基于Ⅱ型弹条的小半径曲线扣件设计研究

陈　漫，肖杰灵，张　波，刘淦中，刘　成

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都　610031；2.广州铁路公司衡阳工务段，湖南衡阳　421200)



基于Ⅱ型弹条的小半径曲线扣件设计研究

陈漫1，肖杰灵1，张波2，刘淦中1，刘成1

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都610031；2.广州铁路公司衡阳工务段，湖南衡阳421200)

通过对既有普通线路小半径曲线扣件系统存在的弹条扣压力衰减快、轨距块断裂、垫板裂化等问题展开小半径曲线用扣件系统优化研究。在II型扣件系统基础上，增设12 mm厚铁垫板和4 mm厚的尼龙垫片，将挡板座与铁垫板一体化设计，共同承担钢轨传来的横向力，改进后的扣件系统与Ⅲa型轨枕配套使用，轨距调整量可达18 mm，满足小半径曲线轨距加宽15 mm的使用要求。并用有限元软件计算弹条采用不同半径时的各项技术指标，结果表明：弹条直径选用14 mm时，扣压力较大，最大等效应力和弹程适当，各项性能最优。将设计优化后的扣件系统在某编组站溜放线进行试装，接近1年的使用表明该扣件系统应用状况良好，未出现弹条松动、轨距扩大现象，Ⅲa型轨枕的病害也大大减少。

小半径曲线；扣件系统；弹条；轨距加宽；Ⅲa型轨枕

扣件系统是钢轨与轨枕(轨道板之间)的联结零件，是轨道结构的重要组成部分。扣件系统能起到保持钢轨的几何形位等作用，也是影响轨道结构力学性能的关键部件[1]。小半径曲线轨道作为普通铁路线路三大薄弱环节之一，受力情况比直线上复杂得多，扣件系统易发生弹条磨损、折断，轨距块翘曲、断裂，垫板裂化等病害[2]。因此，小半径曲线对扣件系统要求更为严格。我国目前钢轨扣件主要有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，Ⅰ型扣件由于强度安全储备小、扣压力相对不足、弹条易损坏等原因不适合在小半径曲线上应用；Ⅱ型扣件是在Ⅰ型扣件基础上研制的，具有扣压力大、强度安全储备大、残余变形小等优点，但仍保留了挡肩，在小半径曲线上应注意轨距扩大问题；Ⅲ型扣件为无挡肩无螺栓弹性扣件，保持轨距能力特别强，但其适用范围为直线和大半径曲线地段[3]。考虑到小半径曲线上扣件系统的恶劣使用环境，相关单位及学者尝试了多种改进办法：1964年，铁科院设计了一种预先在轨枕钉孔位置上埋设螺钉套管的无肩混凝土枕，用螺钉直接承受剪力来代替挡肩，在浙赣线的小半径曲线上进行了试铺，由于单个扣件承受的横向力较大，一大半的螺钉都被挤弯[4]；1972年，铁科院联合多家单位开发设计出了72-1型、72-2型、72-3型3种无挡肩轨枕，由于采用了直径32 mm的加强螺钉，可以承受较大的横向力，但扣件的传力方式有缺点未推广使用[5]；1973年，铁科院改善扣件的传力方式，重新设计了73-1型无挡肩扣件，在昆明局小半径曲线上进行了试铺，经过5年的运营，扣件未发现损坏和磨耗，轨距保持良好[6]；2004年成都局开发了Ⅲb型混凝土轨枕，将其配套使用的橡胶垫板及Ⅲ型弹条在管内小半径曲线上进行了试铺，上道使用不久后发现Ⅲ型弹条扣压力衰减较快，尤其是小半径曲线换轨频繁，换轨后扣压力衰减很快，许多扣件用简易工具便能轻易退出，给铁路运输带来了安全隐患。不少扣件在安装或使用过程中出现断裂、弹出现象，危及线上工人的生命安全。该扣件配套使用的轨下胶垫厚10 mm，在小半径曲线地段弹性不足，致使钢轨波纹等病害突出[7-8]。

