劉超

1.軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中鐵一院），西安710043

彈性支承塊式無(wú)砟軌道及配套采用的預(yù)埋鐵座扣件具有造價(jià)經(jīng)濟(jì)、彈性優(yōu)良、減振降噪、養(yǎng)護(hù)維修量低、更換簡(jiǎn)便、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外客貨共線鐵路中得到廣泛應(yīng)用［1-5］。隨著彈性支承塊式無(wú)砟軌道鋪設(shè)里程的增加和既有工程服役時(shí)間的攀升，一些工點(diǎn)對(duì)彈性支承塊式無(wú)砟軌道預(yù)埋鐵座扣件的調(diào)高需求越來(lái)越大［6-10］。受限于預(yù)埋鐵座扣件本身的設(shè)計(jì)思路，客貨共線鐵路彈性支承塊式無(wú)砟軌道預(yù)埋鐵座扣件的調(diào)高能力為0～10 mm。部分工點(diǎn)進(jìn)行最大10 mm的高程調(diào)整后依然難以滿足軌道平順性需求，不可避免地加速了軌道結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生晃車(chē)現(xiàn)象，影響旅客乘坐舒適性并存在安全隱患。因此，有必要針對(duì)既有預(yù)埋鐵座扣件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決其在既有線服役中調(diào)高量不夠的問(wèn)題。

本文以客貨共線鐵路彈性支承塊式無(wú)砟軌道預(yù)埋鐵座扣件為研究對(duì)象，研究大調(diào)高的方法，并對(duì)既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件進(jìn)行試制和疲勞測(cè)試。

1 既有預(yù)埋鐵座扣件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

預(yù)埋鐵座扣件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固可靠，要求將預(yù)制的鐵座澆筑在混凝土支承塊內(nèi)，組成預(yù)制基底結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場(chǎng)將配套橡膠墊板、調(diào)高墊板、絕緣軌距塊、T形螺栓、軌距擋板、彈條、平墊圈和蓋形螺母進(jìn)行組裝，扣壓鋼軌。

為了解決既有扣件調(diào)高能力不足的問(wèn)題，采用三種方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足扣件使用條件的前提下使其調(diào)高量達(dá)到20 mm。優(yōu)化前后的預(yù)埋鐵座扣件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（左側(cè)為既有扣件未調(diào)高狀態(tài)，右側(cè)為改進(jìn)型扣件調(diào)高20 mm狀態(tài)）。

圖1 既有預(yù)埋鐵座扣件結(jié)構(gòu)示意

1）加長(zhǎng)T形螺栓

為避免在進(jìn)行大調(diào)高后螺栓緊固區(qū)長(zhǎng)度不足，將扣件T形螺栓進(jìn)行加長(zhǎng)10 mm處理。

2）采用框架盒式軌距擋板

既有軌距擋板在大調(diào)高后整體框架剛度減小，穩(wěn)定性變差。為了保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，針對(duì)性設(shè)計(jì)框架盒式軌距擋板，如圖2所示。其特有的盒式包裹結(jié)構(gòu)能夠提供更有力的整體支撐。

圖2 框架盒式軌距擋板

框架盒式軌距擋板前后開(kāi)設(shè)了與預(yù)埋鐵座對(duì)應(yīng)的孔，兩孔之間設(shè)有與T形螺栓對(duì)應(yīng)的孔?？蚣芎惺杰壘鄵醢鍍?nèi)側(cè)端面上部設(shè)置與絕緣軌距塊對(duì)應(yīng)的凹槽，頂面外側(cè)設(shè)置與彈條對(duì)應(yīng)的凹槽?？蚣芎惺杰壘鄵醢鍨槿鄙俚酌娴暮畜w形狀，與預(yù)埋鐵座和T形螺栓對(duì)應(yīng)的開(kāi)孔均開(kāi)設(shè)在盒體頂面上。

3）采用拼合式塊下支承墊

在既有預(yù)埋鐵座扣件的基礎(chǔ)上增加拼合式塊下支承墊，如圖3所示。

圖3 拼合式塊下支承墊

支承墊直接扣壓在混凝土支承塊上，在其上部依次組裝預(yù)埋鐵座扣件各部件。支承墊采用拼合式組裝結(jié)構(gòu)，左右兩塊單板分別為扣子單板和扣母單板，整體中部有前后兩個(gè)開(kāi)孔，與預(yù)埋鐵座對(duì)應(yīng)；整體尾部有兩個(gè)向下的凸起，與支承塊緊密扣壓?？圩訂伟逵覀?cè)端面設(shè)置有橫向凸起的連接扣，外端向下呈鉤狀；扣母單板表面左側(cè)設(shè)置開(kāi)槽，與扣子單板的連接扣形狀對(duì)應(yīng)；扣子單板的連接扣自上而下嵌入扣母單板的開(kāi)槽，二者組成拼合式調(diào)高墊板。拼合式調(diào)高墊板的厚度可根據(jù)需求選用10 mm。

