高速鐵路無砟軌道扣件彈條失效標準探究

［摘 要］高速鐵路運行中，由于軌道不平順、彈條強度、扣件螺栓預緊力等因素作用，經常出現扣件彈條斷裂問題，為掌握扣件彈條損傷原因，文章以高速鐵路無砟軌道扣件彈條失效標準為研究目標，在分析彈條扣壓力的過程中，以鋼軌阻力、鋼軌傾翻量為參考，對不同條件下的扣壓極限數據進行計算，將彈條直徑與彈程作為判定依據，在試驗檢測中確認扣件彈條的失效標準，為我國鐵路系統扣件養護維修提供參照。

［關鍵詞］高速鐵路；無砟軌道；扣件彈條；失效標準

［中圖分類號］U213.53 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）02–0098–03

鐵路軌道穩定性直接關系到通車安全性與舒適性，扣件系統能夠保持軌距并固定鋼軌，防止鋼軌出現傾翻及移動，在軌道結構中屬于很重要的構成部分。由墊板、擋板、道釘與彈條組成的扣件在長期運行及惡劣的自然環境中，會逐漸失去原本的強度與性能。為制訂合理的軌道扣件維護周期，須研究導致扣件失效的原因，并根據影響因素制訂失效標準與服役狀態的評判標準，從而及時維護或更換扣件彈條，保障軌道結構的耐久性與穩定性。

1 影響彈條性能的因素

當前我國無砟軌道里程已達1.6 萬km。為確保軌道安全與穩定，須研究扣件彈條的失效原因并制訂失效標準，確保鐵路的安全運行。彈條扣壓力的衰減將無法繼續維持扣件系統穩定性，是鋼軌傾翻或爬行的重要誘因。因此須從不同條件研究彈條扣壓力失效原因，明確檢測標準和判定依據。

1.1 限制工況中的彈條扣壓力極限值

縱向阻力在設計扣件中屬于重要依據。當阻力比較低時，道床阻力將無法維持軌道穩定，易出現軌枕與鋼軌相對位移和鋼軌斷縫。限制工況條件中，鋼軌的縱向阻力極限可以按照TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規范》確定鋼軌的斷縫值，完成彈條扣壓力的極限工況計算。

無砟軌道基礎采用剛性連接方式， 有著較強的抗位移能力。鋼軌的斷縫值計算方式為：，式中，λ 為鋼軌的斷縫值，E 為鋼軌的彈性模量，A 為鋼軌的截面大小，α 為鋼軌膨脹系數，ΔTdmax 為軌道溫度極限降低幅度，r 為縱向阻力。套入我國無砟軌道的基本數值，其中斷縫值選90 mm，彈性模量選2.1×105 MPa，軌道截面為77.45 cm2，膨脹系數為11.8×10-6℃，溫降極限值選擇64.8℃，線路阻力使用kN/mm，最終可以得知縱向阻力為10.57 kN/mm，扣件間距設為600 mm，每組扣件最終的縱向阻力為6.3 kN，即縱向阻力極限為6.3 kN。

扣件扣壓力與縱向阻力為線性關系，二者比值公式為 ：μ=F（/ 2P），式中，μ 為綜合摩擦系數，F 為縱向阻力，P 為彈條扣壓力，2P 為組裝扣壓力。結合測試數據可知，軌道墊板與鋼軌之間的摩擦系數為0.5，絕緣軌距塊與鋼軌摩擦系數為0.2，即μ 為0.7。

按照綜合摩擦系數與縱向阻力極限值能夠確定彈條扣壓力極限值，限制工況條件中，彈條扣壓力的失效極限4.5 kN。

1.2 傾翻工況彈條扣壓力極限值

扣件系統最重要的作用是避免鋼軌傾翻。當鋼軌傾翻時軌距會變大，進而出現列車脫軌問題。

計算極限值時需要先設定參數，確認扭轉剛度數據情況。即以單位長度為前提，向鋼軌施加相應的扭矩強度，其可作為計算傾翻角時的參考因子。我國高速鐵路鋼軌單位質量為60 kg/m，截面大小為77.45 cm2，高度為176 mm，寬度為150 mm，水平慣性矩為3 217 cm4，垂直慣性矩為524 cm4。通過計算最終得出我國鋼軌扭轉剛度172.5 kN·m2/rad。

