摘 要 中低速磁浮工程軌道主要采用鋼軌排結(jié)構(gòu)，軌排通過扣件系統(tǒng)與下部基礎(chǔ)連接，是中低速磁浮軌道系統(tǒng)的重要組成部分，目前，關(guān)于中低速磁浮軌道扣件系統(tǒng)的研究還不夠深入，尚無可大范圍工程化應用的扣件系統(tǒng)。針對中低速磁浮軌道系統(tǒng)受力和結(jié)構(gòu)特點，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了扣件系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)技術(shù)方案，對扣件系統(tǒng)墊板剛度，螺栓扭矩、縱向阻力值進行了設計分析，并進行了樣品試制和組裝性能試驗。試驗表明，扣件組裝疲勞性能滿足運營要求，在國內(nèi)首條中低速磁浮長沙磁浮工程全線應用。

關(guān)鍵詞 中低速磁浮;扣件;有限元;疲勞試驗

引言

中低速磁浮交通具有低振動、低噪聲、加速快、爬坡及曲線通過能力強的特點，可以很好地克服輪軌交通的不足，具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，是21世紀綠色城市軌道交通發(fā)展的重要方向之一。日本、中國、美國、韓國等國家都在努力研發(fā)中低速磁浮列車，開展城市磁浮軌道交通規(guī)劃[1，2，3]。國內(nèi)已建成長沙磁浮、北京磁浮S1線等商業(yè)示范線，中低速磁浮線建設有力地證明了中低速磁浮技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的優(yōu)勢和發(fā)展前景。

扣件系統(tǒng)是中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的重要部件，其將軌排與下部承軌臺牢固連接，對保證軌道穩(wěn)定性、可靠性起到重要作用，扣件在中低速磁浮交通線路中的重要性，對運輸安全的影響顯而易見，亟待從軌道結(jié)構(gòu)本身的受力分析等方面對中低速磁浮扣件系統(tǒng)的剛度、調(diào)距能力、抗拔性能和扣件阻力等進行設計研究，形成穩(wěn)定可靠的磁浮扣件系統(tǒng)方案。

1中低速磁浮扣件系統(tǒng)功能需求及功能指標

中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)中，扣件系統(tǒng)直接將軌排與下部混凝土支撐結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)在一起。中低速磁浮車輛運行速度最高可達120km/h、行車密度大，對軌道結(jié)構(gòu)扣件系統(tǒng)有如下主要的技術(shù)要求：

（1）力學性能要求。錨固螺栓應有足夠的抗剪和抗拔能力，并能保證扣壓力。扣件系統(tǒng)應能保持軌排結(jié)構(gòu)的幾何狀態(tài)，保持軌排的三維空間位置和防止軌排橫向移動。中低速磁浮扣件須有足夠的扣壓力，以保證軌排與細部混凝土支撐體之間的可靠聯(lián)結(jié)，扣壓力也不宜太大，否則會使扣件系統(tǒng)彈性下降，影響扣件系統(tǒng)使用壽命。

（2）調(diào)距能力。中低速磁浮扣件系統(tǒng)應能滿足對軌排三維的調(diào)距。由于中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)中的扣件直接將鋼軌與混凝土道床連接在一起，受施工誤差、混凝土基礎(chǔ)變化、沉降、溫度變化等因素的影響，軌排的高低狀態(tài)發(fā)生變化后，只能通過扣件進行調(diào)整?？奂到y(tǒng)在垂向應具有大調(diào)整能力，為-5～+22mm。由于溫度變化會導致上部鋼結(jié)構(gòu)軌排系統(tǒng)的伸縮變形，該變形不能與下部混凝土橋梁變形協(xié)調(diào)，因此在橫向和縱向應具有-6～+6mm調(diào)節(jié)能力。

（3）彈性要求?，F(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)要保證良好的行車品質(zhì)，提高旅客乘坐的舒適性，要求扣件各節(jié)點剛度合理，并保證線路彈性的均勻。這就要求中低速磁浮扣件系統(tǒng)具有良好的彈性，保證軌排有良好的平順性，以最大限度地降低車輛和軌道結(jié)構(gòu)的振動，并降低磁浮車輛通過接頭部位時的沖擊。

（4）通用性和可維護性。施工和運營管理要求扣件系統(tǒng)具有良好的通用性，以提高維護效率，降低維護成本，要求扣件結(jié)構(gòu)應盡量由較少的通用零部件組成，并具有較長的維護時間間隔和較少的維修工作量。同時要求扣件系統(tǒng)有良好的可維護性，應能保證當H型軌枕彈性墊層產(chǎn)生磨耗和殘余變形時，扣件阻力減小不大，扣件所用的高強度螺栓無須經(jīng)常進行復擰，調(diào)高墊板和橡膠墊板的更換方便快捷，其他零部件也可快速完成更換。

