藺雪峰，田 磊，張小安，曲軍彪

(1.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京100007；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京100082)

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的大規(guī)模貯煤筒倉群出現(xiàn)在沿海港區(qū)[1-3]，筒倉頂卸料小車的工作性能直接影響輸煤、裝船效率，而卸料小車軌道及其扣件的連接可靠性成為影響卸料小車作業(yè)效率最為重要的一環(huán)。工程實例表明，筒倉頂采用鋼結構通廊，卸料小車軌道采用吊車梁傳統(tǒng)壓板扣件，經(jīng)常出現(xiàn)軌道壓板松動脫落、鋼軌局部磨損、啃軌及筒倉結構縫處軌道伸縮縫間距、左右移位、豎向高程差超標等現(xiàn)象，通過研究柔性軌道固定系統(tǒng)(如GANTREX、GANTRAIL等系列)、高鐵軌道固定系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng)進行比較分析，總結歸納卸料小車軌道問題形成的原因，并給出解決該問題的意見與建議，可供設計人員參考使用。

1 工程概況

某港口工程有24座筒倉，單個筒倉容量3萬t，高43 m，內(nèi)徑40 m。筒倉按4排、6列布置，排凈距10 m，列凈距5 m，見圖1。倉頂鋼廊道采用空間桁架，跨度38.13 m，凈寬13 m，檐口相對于倉頂高度為12 m。鋼廊道通過4個盆式橡膠支座與筒倉頂部環(huán)梁連接，一端設置2個固定支座，另一端為定向滑動支座。

圖1 筒倉群布置(單位： mm)

筒倉頂每排輸煤鋼廊道內(nèi)設1輛卸料小車(圖2)。卸料小車總質量151 t，最大輪壓標準值見圖3。

圖2 卸料小車示意

圖3 卸料小車輪壓標準值

2 卸料小車軌道固定系統(tǒng)

本工程每排筒倉卸料小車軌道總長度約300 m，軌道為有縫軌道，軌道型號QU100，軌道高160 mm，軌道與下部支撐鋼梁采用焊接型連接，小車軌道與下部支撐鋼梁連接參考鋼吊車圖集，吊車軌道連接與車檔(05G525)見圖4，施工時卸料小車軌道施工安裝誤差要求見表1。

圖4 卸料小車軌道扣件

表1 軌道安裝誤差要求

3 卸料小車軌道及壓板扣件問題原因分析

3.1 原因

1)軌道扣件松動脫落。由于卸料小車輪壓較大，運行時倉頂鋼廊道橫向鋼梁和縱向軌道梁均會產(chǎn)生2個方向的微小變形[4]，見圖5。卸料小車循環(huán)往復荷載作用下，豎向壓力將使軌道壓板楔形部件反復承受擠壓與松弛作用；除此之外，卸料小車運行產(chǎn)生的沿軌道方向水平力和垂直軌道方向卡軌力也由軌道傳遞給壓板，再傳遞給錨栓和鋼梁，整個荷載傳遞過程中錨栓為復雜應力狀態(tài)下的受力體。因此，卸料小車運營過程中，荷載反復作用會造成楔形部件脫落、缺失、螺母松動等現(xiàn)象，最終造成軌道扣件松動、脫落。

圖5 廊道變形(尺寸：mm；高程：m)

卸料小車軌道扣件采用雙螺母，短期內(nèi)螺母不會松動，但是錨栓承受的附加荷載將傳遞給下部鋼梁，在卸料小車反復疲勞荷載作用下，短期內(nèi)該附加荷載將對鋼梁造成疲勞損傷。從長遠看，單個振動周期內(nèi)造成的疲勞損傷將會隨雙螺母的再次松動而降低，直至該附加荷載作用下錨栓達到新的平衡狀態(tài)為止。起初，當卸料小車開始運行時，軌道、扣件和下部鋼梁組成了支撐小車運行的基礎，由于施工中存在無法避免的安裝誤差和卸料小車荷載作用下鋼結構桁架存在微小的變形，必然會在扣件系統(tǒng)中產(chǎn)生附加荷載，隨著時間的推移，均會產(chǎn)生螺母松動，進而造成扣件脫落。

