徐 紅，張幫明，孫 成

（1. 烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆烏魯木齊 830000；2.安徽省巢湖鑄造廠有限責(zé)任公司，安徽巢湖 238000；3. 中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070）

0 引言

受地形地貌和工程地質(zhì)條件等的影響，城市軌道交通不同程度地遇見長大單坡和連續(xù)長大單坡等問題。城市軌道交通相關(guān)規(guī)范和標準對長大單坡沒有明確的定義，GB50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》有關(guān)長大坡度的相關(guān)描述為：“正線坡度大于 24‰、連續(xù)高差達 16m 以上的長大陡坡地段，應(yīng)檢查車輛的編組及其牽引和制動性能以及故障運營能力”。

烏魯木齊市軌道交通 1 號線正線長度 27.615km，起終點落差 280m，最大一處連續(xù)單坡長度為 5.1km，落差76m，在目前國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)中少見。列車在長大單坡連續(xù)制動或緊急制動所產(chǎn)生的制動力直接作用在鋼軌上，導(dǎo)致鋼軌發(fā)生縱向位移，對軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、輪軌磨損等產(chǎn)生不利影響。長大單坡與小半徑曲線疊加將進一步增大軌道橫向力，加劇列車運行的復(fù)雜性。為有效防止鋼軌爬行和控制鋼軌位移，確保連續(xù)長大單坡軌道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和運行安全性，研究提高扣件系統(tǒng)抗縱、橫向變形的能力非常必要。

1 SD-Ⅱa 型扣件主要技術(shù)條件

1.1 總體要求

（1）具有足夠的強度，以承受列車運行作用在鋼軌上的動靜荷載。

（2）具有足夠的扣壓力，以有效限制鋼軌縱向變形和位移。

（3）具有良好的彈性，以使列車沖擊荷載能均勻地傳遞到道床。

（4）具有較大的水平和高低調(diào)整量，以適應(yīng)基礎(chǔ)工后沉降和變形。

（5）具有良好的絕緣性，絕緣部件的工作電阻應(yīng)大于 108 Ω。

（6）零部件應(yīng)盡量標準化并具備通用性，結(jié)構(gòu)力求簡單，易鋪設(shè)和維修。

1.2 技術(shù)參數(shù)確定

1.2.1 扣件縱向阻力及彈條扣壓力

扣件系統(tǒng)須具有足夠的扣壓力和縱向防爬阻力，以保證鋼軌與道床之間的可靠聯(lián)結(jié)?？奂v向阻力F由扣壓件的扣壓力、鋼軌與軌下彈性墊板及鋼軌與軌距塊的摩擦系數(shù)共同確定，其計算公式如式（1）：

式（1）中，P為單個扣壓件的扣壓力；μ為綜合摩擦系數(shù)（通常取 0.6 左右）；μ1為軌底上表面與扣壓件的摩擦系數(shù)；μ2為軌底下表面與軌下彈性墊層的摩擦系數(shù)。

為滿足連續(xù)長大坡道地段扣件節(jié)點最小縱向阻力11 kN 的設(shè)計要求，單個彈條的扣壓力P應(yīng)為：

因彈條通常存在制造誤差，這將造成 1 kN 左右的扣壓力損失，故本扣件將單個彈條扣壓力P設(shè)計值確定為 10.5 kN。

1.2.2 扣件系統(tǒng)剛度

軌道剛度是影響軌道振動與變形、列車運行平穩(wěn)性與安全性等的重要參數(shù)，目前通常采用容許變形理論確定。對無砟軌道而言，軌道剛度通常以扣件系統(tǒng)剛度進行表述。

要確定扣件系統(tǒng)剛度，首先應(yīng)確定合理的荷載作用范圍，通過將單根鋼軌作為多支點的彈性支承梁，利用車輪滾動時鋼軌動態(tài)支承力的分布曲線來確定。在相同輪重條件下，扣件靜剛度越小，參與支承（變形）的扣件數(shù)量相對越多，扣件節(jié)點最大支反力就越??；反之，扣件靜剛度越大，參與支承（變形）的扣件數(shù)量相對越少，扣件節(jié)點最大支反力就越大。

本文采用 ANSYS 有限元分析軟件，對不同扣件剛度條件下的軌道動態(tài)響應(yīng)進行計算分析。通過分析可知，當(dāng)扣件系統(tǒng)剛度為 17.5 kN/mm時，輪載位置鋼軌垂向下沉量為 1.523mm，此時扣件荷載為 26.659 kN；當(dāng)扣件系統(tǒng)剛度為 30 kN/mm時，輪載位置鋼軌垂向下沉量為 0.98mm，此時扣件荷載為 29.404 kN；當(dāng)扣件系統(tǒng)剛度為 40 kN/mm時，輪載位置鋼軌垂向下沉量為 0.78mm，此時扣件荷載為 31.225 kN。