（5）扣件系統(tǒng)主要技術(shù)指標。①扣件彈性墊板的垂直靜剛度為70～90kN/mm;②防爬阻力≥26kN/每組;③錨固螺栓的抗拔力不小于110kN;④線路縱向允許軌排與軌道梁相對伸縮量為-6～+6mm;⑤軌排的橫向調(diào)整量為-6～+6mm;⑥垂向調(diào)高量為-5～+22mm;⑦扣件組裝疲勞試驗：經(jīng)300萬次疲勞試驗后，扣件各零部件無損傷。

2中低速磁浮扣件系統(tǒng)技術(shù)方案調(diào)研分析

2.1 國內(nèi)外中低速磁浮扣件系統(tǒng)方案

首先對國內(nèi)外比較具有代表性的扣件系統(tǒng)方案進行了調(diào)研分析，目前國內(nèi)外中低速磁浮扣件分為兩種：彈性不分開式扣件、彈性分開式扣件，從軌枕結(jié)構(gòu)形式上看，適用于方鋼型軌枕和H型鋼枕。

2.2 各類型扣件系統(tǒng)應用情況

日本、韓國磁浮線、中國上海臨江試驗線采用的是方鋼枕式軌枕技術(shù)方案，軌排安裝完畢后，運營情況良好。唐山試驗線H型鋼枕不分開式扣件，現(xiàn)場維護工作量小，由于采用的是套管后澆錨固方案，部分地段出現(xiàn)套管拔出的情況。株洲中低速磁浮試驗線采用了彈性分開式扣件，彈性分開式扣件比整體式彈性扣件結(jié)構(gòu)復雜，安裝不便，制造和安裝成本均高30%～40%。

2.3 扣件系統(tǒng)總體設計方案確定

彈性不分開式扣件結(jié)構(gòu)簡單，后期養(yǎng)護維修工作量少，且通過改進可彌補目前試驗線出現(xiàn)的不足，彈性分開式扣件調(diào)距方便，結(jié)構(gòu)受力和力的傳遞路徑清晰明確，長沙磁浮采用H型鋼軌枕方案，通過調(diào)研分析確定采用彈性不分開式扣件系統(tǒng)方案。

3新型中低速磁浮扣件系統(tǒng)方案

基于上述調(diào)研分析，確定了長沙磁浮工程扣件系統(tǒng)方案，該扣件為帶軌排橫向調(diào)整功能的彈性不分開式扣件，適用于路基地段的H型鋼枕形式整體道床。其零部件主要包括錨固螺栓、緊固螺母、高強度大六角螺母、重型彈簧墊圈、減振墊片蓋板、減振墊片、彈性墊板、調(diào)高墊板、鐵墊板、定位薄螺母、緩沖調(diào)距塊等。

新型扣件系統(tǒng)具有足夠的強度和扣壓力，具備較大的軌道豎向橫向和縱向調(diào)整能力，提供合理的扣件節(jié)點剛度和實現(xiàn)雙向減振，扣件組件三維調(diào)節(jié)方便，橡膠墊板和調(diào)高墊板的更換和維護便利，僅通過置于軌枕開孔中的緩沖調(diào)距塊即可完成對軌排結(jié)構(gòu)的縱向和橫向調(diào)整。且通過在軌枕上部減振墊片和下部橡膠墊板可實現(xiàn)對軌排的雙向減振。

扣件結(jié)構(gòu)簡單，設計合理，受力傳遞路徑清晰明確，三維調(diào)節(jié)能力強，對軌排的橫向限位能力突出，零部件數(shù)量少，可靠性高，零部件更換和扣件三維調(diào)整快捷方便，提高維修效率，能顯著降低制造和維護成本。

4新型中低速磁浮扣件系統(tǒng)計算分析

4.1 扣件系統(tǒng)抗拔力

扣件系統(tǒng)的抗拔力可通過螺栓的預緊力矩控制。具體控制計算方法可按下式：

式中為抗拔力，N;為擰緊力矩，N·m;為螺栓的公稱直徑，m;為螺栓的扭矩系數(shù)，這里按0.15取值（在螺栓供貨時一并附上扭矩系數(shù)的測試報告）。當擰緊力矩為300N·m，螺栓公稱直徑為30mm時，螺栓的抗拔力值為：

將計算得到的抗拔力值乘以軋鋼軌枕與橡膠材料之間的摩擦系數(shù)（軋鋼和橡膠之間的靜摩擦系數(shù)為0.8，動摩擦系數(shù)為0.6～0.8，計算中取值為0.5），可計算得到縱向阻力值為：