2)軌道出現(xiàn)局部磨損、啃軌。在非結構縫附近，軌道左右移位和啃軌相輔相成，軌道左右移位的原因大多與啃軌原因一致。造成啃軌和軌道左右移位的原因眾多，如卸料小車車輪直線性、垂直度不好，車輪間距、對稱對角線不等；卸料小車啟動或剎車時，鋼桁架剛度相對較小，作用車體本身的扭擺也可能引起啃軌；由于軌道安裝或桁架變形引起軌道不直(即軌道間距過大或過小)，導致啃軌現(xiàn)象的發(fā)生：軌道間距過小時啃軌道內(nèi)側，軌道間距過大時啃軌道外側。軌道問題根本上都是由于軌道的相對標高和直線性不符合標準所致。除此之外，坡度太大、軌道面不平等也易引起固定地段啃軌。單一因素引起啃軌的情況較少，多數(shù)啃軌現(xiàn)象都是由上述2個或2個以上的因素共同作用所致。多種因素引起的啃軌情況最常見、最復雜，沒有一定的規(guī)律性，不容易快速、準確地判斷啃軌產(chǎn)生的主要原因。因此，須根據(jù)實際情況逐一進行排查。此外，壓板螺母松動、楔形部件松動或缺失也是卸料小車軌道左右移位、啃軌的主要原因之一。

3)筒倉結構縫處軌道伸縮縫間距、左右移位、豎向高程差超標。卸料小車運行時，結構縫兩側鋼廊道懸挑端變形需要鋼軌來協(xié)調(diào)，以保證軌道的連續(xù)性，否則，若軌道伸縮縫和結構縫位置一致，由于卸料小車荷載作用下，鋼廊道懸挑端變形造成跳車現(xiàn)象，易發(fā)生安全事故。長期疲勞荷載作用下，在結構縫附近，鋼軌及其下部2個獨立結構單元之間變形反復協(xié)調(diào)作用，鋼軌會出現(xiàn)扣件松動，引起結構縫處鋼軌左右移位是該部位啃軌的主要原因。在結構縫處，由于小車軌道下部基礎變形差需要軌道來協(xié)調(diào)，使鋼軌受力過程中會沿軌道方向產(chǎn)生軸向力，該軸向力也是軌道伸縮縫間距增大或減少的主要原因之一。本工程軌道伸縮縫間距46 m，若不考慮扣件對軌道的約束作用，一端與軌道梁焊接的軌道由溫度變化引起的縱向變形為16 mm，溫度作用對軌道伸縮縫間距變化影響較大；一條軌道上驅動輪作用給軌道頂部的驅動荷載為120 kN，在軌道一端焊接固定的情況下，驅動力作用下的軌道軸向變形為2.4 mm，因此軌道一端與下部軌道梁焊接時，溫度作用對單軌縱向變形的影響遠大于驅動力作用下的變形(圖6)。

圖6 軌道伸縮縫變化

此外，卸料小車運營時，由于小車運行方向的改變或輕微非勻速行駛，沿軌道方向將產(chǎn)生卸料小車車輪的制動力和驅動力，在該附加荷載作用下軌道將產(chǎn)生軸向壓縮或拉伸變形。這種變形是無法避免的，只能通過加強卸料小車運行管理，確保小車平穩(wěn)、勻速、有規(guī)律行駛，使用過程中盡量避免緊急剎車或突然啟動，以減小該軸向變形。另外，壓板螺栓松動也是形成沿軸向拉伸或壓縮重要原因，壓板松動后，軌道將失去約束作用，可向各個方向發(fā)生位移，對設備安全生產(chǎn)造成很大困擾，該問題可隨著螺栓松動問題的解決而得到解決。

3.2 改進措施

1)保障施工質量，軌道安裝應滿足設計關于安裝誤差的要求，包括軌頂高程、卸料小車軌道安裝、壓板扣件等。

2)卸料小車設備和車輪安裝應滿足機械設備安裝要求，包括車輪的平行性、垂直度、車輪間距、車輪對稱對角線等。

3)卸料小車運行時盡量避免突然啟動或急剎，確保小車勻速、平穩(wěn)、有規(guī)律行駛。

4)考慮到卸料小車防傾覆裝置下部卡頭與鋼軌腹板距離較近(圖7)，在軌道伸縮縫處加魚尾板時卸料小車無法正常行走。因此，無法從傳統(tǒng)魚尾板角度解決伸縮縫距離、高程差、左右移位超標等問題。

圖7 卸料小車防傾覆裝置(高程：m；尺寸：mm)

建議考慮采用2種方案處理：

方案1：在軌道兩側均勻增設變厚度耳板，既能保證溫度作用下和小車運行時軌道的正常壓縮、拉伸(縱向變形幅度為縫寬)及其直線性，又能阻止軌道左右移動，釋放豎向疲勞荷載。