根據(jù) GB50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，無砟道床節(jié)點垂向靜剛度宜為 20～40 kN/mm，這也比較接近容許變形法的相關(guān)要求。參考國內(nèi)目前在建城市軌道交通工程實踐經(jīng)驗，SD-Ⅱa 型扣件節(jié)點靜剛度采用 20～40 kN/mm較為合理。

1.2.3 軌距調(diào)整量

軌距調(diào)整量主要解決軌道施工誤差和鋼軌側(cè)磨導(dǎo)致的軌距超限問題，故通常要求軌距的負調(diào)整量相對大些。城市軌道交通通常穿越中心城區(qū)，小半徑曲線居多，輪軌橫向作用力相對較大，而工務(wù)大修周期長，日常維修條件差，故 SD-Ⅱa 型扣件應(yīng)具有大的軌距調(diào)整量，以方便現(xiàn)場施工及運營維護。

鐵運 [2006]146 號《鐵路線路維修規(guī)則》中規(guī)定的經(jīng)常保養(yǎng)的容許偏差管理值，軌距為 +8/-4mm，而 60 kg/m鋼軌軌頭側(cè)面磨耗的輕傷標準為 14mm，軌道動態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值中規(guī)定臨時補修軌距為 +20 / -10mm、極限軌距為 +24 / -12mm。綜合考慮軌道交通扣件軌距調(diào)整量通常為 +8 / -12 mm，結(jié)合連續(xù)長大單坡及其與小半徑曲線重疊的輪軌作用特點，SD-Ⅱa型扣件設(shè)計軌距調(diào)整量為 +16 / -20 mm，調(diào)整級數(shù)為 2mm。

1.2.4 套管抗拔力

對于彈性分開式扣件，列車橫向荷載主要靠鐵墊板與緩沖墊板間的摩擦力克服，錨固螺栓和套管基本不承受交變荷載，受力狀態(tài)相對較好。

城市軌道交通平面最小曲線半徑通常為 350m，結(jié)合國內(nèi)目前運營線路軌道的實測數(shù)據(jù)，鋼軌最大橫向力通常為 40 kN，緩沖墊板摩擦系數(shù)為 0.4，故單個螺栓的緊固軸力為：

為實現(xiàn)上述緊固軸力，要求單個錨固螺栓的扭矩達到 250 N · m?？紤]振動衰減因素，小半徑曲線地段螺栓初始安裝扭矩采用 300～350 N · m，此時最大緊固軸力將達到 80 kN。連續(xù)長大單坡與小半徑曲線疊加后，在列車緊急制動力的作用下，橫向力將較常規(guī)工況增大，因此 SD-Ⅱa 型扣件將套管最大抗拔力確定為100 kN。

SD-Ⅱa 型扣件主要技術(shù)參數(shù)詳見表1。

表1 SD-Ⅱa 型扣件主要技術(shù)參數(shù)匯總表

2 SD-Ⅱa 型扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

SD-Ⅱa 型扣件系統(tǒng)采用無擋肩、有螺栓彈性分開式結(jié)構(gòu)，鐵墊板承軌槽設(shè) 1 : 40 軌底坡，通過在軌下及鐵墊板下鋪設(shè)調(diào)高墊板實現(xiàn)鋼軌高低調(diào)整，通過軌距塊和齒形墊塊配合實現(xiàn)軌距調(diào)整?？奂M裝如圖1 所示。

圖1 SD-Ⅱa 型扣件組裝

2.2 主要部件設(shè)計

2.2.1 ω 型彈條

SD-Ⅱa型扣件采用ω型彈條，φ14mm的60Si2MnA 熱軋彈簧鋼，單個彈條扣壓力為10.5kN，彈程 10mm。

通過建立彈條三維仿真模型（圖2），采用 ANSYS軟件按第四強度理論進行彈條有限元計算分析（圖3）。結(jié)果表明，彈條應(yīng)力峰值為 1399mPa，小于材料的屈服強度，滿足 SD-Ⅱa 型扣件系統(tǒng)扣壓件的設(shè)計要求。

圖2 彈條三維仿真模型圖

圖3 彈條有限元分析應(yīng)力云圖

2.2.2 鐵墊板

鐵墊板設(shè)計厚度為 18mm，采用 QT450-10 材料制造。為避免套筒扳手與彈條座相干涉，釘孔距采用146mm×260mm。在鐵墊板中部增設(shè) 2 個凸起，防止軌下墊板竄出軌底。鐵墊板錨固螺栓孔設(shè)計為長圓孔，并配有齒狀限位機構(gòu)實現(xiàn)與齒形墊片嚙合，在防止鐵墊板串動的同時增大軌距調(diào)整量。