综上所述，用无挡肩扣件替换有挡肩扣件可以解决小半径曲线轨距扩大问题，减少扣件病害，但目前小半径曲线上铺设的混凝土枕很大部分没有达到失效状态，全部用无挡肩轨枕替代，成本太大[6]。为此，本文在普遍使用的Ⅱ型弹条扣件基础上，设计了与Ⅲa型轨枕配套使用的Ⅱ型弹条扣件，在小半径曲线上进行了试铺，观测使用效果。

1　扣件系统优化方案设计

《铁路线路修理规则》规定：曲线半径R<300 m曲线需加宽15 mm。而目前现有新Ⅱ型、Ⅲa型、YⅡ-F型预应力混凝土有挡肩轨枕标准图的承轨槽的尺寸与扣件系统大多按轨距1435 mm设置，50、60 kg/m钢轨扣件系统的轨距调整量为-8～+12 mm，不能满足曲线加宽需求。在小半径曲线上由于钢轨承受的横向力较大，钢轨外翻严重，造成弹条工作变形大于设计值，使弹条出现超容许工作应力而发生残余变形，出现扣压力衰减和折断，小半径曲线轨道的严峻运营条件对弹条的强度要求很高。

为满足小半径曲线轨道轨距加宽需求，解决在小半径曲线轨道上弹条残余变形过大，扣压力衰减，弹条松动，使橡胶垫板具有良好的弹性和足够的强度以及在荷载作用下发生合理的变形减少钢轨外翻和轮轨动力作用，从而减少波浪磨耗，为满足运输要求确保行车安全，决定从以下方面对扣件系统进行改进：

(1)研究Ⅱ型弹条直径改变时其各项技术指标变化规律，从中选出一个最佳直径；

(2)将挡板座与铁垫板一体化设计，共同承担轨距挡板传来的横向力，改善轨枕挡肩受力；

(3)加深Ⅲa型轨枕承轨槽深度，对扣件系统的弹条、轨距挡板进行尺寸微调，达到曲线加宽15 mm的需求，螺旋道钉的长度也相应有所增加，由原来的195 mm加大到210 mm。

2　Ⅱ型弹条受力分析

2.1计算模型及参数

分析以空间三维梁有限元计算方法为理论基础，采用大型有限元软件ANSYS中的Beam188单元来模拟弹条，建立弹条的空间三维梁模型。Beam188梁单元模拟的是铁木辛柯梁，不仅考虑了梁的弯曲变形效应，还考虑了梁的剪切变形效应。Ⅱ型弹条扣件装配结构如图1所示，用M24螺栓将弹条扣在轨距挡板上，通过轨距挡板传递弹条的扣压力于钢轨上。Ⅱ型弹条直径为13 mm，设计弹程为10 mm，标准工作状态为弹条中肢前端下鄂与轨距挡板刚好接触，即三点接触状态。Ⅱ型弹条模型如图2所示，其材料为60Si2CrA弹簧钢，弹条的屈服强度取为1 600 MPa，弹性模量取为2.06×105MPa，泊松比取为0.3[9-11]。

图1　弹条装配结构

图2　Ⅱ型弹条模型

2.2边界条件

弹条的中肢受到从锚固螺栓传来的压力，2个尾部后肢受到轨距挡板反作用的竖向力，扣压钢轨的两前肢受到弹条扣压力反力的作用。螺栓竖向压力均布在弹条中部两半圆弧上，尾部竖向和横向位移受轨距挡板的约束，扣压钢轨的两前肢竖向位移受钢轨约束，在弹条中肢对称轴处约束弹条沿线路方向的位移。在小半径曲线上，钢轨承受更大横向力，会导致弹条松动，扣压力衰减快，从而要求弹条具有足够的扣压力和适当的弹程。本文计算时以位移方式加载，把弹条中部前端下鄂竖向向下位移逐步加到设计弹程10 mm，分析整个弹条的应力及位移分布，研究其变化规律。加载和约束如图3所示。