方案2：在方案1的基礎上做進一步改進，軌道伸縮縫處設置變厚度耳板和普通螺栓，耳板上開長圓孔螺栓，一方面防止扣件松動時軌道左右、上下移動；另一方面，即使溫度作用下扣件松動，軌道能拉伸、壓縮(縱向變形幅度為長圓孔長度的一半)，但不能上下或左右移動，因此依然不會影響軌道的正常使用。

2種方案雖都能解決軌道的間距、高程差超標問題，但是采用方案1軌道伸縮縫處理方式，縫兩側軌道固定系統(tǒng)的整體剛度較好(圖8)。

圖8 卸料小車軌道固定系統(tǒng)改進措施

5)設置長鋼軌時，2個筒倉間結構伸縮縫部位將由軌道來承擔縫兩側結構的變形協(xié)調(diào)作用，疲勞荷載長期作用下，結構縫附近鋼軌將出現(xiàn)彎曲變形，同時伴隨局部磨損，因此不建議采用長鋼軌來解決伸縮縫處的軌道問題。

此外，溫度作用下，若不考慮壓板扣件對長鋼軌約束的影響，單軌(軌道長275 m，溫差取28 ℃)縱向變形為93 mm，若該變形完全被扣件約束，則所需縱向力為784 kN。該作用力將完全通過扣件傳遞給軌道梁，平均每根柱子承受附加溫度作用65.3 kN，其下部盆式橡膠支座均為固定支座，這意味著每列筒倉由于采用長軌道，溫度作用下，固定支座的附加水平力將平均增大65.3 kN。當然，水平力均勻分布給每個筒倉柱子屬于理想狀態(tài)，一旦個別筒倉扣件松動，無法固定住軌道，則存在其他筒倉柱子水平力大于65.3 kN的情況，這對盆式橡膠固定支座的影響將是無法預知的，存在較大的安全隱患。

6)若扣件不采用雙螺母而采用單螺母點焊固定形式，或軌道采用間斷焊縫焊接，直接將扣件或軌道焊接于軌道梁或其墊板上，雖然能在一定程度上緩解軌道左右移位、扣件松動脫落等問題，但由于軌道和下部軌道梁完全成為整體，振動荷載作用下，施加給軌道的疲勞荷載全部傳遞給下部軌道梁，反復作用下可能造成工程事故。此外，一旦出現(xiàn)啃軌現(xiàn)象，軌道焊接在鋼梁上換軌困難，而且不利于溫度應力釋放。

7)針對卸料小車軌道及其扣件脫落松動問題，一方面可根據(jù)螺母的松動周期定期對扣件進行檢修、對松動螺母進行緊固、對軌道直線性或豎直度進行校正，同時，采用方案1的局部改進方式，以滿足卸料小車軌道運行要求；另一方面，也可考慮采用柔性鋼軌固定系統(tǒng)或高鐵軌道固定系統(tǒng)中彈條扣件代替?zhèn)鹘y(tǒng)軌道固定系統(tǒng)。

4 柔性軌道固定系統(tǒng)

傳統(tǒng)卸料小車鋼軌固定系統(tǒng)采用鋼對鋼的方式解決軌道附加內(nèi)力問題，而柔性軌道固定系統(tǒng)通過釋放部分附加內(nèi)力的方式來解決，主要體現(xiàn)在鋼墊板與鋼軌之間彈性橡膠墊板的設置與壓板使用2個方面：

1)鋼墊板與鋼軌之間鋪設彈性橡膠墊板。橡膠墊板和具有橡膠壓頭的壓板配合使用，形成一個彈性基礎，可消除鋼軌與鋼墊板之間的點接觸現(xiàn)象，使鋼墊板更趨于均勻受壓，減小應力集中和疲勞應力(圖9)。在使用壽命方面，膠墊板材料是由經(jīng)硫化合成橡膠板制成，內(nèi)鑲有增強鋼片，抗磨損、抗擠壓、抗剪切等性能較好。

圖9 柔性軌道固定系統(tǒng)

