孫林林，方杭瑋，冉 蕾，劉偉明，孔慶雷

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100020；3.中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司大慶工務(wù)段，黑龍江大慶163000）

扣件系統(tǒng)是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是聯(lián)結(jié)鋼軌與支承結(jié)構(gòu)的重要部件［1］。它一般由彈條、軌下墊板、軌距擋板、螺旋道釘?shù)榷鄠€零部件組成，其中任一零部件失效或斷裂均會直接影響扣件系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，嚴(yán)重時甚至?xí){列車運行的安全性和穩(wěn)定性［2-4］。我國鐵路大量采用有螺栓扣件系統(tǒng)，螺旋道釘總體應(yīng)用情況良好，但在實際應(yīng)用中也存在若干問題，如彈條Ⅱ型扣件系統(tǒng)采用預(yù)埋套管方式聯(lián)結(jié)時存在螺旋道釘彎曲甚至斷裂的情況。

對于扣件系統(tǒng)中螺旋道釘在應(yīng)用中出現(xiàn)的傷損、斷裂等問題，王峰等［5］針對滬杭客運專線WJ-8C 型扣件中螺旋道釘錘擊松退的原因進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研和試驗，提出將6 mm墊圈更換為4 mm墊圈的解決方案；張志遠(yuǎn)［6］對滬寧城際鐵路WJ-7B型彈性分開式扣件中螺旋道釘松動的原因進(jìn)行了調(diào)研分析，并從設(shè)計、施工和運營方面提出了防松對策；雷曉燕等［7］通過建立力學(xué)分析模型對螺旋道釘斷裂的原因進(jìn)行了理論分析，提出了減少道釘斷裂的措施；Dick 等［8］建立了一種新的螺旋道釘彎曲應(yīng)力測試方法，并與有限元法相結(jié)合來分析螺旋道釘?shù)钠诤奢d；肖宏等［4］結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和實測數(shù)據(jù)，采用擴(kuò)展有限元方法對地鐵螺旋道釘裂紋發(fā)展過程進(jìn)行了分析，提出在螺旋道釘頭部與桿部結(jié)合處設(shè)置過渡圓弧可有效減緩或避免螺旋道釘?shù)臄嗔褑栴}。

綜上可以看出，已有許多學(xué)者針對螺旋道釘松退、裂紋擴(kuò)展、斷裂等問題進(jìn)行了大量研究工作，但鮮有學(xué)者對彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘存在的偏心受力情況進(jìn)行分析。本文通過建立彈條Ⅱ型扣件系統(tǒng)的精細(xì)化有限元模型，模擬螺旋道釘在安裝過程中及列車荷載作用下的偏心受力狀態(tài)，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗驗證，為彈條Ⅱ型扣件的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 現(xiàn)場調(diào)研

彈條Ⅱ型扣件普遍應(yīng)用于我國客貨共線鐵路中，現(xiàn)場使用情況良好。該扣件系統(tǒng)螺旋道釘采用硫磺錨固方式，該方式錨固強度高，絕緣性能好，造價低，作業(yè)簡便，但錨固作業(yè)過程中會對環(huán)境造成一定的污染。隨著我國環(huán)保要求的日益提高，這種作業(yè)方式越來越受到限制。因此，國內(nèi)對替代硫磺錨固的多種聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行了研究，如預(yù)埋套管方式。

通過對蘭新鐵路預(yù)埋套管式彈條Ⅱ型扣件現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前扣件使用情況基本良好，可有效保持軌距和軌向。但由于螺旋道釘偏心受力，出現(xiàn)螺旋道釘彎曲甚至斷裂的現(xiàn)象。圖1為預(yù)埋套管式彈條Ⅱ型扣件現(xiàn)場情況。

從圖1（a）彈條Ⅱ型扣件現(xiàn)場組裝狀態(tài)可以清晰地看出，彈條與平墊圈接觸位置明顯偏離平墊圈中心；從圖1（b）中平墊圈壓痕也可以看出，壓痕中心偏離平墊圈中心線?，F(xiàn)場初步測量表明，彈條與平墊圈接觸位置偏離螺旋道釘中心距離約為4～13 mm。

圖1 預(yù)埋套管式彈條Ⅱ型扣件現(xiàn)場情況

從彈條Ⅱ型扣件組裝示意圖（圖2）也可以看出，無論在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)還是調(diào)高狀態(tài)下，彈條和螺旋道釘接觸位置與螺旋道釘中心均存在一定的偏離。在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下偏離3.8 mm，在調(diào)高狀態(tài)下偏離10.9 mm。