图3　加载和约束

2.3弹条采用不同半径时受力比较

由于小半径曲线换轨频繁，换轨后扣压力衰减快，弹条使用环境恶劣。在直径13 mmⅡ型弹条基础上，比较采用不同截面半径时弹条的各项技术指标，以便从中选取一个最佳半径。分析时，不改变弹条的原空间结构，计算直径为11、12、13、14 mm和15 mm时弹条的受力状态。同时，为方便比较，分别以弹程相同、扣压力相同和最大等效应力相同，计算各半径下弹条各项受力指标。

从表1可以看出：弹程均为10 mm时，扣压力的增长随半径的增长是非线性的，半径越大，增长幅度越大；最大等效应力增长也较快，半径为7.5 mm时，最大等效应力达1 650 MPa，已超过弹条材料的屈服极限1 600 MPa。

表1　弹程相同、半径不同时各项指标比较

从表2可以看出：扣压力均为10.3 kN时，最大等效应力和弹程均随半径的增加作非线性减小。其中，7.5 mm半径弹条满足10.3 kN的扣压力只需6 mm的弹程，最大等效应力只有1 030 kN，但弹程太小，可能出现胶垫压缩量大于扣件弹程以致出现扣件、钢轨和胶垫不密贴的反常现象。

表2　扣压力相同、半径不同时各项指标比较

从表3可以看出：最大等效应力均为1 550 MPa时，扣压力随着半径的增加作非线性增长，半径7.5 mm时，扣压力可达15.7 kN，而弹程随半径的增加基本呈线性下降趋势，半径每增加0.5 mm，弹程减小0.7 mm左右。

表3　最大等效应力相同、半径不同时各项指标比较

综合表1和表3可以看出：14 mm直径弹条扣压力较大，最大等效应力和弹程适当，各项性能都优于其他几种，建议弹条直径采用14 mm。若14 mm直径弹条采用原线型生产，弹程为10 mm时其最大等效应力为1 520 MPa，未超过弹条使用极限，扣压力可达13.7 kN。图4～图6分别为13、14 mm和15 mm直径的弹条在10 mm弹程下的等效应力分布。

图4　直径13 mm时弹条von mises应力分布(t=10 mm)

图5　直径14 mm时弹条von mises应力分布(t=10 mm)

图6　直径15 mm时弹条von mises应力分布(t=10 mm)

2.4轨距调整量检算

为满足小半径曲线轨距加宽15 mm的要求，同时改善Ⅲa型轨枕挡肩和承轨槽的受力情况，对扣件系统进行了重新设计：(1)将挡板座与12 mm厚铁垫板一体化设计，在承轨槽下满铺铁垫板，减小承轨槽表面压应力；采用组合垫板是为了方便调节轨距和更换失效垫板；(2)铁垫板下设置绝缘尼龙垫板，起到保护承轨槽表面不被铁垫板磨损，增加扣件绝缘性能的作用，其厚度为4 mm，靠挡肩边选用3 mm、6 mm厚度，可以调节轨距3 mm。改进后的扣件系统如图7所示。

承轨槽深度就由原来的25 mm变更为40 mm，相应螺纹道钉的长度也由195 mm加大到210 mm，由于锚固螺栓和螺母均采用10.9级高强螺栓，在小半径曲线上，考虑最不利工况，施加60 kN抗拔力，螺栓和螺母的强度均未超出极限强度，满足强度要求[12-15]。本文采用带挡肩、有螺栓的弹条Ⅱ型扣件，在小半径曲线上钢轨承受的横向力大部分通过轨距挡板传递给轨枕挡肩，因此螺栓的抗剪强度也满足使用要求，在安全使用范围内。主要是对轨距调整量进行检算，看是否达到小半径曲线轨距加宽15 mm要求。改进后的弹条Ⅱ型扣件参数见表4，轨距调整量见表5。

