李心，王進，林達文，劉曉倩，2

(1．株洲時代新材料科技股份有限公司技術中心，湖南株洲412007;2．湖南工業(yè)大學包裝與材料工程學院，湖南株洲412007)

扣壓力對重載線路扣件系統(tǒng)試驗的影響

李心1，王進1，林達文1，劉曉倩1，2

(1．株洲時代新材料科技股份有限公司技術中心，湖南株洲412007;2．湖南工業(yè)大學包裝與材料工程學院，湖南株洲412007)

以某新型重載扣件系統(tǒng)為對象，分析緊固扭矩和彈條扣壓力之間的力學關系，根據(jù)緊固扭矩計算扣壓力值，并在不同扣壓力條件下實施節(jié)點剛度和強化疲勞對比試驗，來研究扣壓力對節(jié)點剛度和疲勞性能的影響，同時對技術條件中的三點接觸組裝方法所帶來的試驗誤差問題進行深入探討。最后針對扣件系統(tǒng)試驗，提出合理的組裝建議，以保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，減少試驗誤差。

重載扣件系統(tǒng) 扣壓力 緊固扭矩 三點接觸組裝法 節(jié)點剛度

軸重30 t、設計時速120 km的重載鐵路是近年國內(nèi)開展的重點建設項目，在國內(nèi)外尚無實施先例?？焖僦剌d的工況使輪軌關系極為復雜，只有高性能扣件系統(tǒng)才能保證快速重載鐵路軌道結構的可靠性、平順性和彈性均勻性［1］。處于研制階段的WJ-12型扣件是針對快速重載無砟軌道而設計的，應用于整體道床后其剛度增大，軌道的彈性主要依靠扣件和墊層提供［2］。在實驗室對WJ-12型扣件的各項性能進行檢測時，發(fā)現(xiàn)扣件系統(tǒng)組裝方法對扣壓力有明顯影響，而扣壓力影響到節(jié)點剛度、疲勞等其它性能的檢測和判定。

1 國內(nèi)外標準對扣壓力性能的規(guī)定

扣壓力是由扣件組裝的扣壓件施加到軌底上表面的垂直力［3］?？奂到y(tǒng)必須有足夠的扣壓力，以保證鋼軌與支承體之間的可靠聯(lián)結，并使整個系統(tǒng)形成合適的防爬阻力和減振性能［4］。歐洲標準雖然沒有對扣壓力取值和扣件組裝方法做具體要求，但制訂了扣壓力測試方法，并規(guī)定疲勞試驗前后扣壓力變化率不得超過20%，同時節(jié)點剛度變化率不得超過25%［5］。參照歐洲標準，并針對高速重載鐵路的特點，我國也制訂了一系列扣件暫行技術條件，提出了相關扣件的性能指標和試驗方法。在《WJ-12型扣件技術條件》(暫行)中(以下簡稱《暫行技術條件》)，規(guī)定了扣件組裝以擰緊螺母的方式緊固彈條，彈條扣壓程度以三點接觸為準，即彈條的緊固以彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊接觸為準(以下簡稱三點接觸法)，并規(guī)定組裝扣壓力≥20 kN，同時疲勞試驗前后板下墊板剛度變化率不超過20%。按照《暫行技術條件》，利用三點接觸法進行扣件組裝的緊固扭矩約130 N·m，但實測緊固扭矩有較大波動，在100～150 N·m之間，且100 N·m的情況居多，而扣壓力也會因緊固扭矩的不同而產(chǎn)生波動。

2 扣壓力與緊固扭矩的關系及計算

WJ-12型扣件屬于有螺栓扣件，組裝結構如圖1所示。該類型扣件通過螺母與T型螺栓之間的緊固扭矩，使彈條產(chǎn)生扣壓力，確?？奂灰姿蓜樱?］，通過緊固扭矩可以計算出螺紋聯(lián)結預緊力，再根據(jù)預緊力計算出扣件組裝扣壓力。

