复合木桥枕和轨距可调扣件的研制及其运用

2016-10-14赵继华

铁道勘察 2016年4期

关键词：轨距木桥弹性体

赵继华

(北京铁路局工务处，北京　100055)

复合木桥枕和轨距可调扣件的研制及其运用

赵继华

(北京铁路局工务处，北京100055)

在借鉴国内外现有FFU轨枕和橡塑轨枕的基础上，提出在木枕外围整体包覆聚氨酯弹性体形成复合桥枕的方案，既保持了木桥枕的各项力学性能，又延长了使用寿命，做到了制作环保，使用免维修。通过增设轨距调整块方式对原有铁垫板进行改造，实现不拧卸螺纹道钉即可对线路轨距、高低进行调整。北京铁路局管内的京广、丰沙等线使用了该技术，四年内没有出现任何安全和质量问题。

复合桥枕聚氨酯弹性体铁垫板调整块

我国铁路钢桥明桥面均使用木桥枕。木桥枕具有弹性好、重量轻、绝缘性强、制作简单的特点，但其使用年限短、开裂失效严重、改道后持钉力差、每年投入养护成本高等弊端一直没有解决。再加上，木桥枕在生产制作过程中注油能耗大、不环保，许多地区已禁止生产。

明桥面保养周期为3～6个月，综合维修周期为2～3年，桥枕修理作业一直是桥隧维修的主要项目，职工劳动强度大，防腐用煤焦油或油膏有损职工身体健康，且桥枕修理要在天窗点内完成，占用工时多，极大影响桥隧维修生产效率。

要使木桥枕达到寿命长、免维修、全环保、低投入、调整线路轨距和高低作业简单的要求，必须从木桥枕的制作工艺、维修养护方法找到突破口，从根本上解决目前木桥枕存在的问题[1-15]。

1　原因分析和解决对策

1.1原因分析

影响木桥枕使用寿命的主要原因：

(1)桥上线路轨距、高低调整及更换防磨垫板时，往往通过拧卸固定铁垫板的螺纹道钉来完成，这就造成了区域性木纤维的破坏，多次拧卸螺纹道钉会使木桥枕失去持钉力。

(2)木桥枕直接暴露在大气中，经风吹、日晒、雨淋、冰冻和列车冲击，造成木桥枕腐朽或通裂而失效。

(3)素桥枕未烘干、注油深度不足，致使木桥枕刚上桥其表面就开裂。

(4)维修工作量大，维修养护不到位、不及时，小缺陷发展成大缺陷，导致木桥枕过早失效。

1.2解决对策

(1)复合桥枕方案的确定

几十年来木桥枕的生产工艺和维修手段就没有改变过，要想使其做到长寿命、免维修、全环保，必须通过科技创新改变现有木枕的结构形式、生产工艺和维修手段。在鉴借国内外现有FFU轨枕和橡塑轨枕基础上，通过比选确定采用聚氨酯弹性体包裹素木桥枕形成复合桥枕来替代现有木桥枕，既发挥了聚氨酯弹性体耐候、耐腐蚀、抗老化、高绝缘、防水性好的特点，又利用了木材弹性好、重量轻、制作简单的优点。

复合桥枕由木材内芯和聚氨酯弹性体保护层构成(如图1)。其承力方式和原桥枕相同，采用聚氨酯弹性体保护层，可有效防止木桥枕腐朽、开裂，延长木桥枕的使用寿命(可使用30年以上)，且做到了免维修。

图1　复合桥枕结构示意

(2)轨距可调铁垫板方案的确定

影响木桥枕使用寿命另一个重要原因是当桥上线路轨距、高低调整或更换防磨垫板时，需拧卸固定铁垫板的螺纹道钉来完成，多次拧卸螺纹道钉会造成木桥枕持钉力不足。为实现螺纹道钉不动就可完成轨距、高低的调整，需对现有铁垫板和螺纹道钉进行改造。在铁垫板螺栓孔的位置挖孔，并配备与之配套的不同型号轨距调整块，使铁垫板可左右移动，以达到调整轨距的目的(如图2)。