間距計算中，考慮到間距對傾翻角影響明顯，故在相同傾翻力矩條件中，越大的扣件間距存在越大的傾翻量。國內軌道扣件間距常見數值為629 mm、650 mm及630 mm。鋼軌扭矩與扭轉角關系如圖1所示。

基于鋼軌傾翻計算模型與理論，扣件扣壓力在正常狀態及為0 時的軌頭橫移量見表1。

由表1 數據可知，彈條扣壓力在衰減以后，并不會明顯影響軌頭的位移量。即便彈條扣壓力已經為0的情況下，依舊滿足我國規范要求，即軌頭橫移量并非彈條扣壓力影響要素。

結合高速鐵路維修規定，絕緣塊與彈條下顎不宜接觸，二者間隙應控制在≤ 1 mm。當彈條存在過大離縫時，彈條扣壓力將不利于行車安全。綜合考慮彈條離縫應控制在2 mm。

2 彈條疲勞損傷分析

由于無砟軌道的伸縮縫斷開道床板，道床板的剛度存在明顯區別，板中和板端數據明顯不同。分析疲勞因素中將其作為考慮點，解釋不同條件下的道床剛度及扣件的彈條疲勞關聯性，文章以哈齊高速鐵路無砟軌道為例，按照列車的同行方向，將扣件分成板位扣件、板中扣件與板端扣件。之后提取每個部位100組數據。從統計結果可知，以隨機不平順為前提，疲勞損傷會表現出比較明顯的隨機性。根據統計結果可知，1.0×10-6是普遍的扣件疲勞值數據，另外2.5×10-6是最大的統計數據結果。為確認引起扣件的彈條疲勞條件，需要先明確服從概率情況。因此需要制作疲勞損傷函數，用于驗證疲勞損傷有無按照特定規律分布。從試驗結果可知，除了極個別組數據，多數提煉的疲勞損傷數據集中于一條線路。即扣件的彈條疲勞損傷為正態分布關系。使用概率分布檢驗方法，表明疲勞損傷為正態分布。

因很多扣件的彈條出現疲勞性受損與板端的錯臺或多或少有關，數據差異十分突出。因此為達成差異控制目的，應加強板端錯臺的管控工作，使其減震剛度達到相應指標后，設置抗剪裝置，處理道床板變形，減少錯臺影響。應在道床板中設置板端剪力鉸，剪力鉸以抗剪剛度為參考因素。為確認影響彈條的疲勞因子，判斷抗剪剛度作用，將設減震墊數據為10 MPa/m、20 MPa/m、30 MPa/m，之后設置抗剪剛度為10 kN/mm、20 kN/mm、100 kN/mm、200 kN/mm、400 kN/mm，完成扣件疲勞損傷的分析，最終確定合適的抗剪剛度情況。

為掌握統計特點，需要擬合彈條的疲勞損傷數據，采用對數正態分布概率密度函數對統計數據結果展開計算，內容包含扣件的疲勞損傷率、分布密度等。通過擬合的形式，確認相應指標。采取對比的形式，了解道床板在不同位置情況下的彈條疲勞損傷狀況，由此可知，板尾與板端的期望值為1.99×10-7 及1.73×10-7，方差為1.44×10-12 與7.75×10-13，二者數學期望及方差沒有很大差距，而板中數學期望與方差同二者有著較大差異，其中數學期望為二者的2.1 倍，方差為7.7 倍。即不同位置道床板扣件的疲勞損傷有一定差異，板尾與板端沒有過大差異，板中與二者差異較明顯，有著較大的離散性。