2)軌道固定系統(tǒng)采用專利壓板。該壓板的特點在于“鋼對鋼”側向固定鋼軌，“柔克鋼”垂直方向以彈性力固定鋼軌。壓板總成由壓板夾和底座組成，壓板夾通過橡膠鼻子作用向下的力固定鋼軌，橡膠鼻子是合成橡膠經(jīng)硫化處理壓合在壓板夾上。壓板總成具有雙面楔連接，可產(chǎn)生自鎖功能，保證軌道直線度和軌距不發(fā)生變化，可極大地提高設備運行的平穩(wěn)度和安全性。此外，專利壓板還具有側向調(diào)節(jié)特性，與普通軌道壓板相比，該壓板可提供更寬泛的側向調(diào)整范圍，同時確保壓板側向“鋼對鋼”地固定住鋼軌。軌道壓板有一個高強度橡皮鼻子以彈性力壓緊鋼軌，可吸收“曲弓波”力。

卸料小車荷載作用下，結構產(chǎn)生橫向變形(圖5)，軌道兩端的壓板會受到不同的作用力，受壓一側的壓板膠鼻會被壓縮，松弛一側的壓板膠鼻會伸長。這種柔性作用使軌道始終處于被壓緊狀態(tài)，壓板可一直有效地固定住鋼軌。發(fā)生沿軌道縱向方向的變形時也同理(圖6)。通過壓板膠鼻的自適應變形作用，壓板在卸料小車荷載反復作用下受到反復擠壓和松弛的作用大大降低，極大地緩解了扣件松動和脫落問題。

柔性軌道固定系統(tǒng)對軌道扣件傳力方式進行了很大改進，減震效果較好，但是研究發(fā)現(xiàn)，該固定系統(tǒng)大量應用于混凝土剛性基礎上[5](圖10)。一般認為柔性基礎上的減震效果不如坐落在剛性基礎上，但是，在諸如筒倉頂鋼廊道內(nèi)，柔性軌道固定系統(tǒng)的減震效果必然優(yōu)于傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng)，具體的減震效果和減震程度取決于筒倉頂部鋼桁架的整體剛度、卸料小車的使用頻繁程度及使用規(guī)律性。

圖10 混凝土剛性基礎上柔性軌道固定系統(tǒng)

從曹妃甸某大型工業(yè)廠房柔性軌道固定系統(tǒng)應用看，其在工業(yè)廠房中應用效果較好，可大大延長吊車梁軌道免維護時間。柔性軌道固定系統(tǒng)在使用1年多時間內(nèi)尚未出現(xiàn)影響生產(chǎn)的大修現(xiàn)象，但個別地方扣件局部維護依然存在。

5 高鐵軌道固定系統(tǒng)

考慮到高鐵軌道標準扣件與卸料小車QU100軌道無法匹配，因而根據(jù)卸料小車運營環(huán)境，可設計出傳力方式類似于高鐵標準扣件的彈條扣件固定系統(tǒng)，見圖11?？奂晒潭ò?、彈條、軌下墊板組成，軌下墊板采用TPEE(熱塑性聚酯彈性體)材料，TPEE具有結構強度高、耐蠕變性好、回彈性優(yōu)異、抗沖和耐彎曲疲勞、耐磨、尺寸穩(wěn)定等特點。此外，它還能抵制許多工業(yè)化學品、油和溶劑導致的腐蝕，適用于筒倉頂部作業(yè)環(huán)境。與橡膠材料相比，TPEE材料的使用壽命更長，而且耐壓縮變形能力更強。TPEE墊板位于鋼軌與軌道梁之間，承受過往每一個車輪移動時產(chǎn)生的沖擊和擠壓載荷，有效降低和緩沖了車輪通過鋼軌時所產(chǎn)生的沖擊和振動?？偟恼f來，彈條扣件具有一定的自動減震作用，可有效防止扣件松弛，減小鋼軌的縱向移動和橫向移動，大大減小養(yǎng)護維修工作量。但彈條扣件的缺點是，與傳統(tǒng)扣件相比，依然是鋼對鋼地從橫向和縱向2個方向約束鋼軌，一旦出現(xiàn)施工、安裝誤差或設備操作不當造成扣件和鋼軌較勁的現(xiàn)象發(fā)生，彈條扣件不能像柔性鋼軌固定扣件那樣，在橫向通過橡膠鼻子產(chǎn)生一定的內(nèi)力釋放，勢必會通過扣件彈條抵抗橫向荷載，較勁嚴重的地方將出現(xiàn)彈條斷裂。根據(jù)高速鐵路軌道線路維修規(guī)則，高鐵軌道扣件需要進行定期檢查、維修[6]，預測設計的專用彈條扣件定期巡視、維護時間為1～3個月。