圖2 彈條Ⅱ型扣件組裝示意（單位：mm）

因此，彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘存在偏心受力問題，其除了承受軸力引起的拉伸應(yīng)力外，還承受由于偏心引起的彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致螺旋道釘受力狀態(tài)較為惡劣。

2 螺旋道釘受力狀態(tài)數(shù)值計算

采用有限元法對彈條Ⅱ型扣件系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)安裝過程中及列車荷載作用下的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，得到在既有硫磺錨固方式和采用預(yù)埋套管替代方式下的螺旋道釘受力狀態(tài)。

2.1 計算參數(shù)

采用ABAQUS 有限元軟件建立彈條Ⅱ型扣件有限元模型，所有零部件均采用實體單元模擬，真實反映各零部件的實際幾何特征和力學(xué)行為?？奂到y(tǒng)各零部件材料及參數(shù)見表1。

2.2 邊界條件模擬

扣件組裝狀態(tài)的邊界條件主要是指扣件組裝過程中各零部件之間的接觸狀態(tài)，包括接觸面法向的接觸剛度以及接觸面水平方向的摩擦。對于扣件組裝狀態(tài)，準(zhǔn)確地模擬邊界條件是合理計算各零部件受力狀態(tài)的關(guān)鍵。采用罰函數(shù)摩擦模型模擬各零部件之間的接觸關(guān)系，該模型允許接觸表面有彈性滑移，可以準(zhǔn)確地模擬扣件在組裝過程中彈條中肢與平墊圈之間的相對運動以及其他部件間的少量滑移。各零部件之間的摩擦因數(shù)見表2。

表1 扣件系統(tǒng)各零部件材料及參數(shù)

表2 扣件系統(tǒng)各零部件間摩擦因數(shù)

2.3 有限元模型

由于彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘在組裝狀態(tài)下存在偏心，為準(zhǔn)確計算螺旋道釘實際受力狀態(tài)，須精確建立其有限元模型。因此，根據(jù)彈條Ⅱ型扣件各零部件的實際幾何尺寸和空間相對位置，建立彈條Ⅱ型扣件標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高10 mm 狀態(tài)下的有限元模型，如圖3所示。

圖3 彈條Ⅱ型扣件有限元模型

同時為考慮列車荷載作用對扣件系統(tǒng)受力狀態(tài)的影響，建立扣件組裝有限元模型，如圖4所示。

圖4 彈條Ⅱ型扣件組裝有限元模型

2.4 數(shù)值計算結(jié)果

根據(jù)圖3和圖4建立的彈條Ⅱ型扣件有限元模型，對其在安裝過程中及列車荷載作用下的螺旋道釘受力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值計算。

2.4.1 安裝過程中螺旋道釘受力數(shù)值計算結(jié)果

對螺旋道釘施加垂向位移荷載模擬扣件安裝過程，當(dāng)彈條中肢前端與軌距擋板接觸時停止加載。此時，彈條Ⅱ型扣件安裝到位，其應(yīng)力云圖見圖5。

圖5 彈條Ⅱ型扣件安裝到位時應(yīng)力云圖（單位：MPa）

根據(jù)彈條和平墊圈之間的法向接觸力大小及位置，得到安裝到位時螺旋道釘軸力、偏心距及彎矩，見表3。

表3 安裝到位時螺旋道釘受力狀態(tài)

對比表3和圖2可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下，螺旋道釘偏心距數(shù)值計算結(jié)果與實際結(jié)果基本一致，說明本文建立的彈條Ⅱ型扣件有限元模型可準(zhǔn)確地反映螺旋道釘?shù)钠氖芰顟B(tài)。

2.4.2 列車荷載作用下螺旋道釘受力數(shù)值計算結(jié)果

扣件系統(tǒng)除承受安裝過程中的緊固荷載外，還承受列車運行引起的疲勞荷載。根據(jù)2017年中國鐵路總公司頒布的標(biāo)準(zhǔn)Q/CR 564—2017《彈條Ⅱ型扣件》［9］中對扣件疲勞荷載的規(guī)定，選取扣件系統(tǒng)受力最惡劣情況即小曲線半徑情況下鋼軌垂向荷載75 kN、橫向荷載60 kN作為計算荷載。

扣件組裝狀態(tài)下鋼軌在75 kN 垂向荷載和60 kN橫向荷載作用下的變形見圖6。

從圖6可以看出：此時鋼軌外側(cè)下移1.4 mm，外側(cè)的彈條扣壓力下降，螺旋道釘軸力相應(yīng)降低，受力狀態(tài)有所改善；鋼軌內(nèi)側(cè)上移0.4 mm，內(nèi)側(cè)的彈條中肢與軌距擋板接觸，導(dǎo)致彈條扣壓力增大，螺旋道釘軸力相應(yīng)增大，受力狀態(tài)更加惡劣。因此，在列車荷載作用下鋼軌內(nèi)側(cè)螺旋道釘受力狀態(tài)更加惡劣。計算時僅考慮內(nèi)側(cè)螺旋道釘受力情況。

