新時代地鐵扣件錨固螺栓斷裂原因研究

［摘 要］討論了新時代地鐵扣件錨固螺栓斷裂的原因。通過現場測試，獲悉螺栓扭力矩和軸力之間的關系。通過構建有限元計算模型，對比分析單、雙彈簧墊圈時，扣件錨固螺栓的受力情況。討論結果顯示，在壓緊的情況下雙墊圈能夠持續供給剪切變形，在高鐵列車的荷載作用下，相較單墊圈，雙墊圈的螺栓軸力增長幅度更小，發生斷裂的概率更低。

［關鍵詞］地鐵；扣件螺栓；斷裂原因；墊圈

［中圖分類號］U213.53 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0030–03

地鐵作為現代城市公共交通的重要組成部分，其安全性和穩定性至關重要。扣件錨固螺栓作為地鐵軌道的重要組成部分，其質量和可靠性直接影響地鐵的正常運行。然而，近年來，地鐵扣件錨固螺栓斷裂問題時有發生，給地鐵的安全運行帶來了潛在的風險。因此，對新時代地鐵扣件錨固螺栓斷裂原因進行深入討論，提出相應的解決措施，對于提高地鐵的安全性和可靠性具有重要意義。現階段針對地鐵扣件錨固螺栓的研究多圍繞錨固、防松等內容，并圍繞其提出相應的假設及測試方法等，但未重視探究墊圈對螺栓的影響，而螺栓在工作的過程中除了與彈跳、墊板相互作用外，還將受到振動載荷，此時墊圈將影響其受力情況。為此，應構建計算模型，并詳細分析部件間的接觸受力情況，以數據為支持提出有效的優化策略，為地鐵扣件錨固螺栓的設計、制造和使用提供有益的參考，保障地鐵的安全運行。

1 扣件系統的受力情況

分析扣件系統內的螺栓受力分布情況，及墊板的受力分布情況，在道床板上固定鐵墊板需要使用到螺栓，之后以彈條為中介確保鋼軌能夠緊貼在鐵墊板上，為此，道床板上的各部分將產生力的互相作用。分析鐵墊板的受力情況，受到鋼軌的作用，將產生橫向力及壓力；受到彈條的作用，將產生跟端壓力及上拔力；受道床板的作用，將產生摩擦力及支撐力；受螺栓的作用，將產生預緊力[1]。根據力的相互作用，墊板在給予螺栓向下的壓力的同時，螺栓將產生向上的力，且拴筒的位置存在抗拔力，為此結合靜力平衡條件，

P軌底 +2（T 螺栓 +T 彈條跟端）=P道床板 +2T 彈條中肢 （ 1）

軌道結構列車在運行的過程中會產生一定的壓力或振動等作用，產生的力將影響扣件系統的受力情況，進而發生相應的形變，置于下層的膠墊受力的影響會產生壓縮進而使彈條發生彈程改變，從而影響墊圈的伸縮變化，而螺栓的軸向受力情況也會發生相應的變化。又因為螺栓的剛度較高，為此墊圈的性能將直接影響螺栓的受力。

結合實地調查情況，現場的斷裂區間均使用單彈簧墊圈，在后續的研究分析中能夠得出，雙彈簧墊圈的性能更加優秀，能夠有效減少斷裂情況的發生。為此，接下來將分析對比不同墊圈情況下螺栓的受力情況。

2 現場測試扣件螺栓

現場測試扣件螺栓的靜態及動態受力情況，在靜態情況下主要檢測螺栓承受的預加應力，在動態情況下主要檢測在振動的情況下鐵墊板的位移情況，為建立計算模型提供荷載施加數據。

2.1 靜態測試

在裝配扣件系統時必須確保無松動，即在負擔荷載之前會承受相應的預緊力，起到提升的剛度、防松性能及緊密性能，而螺栓在實際工作中預緊力的大小將對其受力情況產生直接影響，為此，應對螺栓的預緊力進行探討。

使用針狀傳感器測試扣件錨固螺栓的預緊力，在螺栓頂部中心位置打2 mm 的小孔，在孔內放置針狀變應片，使用專用膠保證安裝緊密且有效防水，實驗中將溫度補償片與螺栓進行連接，在螺栓孔內放置螺栓并使用扭力矩扳手將其擰緊，借助應變儀獲悉螺栓的應變量。

地鐵相關要求規定，200～250 N · m 為適宜的螺栓扭力矩數值，然而在測試某地鐵線路的螺栓扭力矩數值，可以發現扭力矩數值較為離散，扭力矩大于250 N · m 的螺栓在內外軌道上均存在過擰或數值偏下等問題，部分螺栓的扭力矩數值甚至達到300 N · m。文章取極端不利數值300 N · m 展開分析，結果顯示在此情況下對應50 kN 的預緊力。為此，后續分析將選用此數值。

2.2 動態測試

列車通行所產生的振動致使鐵墊板發生位移，影響螺栓受力，為此，進行動態測試。探討不同位置偏移的具體情況，選擇德國動態采集儀，使用自制位移計開展測試，主要測試內容包含扣件系統及鋼軌的位移數值情況，主要分析對象為鐵墊板垂直方向的位移，結果見表1。

3 建立計算模型

以往在分析螺栓受力時，多采取對螺帽施加均勻向上的荷載模擬螺栓發生的上拔力，選用平面板替代彈簧墊圈，此種方式不能完全復原螺栓受到的約束力，結果存在一定的誤差[2]。為此文章參照扣件的實際尺寸進行建模，離散處理實體單元，以期建立更為精準的有限元模型，力求獲得準確的螺栓工作狀態。

