研究證實，扣件連接時垂向剛性越低，減振去噪的效果就越好。所以，豎向靜剛度也是橡膠減震扣件的主要技術指標之一。通過對優化前、優化后未加厚、優化后已增厚 3 種鐵墊板材料進行的熱靜力學模擬，研究其變形特征，以檢驗其側向剛性與豎向強度能否與實際狀況相匹配。3 種鐵墊板結構的變形如圖 7 所示。

圖7 優化前后三種鐵墊板變形圖

優化前鐵墊板結構的總體變形如圖 7（a）所示，最大位移為 1.412 mm，產生在彈條孔上表面邊緣處，4 個象限內鐵墊板頂面四角的位移分別為 0.589、1.295、0.942、0.706 mm。按照實驗條件，求得的仿真豎向強度為 54.6 kN/mm。仿真得到的豎向強度都在中等減振扣件設計強度的范圍內，而且都與實際狀況基本吻合，而且材料設置合理，模型準確。

優化后未加厚鐵墊板結構的總體變形如圖 7（b）所示，最大位移為 1.883 mm，產生在彈條孔上表面邊緣處，鐵墊板頂面分別位于 4 個象限的 4 個角點的位移分別為 0.655、1.412、1.255、0.784 mm。根據試驗要求，求得仿真豎向剛度為 46.4 kN/mm。仿真得到的豎向剛度在中等減振扣件設計剛度的范圍內，并且與實際情況相符，所以材料設置合理，模型正確。

優化后加厚鐵墊板結構的總體變形如圖 7（c）所示。最大位移為 1.323 mm，產生在彈條孔上表面邊緣處，在鐵墊板頂面處分別處于 4 個象限的 4 個角點之間的位置差分別為 0.331、0.882、0.935、0.661 mm。按照實驗條件，求得的仿真豎向強度約為 58.4 kN/mm。仿真得到的豎向強度都在中等減振扣件設計強度的范圍內，而且都與實際狀況基本吻合，可以得出材料設置合理，模型準確。

3.4 檢算結論

通過采用高速鐵路軌道結構的設計荷載，對優化前后的軌下鐵墊板所組成的扣件系統各構件進行強度檢算，可以得出錨固螺栓、調距扣板以及優化前后鐵墊板的強度均小于其屈服極限或設計強度，并且對優化前、優化后未加厚、優化后加厚 3 種鐵墊板進行的靜力學仿真，研究其變形特性，驗證其豎向剛度與實際情況相符，符合安全使用要求。

4 結語

1）經檢測，優化型鐵墊板按照 GB/T 1348-2009《球墨鑄鐵件》和 GB/T 9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗》要求，所進行測試的材料抗拉強度、斷后伸長率、硬度、外觀質量、金相組織檢測等 5 個項目的指標均符合要求。說明改進型軌下鐵墊板制作所采用的原材料及成品質量符合相關行業規范要求。

2）采用高速鐵路軌道結構的設計荷載，對優化前后的軌下鐵墊板所組成的扣件系統各構件進行強度檢算，可以得出錨固螺栓、調距扣板強度均小于其屈服極限或設計強度，螺栓及調距扣板的受力情況是偏于安全的，錨固螺栓和扣板強度改造后仍能保證有較大的安全系數，滿足現場的使用要求。

3）采用 ABAQUS 有限元軟件對優化前后 3 種鐵墊板結構受力情況進行模擬，并計算出在高速鐵路軌道結構的設計荷載作用下鐵墊板所受的最大應力情況，對優化后的兩種軌下鐵墊板進行強度檢算，得到優化前后鐵墊板所受最大應力均小于設計強度，并通過對優化前、優化后未加厚、優化后加厚 3 種鐵墊板進行的靜力學仿真，研究其變形特性，驗證其豎向剛度與實際情況相符，因此符合安全使用要求。Q