張志遠

(上海鐵路局上海高鐵維修段，上海 200439)

滬寧城際WJ-7B型扣件螺栓軸力衰減規(guī)律與復緊周期探討

張志遠

(上海鐵路局上海高鐵維修段，上海 200439)

高速鐵路扣件系統(tǒng)是軌道彈性、軌距、水平調(diào)整能力的主要提供者，扣件的可靠性關系到列車運行的安全性和旅客乘車的舒適度等，對于WJ-7B型彈性分開式扣件，其功能的正常發(fā)揮很大程度上取決于錨固螺栓的預緊力是否足夠。以滬寧城際WJ-7B型扣件系統(tǒng)為例，推導扣件系統(tǒng)螺栓軸力計算方法；結合現(xiàn)場轉角測試結果計算錨固螺栓軸力的衰減規(guī)律。研究結論為：螺栓軸力穩(wěn)定在40～60 kN，滿足橫向力校核結果，在此基礎上確定了復緊周期為3～4年。

滬寧城際;WJ-7B型扣件;螺栓軸力;衰減規(guī)律;復緊周期

滬寧城際是連接上海和南京的城際鐵路，設計最高速度350 km/h，是連接我國“長三角”高速鐵路網(wǎng)絡中的重要組成部分，是國內(nèi)第一條全線采用CRTS Ⅰ型板式無砟軌道結構的鐵路，扣件采用WJ-7B型彈性分開式扣件[1]?？奂鳛槁?lián)結鋼軌和軌道板的部件，不僅承擔著剛度的聯(lián)結，還必須具有彈性的調(diào)節(jié)能力?？奂穆?lián)結在保證軌道穩(wěn)定性、可靠性方面起著重要作用[2]。對于高速鐵路無砟軌道而言，扣件幾乎是軌道彈性、軌距、水平調(diào)整能力的唯一提供者[3]。因此，扣件的松動情況關系到乘車舒適度以及列車運營安全。而對于WJ-7型扣件本身而言，其功能的正常發(fā)揮很大程度上取決于錨固螺栓的預緊力是否足夠。錨固螺栓在預緊后，通過螺紋接觸面和螺栓頭與支承面之間的摩阻力來抵抗松動回轉，但在長期的列車荷載動力作用下，螺紋副之間會產(chǎn)生支持面凹陷、徑向滑動等現(xiàn)象，造成螺紋面上摩擦力的減小，而周期性的累積則可能造成錨固螺栓的松動和扣件的失效，從而給行車安全帶來嚴重的安全隱患，甚至引發(fā)列車脫軌等事故。

為此，目前養(yǎng)護維修部門采取的措施為定期或不定期的上線路對螺栓進行復緊，而對于復緊的周期沒有相關技術標準，這不僅會造成養(yǎng)護資源的浪費，也會對行車安全帶來一定的隱患。因此，有必要研究扣件錨固螺栓的松動規(guī)律，從而確定科學的復緊周期，基于這一問題開展了相關研究。

1 滬寧城際WJ-7B型扣件系統(tǒng)簡介

滬寧城際鐵路是國內(nèi)第一條全線采用CRTS I型板式無砟軌道結構的鐵路。其CRTS I型板式無砟軌道上均采用WJ-7B型彈性分開式扣件(圖1)。

圖1 滬寧城際CRTSⅠ型無砟軌道及WJ-7B扣件

WJ-7B型扣件(以下簡稱“扣件”)由T形螺栓、螺母、平墊圈、彈條、絕緣塊、鐵墊板、軌下墊板、絕緣緩沖墊板、重型彈簧墊圈、平墊塊、錨固螺栓和預埋套管組成，此外為了鋼軌高低位置調(diào)整的需要，還包括軌下調(diào)高墊板和鐵墊板下調(diào)高墊板?？奂彌_墊板、鐵墊板安裝后，依次安放平墊塊、重型彈簧墊圈和錨固螺栓，并用扭力扳手固定螺栓。

WJ-7B型扣件屬于無擋肩扣件，適用于各類無擋肩結構無砟軌道，其與WJ-8有擋肩扣件不同，主要依靠錨固螺栓承受鋼軌傳遞于扣件的水平力。因而錨固螺栓是扣件功能發(fā)揮的重要參數(shù)，螺栓螺紋聯(lián)接的松動關系到行車安全和乘坐舒適性。下面將從螺紋副聯(lián)接的理論與方面闡述計算方法。