圖6 列車荷載作用下鋼軌變形（單位：mm）

扣件系統(tǒng)安裝到位后，繼續(xù)對鋼軌施加垂向位移荷載，得到彈條Ⅱ型扣件在列車荷載作用下的應(yīng)力云圖，見圖7。

圖7 列車荷載作用下彈條Ⅱ型扣件應(yīng)力云圖（單位：MPa）

列車荷載作用下螺旋道釘軸力、偏心距及彎矩見表4。

表4 列車荷載作用下螺旋道釘受力狀態(tài)

根據(jù)表4中螺旋道釘所受軸力及彎矩，計算得到彈條Ⅱ型扣件采用硫磺錨固和預(yù)埋套管方式下的螺旋道釘應(yīng)力云圖，分別見圖8和圖9。

圖8 硫磺錨固方式下彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘應(yīng)力云圖（單位：MPa）

從圖8和圖9可以看出：采用硫磺錨固方式聯(lián)結(jié)時，螺旋道釘最大應(yīng)力位于錨固凸臺倒角位置；采用預(yù)埋套管方式聯(lián)結(jié)時，螺旋道釘最大應(yīng)力位于圓弧過渡最小直徑處。

圖9 預(yù)埋套管方式下彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘應(yīng)力云圖（單位：MPa）

列車荷載作用下螺旋道釘最大應(yīng)力見表5?？梢钥闯觯涸跇?biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下，彈條Ⅱ型扣件采用硫磺錨固方式時螺旋道釘應(yīng)力均未達(dá)到Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼235 MPa的屈服應(yīng)力，滿足強度要求；而采用預(yù)埋套管方式時，螺旋道釘應(yīng)力均超過Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服應(yīng)力，不滿足強度要求，應(yīng)提高材料強度等級或改善螺旋道釘受力情況。且該結(jié)論與現(xiàn)場調(diào)研中硫磺錨固方式下螺旋道釘應(yīng)用情況良好，而預(yù)埋套管方式下螺旋道釘出現(xiàn)彎曲甚至斷裂的結(jié)果一致。

表5 列車荷載作用下螺旋道釘最大應(yīng)力

3 試驗驗證

為驗證數(shù)值計算結(jié)果的正確性，對標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘軸力和彎矩進(jìn)行測試分析，室內(nèi)試驗情況如圖10所示。

圖10 螺旋道釘受力室內(nèi)試驗情況

在螺旋道釘同一斷面位置每間隔90°粘貼應(yīng)變片，共4 片。其中2 片沿軌枕縱截面方向，用于測試螺旋道釘彎曲應(yīng)變，另外2片沿軌枕橫截面方向，用于測試螺旋道釘拉伸應(yīng)變。測試工況分2 種：①工況1 測試彈條安裝擰緊到3點接觸時螺旋道釘受力情況；②工況2 測試彈條安裝到位后，對鋼軌施加垂向75 kN、橫向60 kN荷載下的螺旋道釘受力情況。

試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果對比見表6。

表6 螺旋道釘受力試驗與數(shù)值計算結(jié)果對比

從表6可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)和調(diào)高狀態(tài)下，彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘軸力和彎矩數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比誤差均在5%以內(nèi)，驗證了有限元模型的合理性和螺旋道釘受力狀態(tài)數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文對彈條Ⅱ型扣件在既有硫磺錨固方式和預(yù)埋套管替代方式下的螺旋道釘現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行了調(diào)研，采用有限元法對安裝過程中及列車荷載作用下的螺旋道釘受力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值計算，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗驗證，得到以下結(jié)論：

1）彈條Ⅱ型扣件組裝狀態(tài)下螺旋道釘普遍存在偏心受力情況，既有硫磺錨固方式下彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘應(yīng)用狀態(tài)良好，預(yù)埋套管方式下螺旋道釘出現(xiàn)彎曲甚至斷裂的情況。

2）彈條Ⅱ型扣件采用硫磺錨固方式時螺旋道釘應(yīng)力未達(dá)到Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服應(yīng)力，滿足強度要求；采用預(yù)埋套管方式時，螺旋道釘應(yīng)力超過Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服應(yīng)力，不滿足強度要求，應(yīng)提高材料強度等級或改善螺旋道釘偏心受力情況。

3）彈條Ⅱ型扣件螺旋道釘軸力和彎矩數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比誤差均在5%以內(nèi)，驗證了有限元模型的合理性和螺旋道釘受力狀態(tài)數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。