上述計算分析可以得到扣件系統(tǒng)的緊固力矩為300N·m時，扣件系統(tǒng)抗拔力和縱向阻力值滿足設計要求。

4.2 扣件系統(tǒng)縱向阻力影響分析

采用無縫線路建模分析方法，計算時取扣件彈塑性臨界點為2mm，當扣件阻力在6～46kN/組范圍內(nèi)變化，其他參數(shù)保持不變，梁中軌排間伸縮位移、梁縫處軌排間伸縮位移和梁端活動端位移的變化，如表1所示。

從表1可知，隨著扣件阻力的增加，對梁端活動端位移影響很小，而梁中和梁縫處軌排間伸縮位移都略有減小，這主要是由于增加扣件阻力，能加強扣件限制軌排相對于橋梁間的伸縮。但從量值上看，扣件阻力對梁中和梁縫處軌排間伸縮位移影響不大，扣件阻力從6kN/組增加至46kN/組，兩者的減小幅值分別為0.17mm和0.15mm。設計時按照防爬阻力≥26kN/組要求控制實施。

4.3 扣件系統(tǒng)剛度分析

主要對扣件彈性對兩磁極面垂向位移的影響進行計算分析。如圖5所示，建立了中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，計算了不同剛度條件下的軌排結(jié)構(gòu)的變形情況。從圖6可知隨著扣件剛度當扣件剛度小于70kN/mm后，隨著扣件剛度的減小，F(xiàn)軌垂向位移增加幅值明顯加快。

扣件系統(tǒng)具有較低的剛度可實現(xiàn)減振降噪，但較低的剛度容易影響扣件對軌排的垂向約束能力，并且會導致軌排內(nèi)外磁極產(chǎn)生較大的垂向位移，對行車和懸浮控制造成不利影響。根據(jù)上述計算分析，為保證軌排結(jié)構(gòu)變形值不影響線路的整體平順性，同時參考上海中低速磁浮扣件系統(tǒng)剛度取值，經(jīng)綜合比選確定扣件系統(tǒng)剛度值采用80～100kN/mm[4]。

5中低速磁浮扣件系統(tǒng)疲勞試驗

為保證扣件系統(tǒng)達到設計要求，參照GB/T 21527-2008《軌道交通扣件系統(tǒng)彈性墊板》、TB/T 2491-94《扣件組裝疲勞試驗方法》，針對上述兩種扣件方案，于2015年4月對長沙磁浮工程軌道扣件系統(tǒng)進行了靜剛度、動剛度、縱向阻力、橫向阻力、錨固螺栓抗拔力、抗扭試驗及疲勞試驗，記錄扣件系統(tǒng)在經(jīng)過300萬次疲勞試驗后，檢查零部件損傷、試驗用軌頭移動值等參數(shù)，為評價軌道部件的工作性能提供依據(jù)。

經(jīng)同濟大學第三方試驗，扣件系統(tǒng)動靜剛度比實測值為1.12～1.26（≤2.0），經(jīng)300萬次疲勞試驗，扣件系統(tǒng)剛度變化率為12.26～20%（≤25%），試驗完成后，扣件系統(tǒng)各零部件可通過手工工具拆卸，各零部件無損傷，通過了第三方疲勞試驗，并在長沙磁浮工程得到了規(guī)模化應用，現(xiàn)場應用效果良好[5，6]。

6結(jié)束語

依托國內(nèi)首條中低速磁浮項目設計應用需求，對國內(nèi)外中低速磁浮扣件系統(tǒng)進行了深入調(diào)研分析，提提出了新型中低速磁浮扣件系統(tǒng)方案，對扣件系統(tǒng)錨固螺栓扭緊力矩、扣件系統(tǒng)縱向阻力、扣件系統(tǒng)剛度值設計等進行了分析計算，得到了扣件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)取值范圍，完成了新型扣件系統(tǒng)的設計及疲勞試驗，形成了YSYCF型扣件系統(tǒng)。

新型扣件為一種適應H型鋼枕磁浮線路的彈性不分開式扣件系統(tǒng)，通過零部件設計、樣品試制以及試組裝試驗表明，產(chǎn)品各部件符合要求，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。該扣件結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，便于養(yǎng)護維修，主要技術(shù)指標合理，造價較低，整體性能優(yōu)勢明顯。已在長沙磁浮工程得到了全線應用，并應用到國內(nèi)清遠磁浮工程項目[7]，具有良好的推廣應用價值。

參考文獻

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[3] 陳義志.中低運量的新型城市軌道交通系統(tǒng)[J].山西建筑，2019，45（18）：100-101.

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[6] 梁瀟.中低速磁浮運營線工程示范與創(chuàng)新研究[J].黑龍江大學工程學報，2019，10（3）：69-75，85.

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作者簡介

婁會彬（1987-），男;職稱：工程師，研究方向：高速鐵路與磁浮工程研究設計。