2 螺栓軸力計算方法

圖2為WJ-7B扣件錨固螺栓結構和受力圖示，本文為了簡化計算，在計算時僅考慮軸向力和旋轉力矩，而在校核時考慮橫向力，不考慮翻轉力矩。

(1)預緊力矩與預緊力

在螺紋副中，為了增強螺栓螺紋聯(lián)接的剛性、緊密性、防松能力以及防止受橫向荷載螺栓聯(lián)接的滑動，多數(shù)螺紋聯(lián)接在裝配時都需要預緊，合適的預緊力矩對螺栓聯(lián)接件和被連接件的壽命都是有益的。預緊力矩過大往往會導致聯(lián)接失效，特別是在密封聯(lián)接的情況下，螺栓預緊力矩過大，密封墊片會被壓死而失去彈性或者螺栓擰斷，預緊力矩太小就達不到緊固作用。裝配完成后，螺栓承受一定的荷載，即預緊力，即在擰螺栓過程中預緊力矩作用下的螺栓與被聯(lián)接件之間產(chǎn)生的沿螺栓軸心線方向上的力。

圖2 WJ-7B扣件錨固螺栓

擰緊螺母的力矩T需要克服螺紋副中的摩擦阻力矩T1和螺母支撐面上的摩擦阻力矩T2[4]。故擰緊力矩T=T1+T2。由理論力學得到預緊的螺紋力矩T1與預緊力Fy的關系如式(1)所示，摩擦力矩如式(2)所示。

因此

式中，d為螺紋公稱直徑，mm；d2為螺紋中徑，mm；φ為螺紋升角(或?qū)С探?，(°)；ρ′為螺紋副當量摩擦角，(°)；μs為螺母支撐面的摩擦系數(shù)；dw、d0分別為螺母支撐面圓環(huán)的外、內(nèi)徑，mm。

此時，被聯(lián)結件受到壓力，螺栓受到軸向拉力，即預緊力Fy

對于一個特定的螺栓而言，其預緊力的大小與螺栓的預緊力矩、螺栓與螺母之間的摩擦力、螺母與被聯(lián)接件之間的摩擦力有關。對于一個不確定的螺栓而言，一個螺栓可使用的最大預緊力與螺栓材料品種、螺栓材料熱處理、螺栓直徑大小等都有關系。

WJ-7B扣件錨固螺栓公稱直徑為27 mm，預緊力系數(shù)取0.13～0.15，現(xiàn)場安裝時的預緊力矩T=300～350 N·m，由式(5)可計算預緊力理論值Fy=74.07～ 99.72 kN。

(2)軸力與轉角關系

螺栓的松動，表現(xiàn)在螺栓頭的轉動和位移。從運動學角度，轉角與位移的關系為

式中，Δθ為螺栓頭轉角；δ為螺栓位移；p為螺距。

轉動時，一方面拉伸螺栓，一方面壓縮被聯(lián)結件，假設這個過程中，螺紋副仍處于彈性變形階段，各部分剛度保持不變。螺栓的位移是兩者變形的和，與兩者剛度有關，得到衰減的預緊力與轉角的關系

式中，kb為螺栓剛度，kN/mm；km為被聯(lián)結件剛度，kN/mm。

WJ-7B扣件螺栓的剛度kb取值范圍為20～30 kN/mm，被聯(lián)結件剛度km取值范圍為90～100 kN/mm，螺距p為3 mm。由式(7)和表1中參數(shù)取值可知，由螺母的轉角Δθ就可以計算得到螺栓軸力衰減量，從而得到剩余預緊力Fsy。

表1 WJ-7B扣件系統(tǒng)技術參數(shù)

這里不妨假設轉角為2°，計算結果見表2，可知螺栓軸力松動21%～22%，與文獻[4]中結論螺母松動2°預緊力將下降27%基本相近。因此，雖然扣件螺栓的擰緊和松動機制中存在塑性變形和非線性軸力衰減階段，但這個計算模型基本可以滿足要求。

表2 螺母轉角2°條件下的預緊力變化情況

(3)橫向力校核

由于高速鐵路上的扣件錨固螺栓還受到垂直于螺栓軸向的橫向荷載，因此要求剩余預緊力應該滿足以下條件[4]，才能保證足夠的摩擦力。

式中，F(xiàn)sy為剩余預緊力，kN；Fy0為初始預緊力，kN；n為剩余預緊力推薦系數(shù)；μs為結合面摩擦系數(shù)；m為結合面?zhèn)€數(shù)。