在實際工作狀態下，墊圈的形狀不規則，墊圈與鐵墊板和螺帽的接觸力不均勻，為模擬螺栓的受力狀態，設置接觸方式為面與面，為此應用非線性接觸理論[3]。針對單墊圈建立兩個接觸對，分別為墊圈及螺帽的接觸面，以及墊板與墊圈的接觸面。針對雙墊圈建立接觸對，應考量墊圈第1 層和第2 層的接觸位置。

采用“硬接觸”設置接觸對，接觸算法間的法向接觸力只存在壓力，取0.2 為接觸對間的摩擦系數[4]。在粘結及滑移狀態下可能會因不連續性致使發生不收斂問題，為此選用允許“彈性滑動”的罰摩擦公式來解決此類問題[5]。

結合螺栓實際工作狀態，判定螺紋部位始終為固定狀態，但墊板能夠移動，因此在構建模型時固定約束螺紋部分，在墊板施加位移載荷，位移的數值參考表1 實測數值。

4 螺栓的受力結果

4.1 分析墊圈變形

彈簧墊圈的1、2 圈上表面間距為11 mm，其中9 mm 為墊圈厚度，因此實際可壓縮2 mm 的距離。將螺栓擰緊后單墊圈將處于壓平狀態，存在11 mm 的彈程；而擰緊后的雙墊圈1 圈與2 圈的上下表面產生接觸，即存在3.5 mm 的彈程。但雙墊圈在壓緊狀態下，能夠出現剪切變形。

針對單彈簧墊圈，若螺栓的緊固量小于11 mm，其則類似于彈簧能夠提供一定的彈力， 若大于11 mm，其將失去彈性作用。再施加壓力，其便相當于鐵片，且因具有較大剛度，其與螺栓的應力將變大。

針對雙彈簧墊圈，若螺栓的緊固量小于3.5 mm，則能夠提供一定的彈力，若大于3.5 mm，則處于壓緊狀態，不能產生彈性，但1.2 圈的過度位置能夠受到剪力，發生相應的剪切變形，從而持續提供彈力，有效減少螺栓的受力。

4.2 分析螺栓軸力

圖1 為單、雙墊圈與螺栓緊固量及軸力的關系圖。以圖片數值為依據，單墊圈情況下緊固量在小于11 mm 時，軸力隨著緊固量的增加而緩慢增大，而大于11 mm 時，緊固量的增加將導致軸力快速加大；雙墊圈情況下緊固量大于3.5 mm 后，軸力也會隨著緊固量增加而加大，但呈非線性，相較單墊圈增加更為緩慢。

結合實測數值，在50 kN 軸力時將緊固量設為0，能夠得到如圖2 所示的等效緊固量與軸力的關系變化情況。

地鐵在通行的過程中，鐵墊板因振動發生位移，若擰緊單墊圈螺栓將受振動的沖擊影響，即便很小的位移也會致使螺栓軸力發生較大的變化。結合表1可知，內軌更易發生螺栓斷裂，且位移平均數值為0.3 mm。結合圖2 可知，將增大3 倍左右的軸力。為此，得出地鐵扣件錨固螺栓斷裂的原因為螺栓被過度旋緊，致使彈性喪失，即便較小位移也會增加螺栓受力。

反觀雙墊圈，當軸力為50 kN 后，在剪切變形的作用下能夠持續提供彈性，為此即便發生振動位移，也能夠有效緩解沖力作用，軸力變化較小。與單墊圈相同，鐵墊板的位移為0.3 mm 時，只增大約40% 的軸力。因此，應用雙墊圈能夠有效緩解沖擊，明顯優于單墊圈。

4.3 螺栓應力

墊圈外形均為螺旋狀，形狀的特殊性致使其在安裝的過程中，與相鄰的部件產生點接觸。在緊固量的增加下，墊圈發生形變，逐漸變化為面接觸。在實際工作時，墊圈與螺帽的接觸位置將受到較強的應力，且螺帽受力不均將產生應力集中點，進而發生偏載情況。為此，集中點位置長期經受偏載，此處將較為薄弱，在長期的工作下將由此處開始產生裂紋并逐漸擴大。

5 結論

（1）使用針狀傳感器測試扣件錨固螺栓的預緊力，并測量螺栓的扭力矩，結果顯示。在數值為300 N · m的扣件扭矩時將處于不利情況，此時為50 kN 的預緊力。

（2）考量不規則的墊圈的形狀、不均勻的接觸應力、部件之間發生的接觸等，結合地鐵扣件錨固螺栓的實際尺寸，構建有限元計算模型，從而分析在單彈簧墊圈及雙彈簧墊圈的工況下，分析扣件錨固螺栓的變形及受力情況。

（3）研究結果顯示，扭力矩過大，消耗完單彈簧墊圈的彈程后，在列車振動的作用下，螺帽和螺栓發生局部應力集中情況，在接觸最為緊密的位置將產生裂縫并逐漸擴大。雙彈簧墊圈在消耗完彈程后，其還能夠提供剪切變形，對螺栓的軸向受力產生較小的影響，因此，產生的破壞作用較小。因此，應用雙墊圈能夠有效解決螺栓斷裂的問題。

參考文獻

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