圖1 WJ-12型扣件組裝結構

2.1 根據(jù)單個彈條緊固扭矩計算螺紋聯(lián)結預緊力

緊固扭矩M與螺紋聯(lián)結預緊力F0的關系為［7］

式中:F0為預緊力，kN;M為單個螺栓緊固扭矩，N·m; d2為螺紋中徑，mm;μs為螺紋副摩擦系數(shù);α為螺紋半角，度;β為螺紋升角，度;μn為支承面之間摩擦系數(shù); dn為螺紋支承面摩擦力矩等效直徑，mm。

WJ-12型扣件采用的T形螺栓規(guī)格為M24，取摩擦系數(shù)μs=μn=0.14［7］，當緊固扭矩M=100 N·m時，代入式(1)可計算得到預緊力F0=20.9 kN。

利用工程應用中的簡化公式，同樣可以根據(jù)緊固扭矩計算預緊力為［8］

式中:K為緊固扭矩系數(shù)，表面氧化且有潤滑情況下約為0.2;d為螺紋公稱直徑，mm。

將緊固扭矩M=100 N·m代入式(2)，可計算得到預緊力F0=20.8 kN，與利用公式(1)計算得到的結果非常接近。

2.2 根據(jù)螺紋聯(lián)結預緊力計算組裝扣壓力

對單個彈條進行受力分析(如圖2)，可以得到關系式如下

式中:N0為單個彈條扣壓力，N;N為組裝扣壓力，N。

圖2 單個彈條受力圖式

由WJ-12型扣件系統(tǒng)的彈條規(guī)格可知L=115 mm，l=50 mm。表1列出了緊固扭矩M分別為100，130和150 N·m時，利用式(2)、式(3)和式(4)計算得到的扣件系統(tǒng)組裝扣壓力。

表1 不同緊固扭矩對應的WJ-12型扣件系統(tǒng)組裝扣壓力

由表1可見，當緊固扭矩為100 N·m時，組裝扣壓力約18 kN，未達到《暫行技術條件》中規(guī)定的≥20 kN的要求;緊固扭矩為150 N·m時，組裝扣壓力約為27.2 kN，遠大于要求值;緊固扭矩為130 N·m時，組裝扣壓力約為23.6 kN，滿足設定要求且有一定安全余量。由此可見，三點接觸的組裝方法存在不確定性，會導致扣壓力波動大，從而造成扣件系統(tǒng)其它性能試驗存在較大誤差，影響相關性能的檢測和判定，如節(jié)點剛度和疲勞性能。

3 不同組裝扣壓力對應的節(jié)點剛度

為研究扣壓力的波動對節(jié)點剛度的影響，選擇了8塊剛度在40～60 kN/mm范圍的WJ-12型板下彈性墊板，材料為TPEE，即熱塑性聚酯彈性體［9］，分別在調(diào)高方式下進行節(jié)點組裝，組裝過程中保持扣件系統(tǒng)其它零件不變。每個節(jié)點分別在緊固扭矩100和150 N·m各測一次節(jié)點剛度，試驗方法參照標準EN13146-9［10］，檢測方式如圖3，試驗結果見表2。

圖3 WJ-12型扣件系統(tǒng)節(jié)點剛度檢測

表2 WJ-12型扣件系統(tǒng)不同組裝扣壓力對應的節(jié)點剛度

由表2可見，8個節(jié)點的剛度檢測結果呈現(xiàn)這樣一個趨勢，即緊固扭矩為150 N·m時，比緊固扭矩為100 N·m對應的節(jié)點剛度增加非常明顯，約7～9 kN/mm，平均增長幅度約為16%，說明組裝扣壓力對節(jié)點剛度產(chǎn)生了顯著影響。

4 不同扣壓力對應的強化疲勞性能

為研究扣壓力的波動對疲勞前后節(jié)點性能的影響，按照《暫行技術條件》規(guī)定的試驗條件，并參照標準EN13146-4加載方式［5］，選擇了2個節(jié)點Q-1#和Q-2#同時進行強化疲勞試驗，如圖4。2個節(jié)點組裝采用的所有零部件都相同(同批次生產(chǎn)，其中板下墊板選擇2塊剛度一致的TPEE彈性墊板)，僅組裝扣壓力不同。