而由式(8)可計算螺栓軸力，即剩余預緊力的臨界下限值，在不穩(wěn)定荷載條件下，n=0.6～1.0，因此，可以計算得到37.8～60 kN。

3 螺栓軸力衰減規(guī)律與復緊周期建議

(1)轉角實測變化規(guī)律

2010年11月到2011年11月期間，同濟大學在滬寧城際鐵路上選擇典型扣件觀測段，共對扣件螺栓轉角進行了6次測量，第1次為貼片后螺栓轉角的初始值測量，第2次為螺栓經(jīng)過1次復緊之后的復緊值測量，后4次是復緊完成后不同時間段的轉角觀測，各次觀測距前一次觀測時間間隔分別為1個月、2個月、3個月和4個月[1]。圖3為實測螺栓轉角變化趨勢，從圖3中復緊之后4次測試得到的轉角數(shù)據(jù)看，扣件錨固螺栓的轉角量非常小。在第1段相隔1個月的時間段內(nèi)所有測點轉角量平均值約為2.0°，在第2段相隔2個月的時間段內(nèi)所有測點轉角量平均值約為1.8°，在第3段相隔3個月的時間段內(nèi)所有測點轉角量平均值約為1.5°，在第4段相隔4個月的時間段內(nèi)所有測點轉角量平均值約為1.6°，錨固螺栓轉角趨于穩(wěn)定。將實測轉角代入式(7)即可得螺栓軸力的衰減值，如圖4所示，從圖4中看出，錨固螺栓軸力衰減呈初始較快，一段時間趨于的穩(wěn)定狀態(tài)，這與轉角隨時間變化的規(guī)律一致。

圖3 實測螺栓轉角變化趨勢

圖4 螺栓軸力衰減值

圖5 滬寧線錨固螺栓軸力與日本新干線錨固螺栓軸力對比

(2)復緊周期探討

圖5為滬寧城際WJ-7B型扣件與日本新干線直結8型扣件錨固螺栓剩余軸力衰減趨勢圖。根據(jù)前述橫向力校核的結果，錨固螺栓的軸力臨界下限值應大于37.8～60 kN，再結合圖5中軸力衰減趨勢以及日本新干線對于直結8型扣件復緊周期為4～5年的研究，建議滬寧城際采用的WJ-7B扣件的錨固螺栓復緊周期為3～4年。

4 結論

本文對我國滬寧城際鐵路采用的WJ-7B扣件系統(tǒng)進行了介紹，結合轉角測試結果計算錨固螺栓軸力的變化規(guī)律，得出以下結論。

(1)WJ-7B扣件錨固螺栓在預緊力矩300～350 N·m的條件下，預緊力理論值為74.07～ 99.72 kN。

(2)錨固螺栓軸力衰減呈初始較快，一段時間趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這與轉角隨時間變化的規(guī)律一致，并維持在40～60 kN，符合橫向力校核結果。

(3)初步研究確定了滬寧城際WJ-7B扣件的錨固螺栓復緊周期為3～4年，建議在進一步觀測的基礎上確定其有效的復緊周期。

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Approach to Bolt Axial Force Attenuation Law and Re-tight Period of WJ-7B Fastener of Shanghai-Nanjing Intercity Railway

Zhang Zhiyuan

(Shanghai High-speed Railway Maintenance Deport， Shanghai Railway Administration， Shanghai 200439)

High-speed railway fastening system is the main provider for track elasticity， gauge sustaining and level adjustment. Reliability of fasteners contributes to the safety of trains and passenger comfort. The normal function of WJ-7B indirect holding elastic fastener depends largely on the sufficient preload provided by the anchor bolt. This paper， taking the Shanghai-Nanjing Intercity Railway WJ-7B fastening system as an example， puts forward the method of calculating bolt axial force of the fastening system， draws up the attenuation law of the anchor bolt axial force in accordance with site corner test results. The study concludes that the axial bolt force maintained at 40 kN to 60 kN meets check requirements for lateral force and， therefore， the re-tight period is determined to be 3 to 4 years.

Shanghai-Nanjing intercity railway; WJ-7B fastener; Bolt axial force; Attenuation law; Re-tight period

2014-01-03；

：2014-01-15

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2011G021-E)

張志遠(1978—)，男，工程師，2003畢業(yè)于石家莊鐵道學院，

E-mail：zhangzhiyuan_78@126.com。

1004-2954(2014)10-0029-04

U213.5+3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.007