2 調(diào)高扣件的試制與測(cè)試

根據(jù)扣件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在廠內(nèi)試制加高20 mm的組裝件，如圖4所示。調(diào)高扣件的疲勞測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分別參照TB/T 2491—1994《扣件組裝疲勞試驗(yàn)方法》［11］、Q/CR 564—2017《彈條Ⅱ型扣件》［12］和TB/T 3396.4—2015《高速鐵路扣件試驗(yàn)方法第4部分：組裝疲勞性能試驗(yàn)》［13］執(zhí)行。

圖4 改進(jìn)型扣件組裝件

采用JNT6402型液壓脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)型扣件進(jìn)行組裝疲勞試驗(yàn)（圖5），記錄試驗(yàn)后軌距擴(kuò)大、零部件損傷等情況。

圖5 疲勞性能測(cè)試

2.1 扣件疲勞測(cè)試一

參照TB/T 2491—1994的扣件疲勞測(cè)試試驗(yàn)方法進(jìn)行扣件疲勞測(cè)試。疲勞試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試一的疲勞試驗(yàn)條件（TB/T 2491—1994）

試驗(yàn)步驟如下：

1）用2套既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件將2根高為100 mm的特制矮鋼軌組裝在預(yù)制混凝土支承塊上（調(diào)高20 mm），擰緊螺母扭矩至規(guī)定組裝扭矩，下壓彈條使中間扣壓端下額與軌距塊上表面接觸。用剛性框架將2組支承塊固定在試驗(yàn)機(jī)加載千斤頂下的工作平臺(tái)上。

2）對(duì)加力架施加140 kN荷載，然后卸載，再對(duì)試驗(yàn)組裝系統(tǒng)施加10～150 kN的循環(huán)荷載，重復(fù)1 000次。對(duì)螺母按規(guī)定復(fù)擰，用道尺測(cè)定加力架兩側(cè)的軌距，取平均值Gs為初始軌距。

3）對(duì)加力架施加脈沖荷載，循環(huán)200萬(wàn)次，停止試驗(yàn)。檢查扣件是否有損壞、嚴(yán)重變形及零件磨損失效情況；用道尺測(cè)量加力架兩側(cè)的軌距，取平均值Ge為試驗(yàn)最終軌距。

4）軌距擴(kuò)大量ΔG=Ge-Gs。

測(cè)試結(jié)果：軌距擴(kuò)大值ΔG=2.3 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)6 mm，且扣件零部件無(wú)損壞，滿足要求。

2.2 扣件疲勞測(cè)試二

參照Q/CR 564—2017的扣件疲勞測(cè)試試驗(yàn)方法進(jìn)行扣件疲勞測(cè)試。疲勞試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試二的疲勞試驗(yàn)條件（Q/CR 564—2017）

試驗(yàn)步驟如下：

1）用2套既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件將2根高為130 mm的特制矮鋼軌組裝在預(yù)制混凝土支承塊上（調(diào)高20 mm），擰緊螺母扭矩至規(guī)定組裝扭矩，下壓彈條使中間扣壓端下額與軌距塊上表面接觸。用剛性框架將2組支承塊固定在試驗(yàn)機(jī)加載千斤頂下的工作平臺(tái)上。

2）將加力架放置在兩股短鋼軌中部，加力架與試驗(yàn)機(jī)加載頭對(duì)中，試驗(yàn)機(jī)垂向總荷載為10～150 kN。首先對(duì)加力架施加150 kN荷載，然后卸載，重復(fù)10次；再對(duì)試驗(yàn)組裝系統(tǒng)施加循環(huán)荷載，從最小10 kN到最大150 kN。

3）完成最初1 000次循環(huán)加載后卸載，測(cè)量軌頭相對(duì)軌枕固定點(diǎn)的相對(duì)距離，記為初始距離T1。經(jīng)過(guò)300萬(wàn)次循環(huán)加載后卸載，停止試驗(yàn)。卸載4 h后再次測(cè)量該距離，記為疲勞后距離T2。同時(shí)檢查扣件是否有損壞、嚴(yán)重變形及零件磨損失效情況。