圖4 WJ-12型扣件系統(tǒng)強化疲勞檢測

對節(jié)點Q-1#施加緊固扭矩100 N·m，對節(jié)點Q-2#施加緊固扭矩150 N·m。由表1可知2個節(jié)點的組裝扣壓力計算值分別為18 kN和27.2 kN，經(jīng)歷300萬次重復加載后，測出疲勞后節(jié)點剛度和板下墊板剛度，與2個節(jié)點各自的疲勞前性能進行對比，見表3。

由表3可見，強化疲勞試驗前，Q-1#和Q-2#的板下墊板剛度接近，強化疲勞試驗后，二者的板下墊板剛度也接近，相比疲勞前，變化率都小于20%，滿足《暫行技術條件》要求。對于節(jié)點剛度，強化疲勞試驗前，Q-1#比Q-2#小7.5 kN/mm，而強化疲勞試驗后，Q-1#僅比Q-2#小3.5 kN/mm，所以Q-1#節(jié)點剛度變化率達到33.6%，而Q-2#節(jié)點剛度變化率僅22.4%，若按照歐洲標準中節(jié)點剛度變化率不得超過25%的規(guī)定［5］，顯然節(jié)點Q-1#不滿足要求，而節(jié)點Q-2#則滿足要求。說明組裝扣壓力對疲勞前后節(jié)點性能試驗結果也產(chǎn)生了明顯影響。

表3 WJ-12型扣件系統(tǒng)不同組裝扣壓力對應的強化疲勞性能

5 結論

綜上所述，扣壓力對重載鐵路扣件系統(tǒng)試驗有顯著影響。必須在扣件組裝時保持扣壓力穩(wěn)定，才能獲得可靠的扣件系統(tǒng)性能檢測結果，采用三點接觸法進行扣件系統(tǒng)組裝，會造成實際扣壓力波動大，進而導致節(jié)點和疲勞性能試驗結果不穩(wěn)定。建議重載鐵路扣件組裝時，規(guī)定緊固扭矩值為130 N·m，采用該方法來滿足設定扣壓力的大小，保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，減少試驗誤差。

［1］盧祖文．我國鐵路的鋼軌扣件［J］．中國鐵路，2005(7):25-27．

［2］于春華．城市軌道交通軌道扣件綜述［J］．鐵道工程學報，2003(9):31-33．

［3］EuropeanCommitteeforStandardization．EN 13481-1 RailwayApplications-Track-PerformanceRequirementsfor FasteningSystems—Part1:Definitions［S］．Brussels: European Committee for Standardization，2002．

［4］許佑頂．高速鐵路無砟軌道扣件設計要點［J］．鐵道工程學報，2010(4):40-43．

［5］EuropeanCommitteeforStandardization．EN13146-4 RailwayApplications-Track-TestMethodsforFastening Systems—Part 4:Effect of Repeated Loading［S］．Brussels: European Committee for Standardization，2012．

［6］肖俊恒，趙汝康，杜功立．高架橋無碴軌道用小阻力彈性扣件的研究設計［J］．鐵道建筑，2002(9):18-21．

［7］張家全．摩擦系數(shù)與螺紋副失效的關系［J］．汽車工藝與材料，1997(4):44-45．

［8］徐灝，蔡春源，嚴雋琪．機械工程手冊［M］．2版．北京:機械工業(yè)出版社，1996．

［9］王旭榮．大秦鐵路鋼軌使用壽命和延長措施研究［J］．中國鐵路，2011(6):43-46．

［10］EuropeanCommitteeforStandardization．EN13146-9 RailwayApplications-Track-TestMethodsforFastening Systems—Part 9:Determination of Stiffness［S］．Brussels: European Committee for Standardization，2009．

(責任審編孟慶伶)

U213．5+3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．40

1003-1995(2015)04-0155-03

2014-08-31;

2015-01-20

李心(1977—)，女，四川樂山人，高級工程師，碩士。