图2　轨距可调铁垫板结构示意

把原来固定铁垫板螺纹道钉的钉头改换为螺母，在调整轨道水平、高低时只要松开螺母，更换不同型号的轨距调整块和不同厚薄的垫板，就可顺利地完成桥上线路轨距、高低的调整。

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2　复合桥枕方案设计及制作

2.1保护层材料选择

目前，使用较多的高分子弹性体主要有橡胶、塑料和聚氨酯，其中橡胶和塑料材料耐老化性差，不适合木桥枕使用环境。聚氨酯弹性体具有良好的弹性，其耐水性、耐酸碱性能、耐候性能、绝缘性能好，适合与木材进行复合。因此，选择聚氨酯弹性体作为木枕的保护层。

2.2聚氨酯弹性体保护层厚度比选

为确定合理的保护层厚度，选择长度0.5m标准断面的木桥枕，且保护层分别为为0mm、3mm、5mm、10mm的试块各两块(见图3)，在铁科院铁建所桥梁实验室进行弹性模量和强度试验(见图4)，试验结果见表1。

图3　试块

图4　试验情况

试验项目0mm木枕3mm复合枕5mm复合枕10mm复合枕弹性模量/MPa65.4268.5369.3567.26强度/kN134195195195

试验结果表明：

(1)复合木桥枕抗压弹性模量略大于普通木枕；强度提高较大，复合木枕较普通木桥枕极限承载能力提高25%以上。

(2)聚氨酯包覆厚度对复合桥枕弹性模量、强度影响不大。从工艺和性价比考虑，保护层厚度为3～5mm最经济。

2.3复合桥枕的制作

图5　模铸成品示意

3　轨距可调铁垫板设计

3.1轨距可调铁垫板结构设计和组成

轨距可调铁垫板由铁垫板(图6)、调整块(图7)和紧固件(包括螺纹道钉、紧固螺帽、弹垫、防松螺帽)组成，其安装后如图8所示。

图6　轨距可调铁垫板示意

图7　不同规格调整块示意

图8　整体安装示意

调整块有0号、2号、4号、6号四种规格，0号指圆孔在调整块正中心，2号指圆孔中心偏离中心2mm，4号、6号依次偏离4mm、6mm。调整范围是单股钢轨左右±6mm；轨距调整范围±12mm，调整级差±2mm。

3.2轨距调整方法

调整轨距时，先卸下螺纹道钉上的两个螺帽，从铁垫板上将4个调整块全部取出，在螺纹道钉不动的前提下，可左右移动铁垫板，移动铁垫板几毫米，则选用几号调整块重新装入并旋紧螺纹道钉上的两个螺帽，达到调整轨距的目的，图9为一块铁垫板一侧更换调整块后的示意。

图9　更换调整块示意

4　轨距可调铁垫板室内试验

轨距可调铁垫板样品加工完成后，在铁科院高速铁路轨道技术国家重点实验室进行轨距调整范围测试和200万次组装疲劳试验。

(1)轨距调整范围，单股钢轨左右位置调整量为±6mm；轨距调整量为±12mm；调整级差±2mm。

(2)因没有木枕扣件组装疲劳试验标准，本试验参照TB/T2491—94《扣件组装疲劳试验方法》进行，试验参数为：垂向力70kN、横向力37kN、荷载循环200万次、加载频率4±1Hz。200万次疲劳试验后，未见螺纹道钉上部螺帽出现松动，轨距扩大满足≤5mm的要求。

5　现场应用效果

在力学性能检测数据支持下，2013年和2014年分别在运输繁忙和重载的京广238桥(直线桥)、丰沙线35号桥(曲线桥)使用了复合桥枕和轨距可调扣件。到目前为止，最早铺设期已达四年，通过追踪检查，复合桥枕和轨距可调扣件没有出现任何质量问题，线路几何尺寸保持良好，真正做到了保安全、长寿命、免维修、全环保(如图10)。2016年我局还将津山、石德、京承、丰沙五座桥的2217根桥枕更换为复合木桥枕。