4）軌距擴(kuò)大量ΔG=2×（T2-T1）。

測(cè)試結(jié)果：軌距擴(kuò)大值ΔG=4.5 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)6 mm，且扣件零部件無(wú)損壞，滿足要求。

2.3 扣件疲勞測(cè)試三

參照TB/T 3396.4—2015的扣件疲勞測(cè)試試驗(yàn)方法進(jìn)行扣件疲勞測(cè)試。疲勞試驗(yàn)條件見(jiàn)表3。

表3 測(cè)試三的疲勞試驗(yàn)條件（TB/T 3396.4—2015）

試驗(yàn)步驟如下：

1）用2套既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件將2根高為161 mm的特制矮鋼軌組裝在預(yù)制混凝土支承塊上（調(diào)高20 mm），擰緊螺母扭矩至規(guī)定組裝扭矩，下壓彈條使中間扣壓端下額與軌距塊上表面接觸。用剛性框架將2組支承塊固定在試驗(yàn)機(jī)加載千斤頂下的工作平臺(tái)上。

2）將加力架放置在兩股短鋼軌中部，加力架與試驗(yàn)機(jī)加載頭對(duì)中，試驗(yàn)機(jī)垂向總荷載為10～140 kN。首先對(duì)加力架施加140 kN荷載，然后卸載，重復(fù)10次；再對(duì)試驗(yàn)組裝系統(tǒng)施加循環(huán)荷載，從最小10 kN到最大140 kN。

3）完成最初1 000次循環(huán)加載后卸載，測(cè)量軌頭相對(duì)軌枕固定點(diǎn)的相對(duì)距離，記為初始距離S1。經(jīng)過(guò)300萬(wàn)次循環(huán)加載后卸載，停止試驗(yàn)。卸載4 h后再次測(cè)量該距離，記為疲勞后距離S2。同時(shí)檢查扣件是否有損壞、嚴(yán)重變形及零件磨損失效情況。

4）軌距擴(kuò)大量ΔG=2×（S2-S1）。

測(cè)試結(jié)果：軌距擴(kuò)大值ΔG=3.1 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)6 mm，且扣件零部件無(wú)損壞，滿足要求。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，幾何形位保持能力強(qiáng)，但對(duì)基礎(chǔ)變形適應(yīng)能力較差。因此，當(dāng)沉降變形超出扣件調(diào)整能力，線路不平順無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)要求時(shí)，往往須將無(wú)砟軌道破除重建，滿足通行標(biāo)準(zhǔn)后再恢復(fù)正常通車(chē)，投資費(fèi)用約490萬(wàn)元/km。此外，彈性支承塊式無(wú)砟軌道多用于速度160 km/h及以下的標(biāo)準(zhǔn)客貨共線鐵路，多為單線鐵路。如在既有無(wú)砟軌道地段進(jìn)行拆除重建作業(yè)，在滿足線路通行標(biāo)準(zhǔn)前有約30 d的斷道施工期，斷道時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)既有線影響大。

采用既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件進(jìn)行整治。步驟為：①拆除調(diào)整范圍內(nèi)的預(yù)埋鐵座扣件并將鋼軌抬高；②更換T形螺栓，并在橡膠墊板和支承塊表面之間增加拼合式調(diào)高墊板；③在橡膠墊板和鋼軌底面之間使用微調(diào)墊板調(diào)整；④安裝框架盒式軌距擋板，將預(yù)埋鐵座扣件裝回。

改造費(fèi)用約119萬(wàn)元/km。既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件改造可在天窗時(shí)間施工，不影響正常運(yùn)營(yíng)。相較于無(wú)砟軌道拆除重建，采用既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件，可節(jié)約造價(jià)約371萬(wàn)元/km，并可大大縮短線路整修周期。

4 結(jié)論

1）基于既有預(yù)埋鐵座扣件的優(yōu)化改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)扣件最大20 mm調(diào)高量。

2）既有預(yù)埋鐵座扣件的大調(diào)高量可通過(guò)加長(zhǎng)T形螺栓、框架盒式軌距擋板和拼合式塊下支承墊實(shí)現(xiàn)，其他部分繼續(xù)沿用扣件既有部件，對(duì)扣件改動(dòng)小。

3）參照不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞測(cè)試，既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件最大軌距擴(kuò)大量為4.5 mm，且零部件無(wú)損壞，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4）既有預(yù)埋鐵座改進(jìn)型扣件不僅能夠節(jié)約工程造價(jià)，還能縮短施工周期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。