圖11 高鐵彈條扣件方案

高鐵彈條扣件用于卸料小車軌道固定，須對卸料小車運營環(huán)境關鍵部位(軌道伸縮縫處、倉頂鋼廊道伸縮處和跨中等)進行實際變形測量；其次對彈條扣件進行設計，并在工廠進行扣件試生產(chǎn)，然后，對扣件性能進行試驗研究；最后，選取一列筒倉進行試驗，對受力關鍵部位，調(diào)查、研究扣件使用效果，若扣件受力和使用效果顯著，則進行推廣使用。

6 柔性軌道固定系統(tǒng)與高鐵軌道固定系統(tǒng)比較

柔性軌道固定系統(tǒng)和高鐵彈條扣件抗水平力最大值見表4。由表4可以看出，單個柔性軌道固定系統(tǒng)的抗橫向水平力最大值120 kN大于彈條扣件70 kN，一條軌道荷載作用區(qū)域內(nèi)共12對扣件對抵抗橫向力起主要作用，總抗力最小為840 kN，而單個輪子橫向水平力11 kN，一條軌道共8個輪子，共88 kN，因此，2種軌道扣件均能夠滿足抗橫向水平力的要求。對于單個彈條扣件，抗縱向水平力10 kN，一條軌道荷載作用區(qū)域內(nèi)共12對扣件對抵抗縱向力起主要作用，總抗力為240 kN，而單個驅動輪縱向水平力20 kN，12個驅動輪，一條軌道總縱向水平力120 kN，扣件縱向水平力仍滿足要求。柔性軌道固定扣件受力特性是在縱向有自鎖功能，因此，抗縱向水平力最小應為壓板底板沿縱向焊縫的受剪承載力(F=101 kN)和橡膠鼻子與軌道接觸面的縱向摩擦力較小值即6.1 kN，扣件縱向總抗力為146.4 kN，大于一條軌道總縱向水平力120 kN，扣件縱向水平力滿足要求。

表4 柔性軌道固定系統(tǒng)和彈條扣件抗水平力參數(shù)

綜上所述，柔性軌道固定系統(tǒng)的抗橫向水平力大于彈條扣件，而抗縱向水平力略小于彈條扣件，但是，2種扣件在抵抗橫向和縱向受力方面均能滿足設計要求。

柔性軌道固定系統(tǒng)與彈條扣件同一時間的市場詢價見表5。從表5可以看出，僅從材料費用方面，柔性軌道固定系統(tǒng)大于彈條扣件，均高于傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng)，但是，考慮到彈條扣件的非標準性增加了設計費用和扣件生產(chǎn)模具費用，其總費用之和略高于柔性軌道固定系統(tǒng)。

表5 柔性軌道固定系統(tǒng)和高鐵彈條扣件系統(tǒng)價格

總體來看，柔性軌道固定系統(tǒng)效果較好，尤其在釋放卸料小車振動荷載方面，可較好地減少疲勞荷載對軌道梁的損傷。一方面，柔性軌道固定扣件不僅從豎向減小振動作用對軌道梁的影響，還可以從橫向釋放一定的側向力，抗縱向水平力也能滿足設計要求；另一方面，柔性軌道固定扣件更換較為方便，綜合材料價格更低(表6)。

表6 柔性軌道固定系統(tǒng)和高鐵彈條扣件比較

7 結論

1)無論采用何種軌道固定系統(tǒng)，均無法做到軌道扣件永久免維護，仍須對軌道扣件進行定期檢查、維護。

2)柔性基礎上傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng)出現(xiàn)的上述問題是由軌道基礎受力特性和疲勞荷載反復作用決定的，可從軌道施工與維護、卸料小車使用等各方面綜合考慮，最大程度地減緩扣件問題帶來的困擾，但無法從根本上解決扣件問題，做到一勞永逸。

3)與傳統(tǒng)軌道固定系統(tǒng)相比，柔性軌道固定系統(tǒng)對軌道扣件的傳力方式進行了很大改進，在剛性基礎軌道工程和部分工業(yè)廠房吊車軌道中應用效果較好，可大大延長軌道免維護時間。

對于使用頻率較高(如吊車梁工作制級別為A5～A8時)和荷載較大時(如卸料小車、額定起重質量超過20 t橋式吊車)，均建議優(yōu)先考慮采用柔性軌道固定系統(tǒng)，并合理縮小扣件間距，以延長軌道扣件免維護時間。

4)采購卸料小車設備時優(yōu)先考慮軌道采用現(xiàn)行高鐵通用軌道的可行性，減少非標扣件用于卸料小車軌道的情況，為高鐵軌道扣件在相關工程領域推廣使用創(chuàng)造條件。