3 彈條失效標準

應結合養護維修需要確定彈條的失效標準。

3.1 彈條彈程

彈程與扣壓力為線性關系，在直徑變化的同時，扣壓力隨之變化。因為可以快速測定彈條彈程與扣壓力，所以可以將二者作為評價失效的參考指標。國內主流使用的W1彈條扣壓力設計值為9 kN，彈程為14 mm。結合扣壓力與彈程關系，得出極限值s，公式為：s=PLS0/P0，式中，s0 為彈程，P0 為扣壓力，PL為彈程極限條件中的彈條扣壓力。因彈條扣壓力極限失效值為4.5 kN，所以彈程極限為7 mm。基于安全考慮，彈條中的離縫最大值為2 mm，彈程極限為9 mm。

使用彈條中外界因素會導致彈條出現直徑變化，導致扣壓力改變。在扭轉與彎曲中彈條出現變形。同等彈程條件下，彈條扣壓力與彈條直徑為正比關系。對彈條的彈程因素、失效指標進行計算，最終可知彈條的失效極限數據。以此為前提的同時，充分考慮銹蝕問題造成的影響。基于前文考慮，離縫因素控制在2 mm，直徑方面為每0.5 mm 為一級，在極限扣壓力條件下，即4.5 kN 中，當彈條直徑為14 mm時，彈程極限為9.0 mm，當彈條直徑達到13.5 mm時，則彈程達到10.1 mm，當彈條直徑為13.0 mm 時，彈程為11.4 mm，當彈條直徑為12.5 mm 時，彈程為13.0 mm。

3.2 失效標準驗證

為明確本次所用的失效標準與我國的高速鐵路運行實際條件是否匹配，需進行真實的試驗。為確保本次試驗可行性與科學性，分別使用室內試驗及現場試驗兩種形式。室內試驗主要處理的數據為測定鋼軌阻力與疲勞性能。將文章所用失效標準代入試驗當中，檢驗標準使用是否可行。現場試驗檢測內容為彈條的彈程與直徑，結合失效標準分析彈條使用狀態。

3.2.1 室內試驗

先將彈條套裝在扣件，保持2 mm 離縫，并根據規范要求測定鋼軌的縱向阻力。根據檢測結果可知，縱向阻力超過極限失效值，即在極限值9 mm 彈程情況下，可以靠扣件避免鋼軌竄動。之后將彈條套在扣件，依舊保持2 mm 離縫，并根據規范要求開展疲勞性能試驗。從試驗結果可知，扣件軌頭的橫移量在2 mm 內，即9 mm 彈程條件下，扣件能夠避免鋼軌發生傾翻。

3.2.2 現場試驗

分別對我國蘭新、廣珠、哈齊3 條線路的彈條抽測，得到112 個抽測樣本，統計與觀測彈條直徑、彈程，得到的結果為：5.4% 的彈條彈程為11.4 mm，61.7%彈條彈程為12.5 mm，24% 的彈條彈程為13.5 mm，8.9%彈條彈程為14.5 mm。直徑方面0.6% 的彈條直徑為12.5 mm，14.8% 的彈條直徑為13.5 mm，84.6% 的彈條直徑為14.4 mm。根據統計結果可知，服役時間最長的彈條為8 a，總重330.77 Mt，服役時間最短的彈條為3.5 a，總重15.91 Mt。即本次調查的3 條線路彈條直徑與彈程超過失效極限值，表明正常使用條件下，高速鐵路無砟軌道彈條并無失效情況。

4 結束語

導致彈條失效的眾多因素中，彈條扣壓力是最關鍵的一點，應明確彈條扣壓力的失效同鋼軌傾翻有聯系，但并非絕對影響因素。按照鋼軌的斷縫值能夠確定彈條的扣壓力極限數值為4.5 kN。基于扣壓力影響條件，可以將彈條的直徑和彈程用于判斷彈條是否失效，掌握彈條當前狀態。根據試驗與抽測結果可知，彈條失效標準可行、可用，具有良好操作性。

參考文獻

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