2.2.3 軌下墊板

扣件軌下墊板通常采用橡膠材料，如天然橡膠、氯丁橡膠或丁苯橡膠，通過墊板表面溝槽或小圓柱壓縮變形提供彈性，動、靜剛度比通常為 1.4。但由于原材料及加工工藝等原因，其耐磨性、耐久性、抗疲勞性、耐老化性等均相對較差，后期彈性衰減較快，使用壽命縮短。SD-Ⅱa 型扣件設(shè)計采用波浪型的熱塑性聚酯彈性墊板，能同時通過撓曲變形和壓縮變形產(chǎn)生回彈力，動、靜剛度比為 1.35～1.38。同時，考慮到烏魯木齊當(dāng)?shù)氐臉O端低溫條件，故要求墊板壓縮耐寒系數(shù)不小于 0.5，以確保低溫條件下列車運行安全和平穩(wěn)。

2.2.4 錨固螺栓

目前，國內(nèi)城市軌道交通扣件錨固螺栓直徑通常為 30mm，螺距采用 6mm。SD-Ⅱa 型扣件專門針對連續(xù)長大單坡和小半徑曲線疊加的特點，采用直徑 30mm、螺距 8mm的等強度設(shè)計理念，預(yù)埋套管抗拔力≥100 kN，以承受更大的軸向力，確保軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和行車安全。

圖4 為 SD-Ⅱa 型扣件效果圖及零部件圖。

3 室內(nèi)試驗

3.1 彈條疲勞試驗

在理論分析滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，進行了樣品試制及單件產(chǎn)品室內(nèi)實尺試驗。試驗方法參照 TB/T2329-2002《彈條Ⅰ型、Ⅱ型扣件彈條疲勞試驗方法》等行業(yè)相關(guān)標準，并通過國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心循環(huán)10 百萬次疲勞試驗，SD-Ⅱa 型彈條力學(xué)性能滿足設(shè)計要求，疲勞試驗結(jié)果見表2。由表2 數(shù)據(jù)可見，SD-Ⅱa 型彈條的疲勞性能滿足 TB/T2329-2002《彈條Ⅰ型、Ⅱ型扣件彈條疲勞試驗方法》的要求。

圖4 SD-Ⅱa 型扣件效果圖及零部件圖

表2 SD-Ⅱa 型彈條產(chǎn)品質(zhì)量檢測結(jié)果

3.2 扣件剛度及組裝疲勞試驗

扣件組裝疲勞試驗根據(jù)鐵道行業(yè)標準 TB/T2491-94《扣件組裝疲勞試驗方法》進行。試驗條件如表3 所示，試驗加載如圖5 所示。疲勞前扣件靜剛度為 29.85～31.75 kN/mm，經(jīng)過 3 百萬次疲勞試驗后，剛度變化量為10.02%～13.57%，滿足疲勞前、后靜剛度變化量≤20% 的要求；軌距擴大值為 2.95mm，滿足 TB/T2491-94《扣件組裝疲勞試驗方法》中軌距擴大值＜6mm的要求；各零部件均無損傷及失效。

表3 SD-Ⅱa 型扣件組裝疲勞試驗條件

圖5 扣件組裝疲勞試驗圖

3.3 扣件縱向阻力試驗

將 60 kg/m 短軌、SD-Ⅱa型扣件和混凝土短枕組裝，錨固螺栓預(yù)緊力矩采用 320 N · m。擰緊T型螺栓螺母，使彈條中趾下額與軌距塊間隙為 0～0.5mm。水平千斤頂推短軌一端，在混凝土短軌枕上安放位移計，且使位移計觸頭接觸短軌另一端。逐級均勻施加水平力，每間隔 30 s 增加水平力 0.5 kN。當(dāng)短軌與墊板間發(fā)生滑動時讀數(shù)，記錄此時的水平力，試驗連續(xù)進行 3 次（圖6）。

圖6 扣件組裝縱向阻力測試

試件 1、試件 2 扣件組裝（無調(diào)高墊板）疲勞前、后縱向阻力實測結(jié)果如表4 所示。由表4 可知，疲勞試驗前、后，扣件組裝縱向阻力均滿足≥ 11 kN，縱向位移≤ 1mm，縱向阻力變化量≤20% 的要求。

4 結(jié)束語

SD-Ⅱa 型扣件系統(tǒng)是在現(xiàn)有城市軌道交通扣件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)連續(xù)長大單坡及與小半徑曲線疊加的特點和要求而研制的。經(jīng)理論計算及室內(nèi)各項試驗，該扣件系統(tǒng)完全滿足設(shè)計要求。SD-Ⅱa 型扣件目前已在烏魯木齊市軌道交通 1 號線正線全線鋪設(shè)，運營過程中將隨時跟蹤扣件使用情況，并使之更加完善。

表4 試件 1、2 號組裝疲勞前、后縱向阻力實測結(jié)果

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