注：图中数字含义见表4序号图7　改进后的扣件(单位:mm)

表4　扣件零部件清单

表5　60 kg/m钢轨小半径扣件轨距调整范围

从表5可以看出，60 kg/m钢轨轨距调整范围为：-7、+11 mm，调整量为18 mm，改进后的扣件系统满足小半径曲线轨距加宽15 mm要求。

3　现场试验(图8)

3.1试铺地点的选择

对衡阳工务段管内正线小半径曲线上使用的扣件系统病害进行现场调查，发现某编组场峰下线路上行车密度最大、状态变化最快，换轨频繁；而且线路上大部分曲线半径为180 m，轨道的几何尺寸变化快，Ⅱ型扣件系统出现了弹条断裂、弹出现象，扣压力衰减很快，绝缘轨距块出现了十分严重的翘曲、断裂等病害，因此改进后的Ⅱ型扣件系统选在这个地段进行试装具有典型代表性。

3.2试铺

将改进后的Ⅱ型扣件系统在此编组场峰下溜1、溜3道与Ⅲa型轨枕配套进行了试铺，在溜1道铺设轨枕36根，溜3道铺设38根，其他要求按照《铁路线路修理规则》的规定设置，观测试铺后扣件使用效果。

图8　小半径曲线扣件试装

3.3试铺效果

(1)改进后的Ⅱ型扣件系统与Ⅲa型轨枕配套使用，60 kg/m钢轨轨距调整量为18 mm，比原弹条Ⅱ型扣件的轨距调整量加大了6 mm，可解决小半径曲线轨距加宽15 mm的要求。

(2)由于将挡板座和铁垫板一体化设计，减小了轨枕挡肩面所受横向压应力，改善了挡肩受力；在铁垫板下增铺尼龙垫片，增大了承轨槽的受力面积，使承轨槽压应力减小，延长了Ⅲa型轨枕的使用寿命，降低了工区的维修养护工作量。

(3)从1年的使用情况来看，扣件系统未出现弹条断裂、松动现象，扣压力保持良好，尼龙挡板座未出现翘曲、断裂现象，轨距保持良好，轨下胶垫未出现外侧压溃现象，使用寿命有所增加，综合来看，改进后的Ⅱ型扣件系统具有良好的轨距、轨向保持能力。

4　结论与建议

通过理论分析和现场试验效果来看，基于Ⅱ型弹条的小半径曲线扣件设计研究可以得出以下结论：

(1)Ⅱ型弹条直径从11 mm到15 mm变化时，采用14 mm直径时各项性能均优于其他几种，建议在小半径曲线上弹条直径采用14 mm。14 mm直径弹条采用原线型生产，弹程为10 mm时其最大等效应力为1 520 MPa，扣压力可达13.7 kN。

(2)在小半径曲线上，建议将挡板座与铁垫板做一体化设计，共同承担轨距挡板传来的横向力，改善轨枕挡肩受力，延长轨枕使用寿命，降低工区养护维修工作量。

(3)在原Ⅱ型扣件系统基础上，增加了12 mm厚的铁垫板和4 mm厚的尼龙垫片，相应地，Ⅲa型轨枕承轨槽深度和挡肩坡度也有所改变，改进后的扣件与承轨槽结合良好，便于安装，轨距调整量加大为18 mm，符合小半径轨距加宽要求。

基于Ⅱ型弹条的扣件改造满足小半径曲线轨距加宽需求，改善了轨枕受力情况，扣压力和轨向保持良好，新建小半径曲线线路可考虑采用改进的扣件系统。

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Research on the Design of Small Radius Curve Fastener Based on Ⅱ-type Elastic Rod Fastener

CHEN Man1，XIAO Jie-ling1，ZHANG Bo2，LIU Gan-zhong1，LIU Cheng1

(1.MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China; 2.Hengyang Engineering District, Guangzhou Railway (Group) Corporation，Hengyang 421200，China)

In view of the current problems related to the general fastening system on small radius curve，such as the rapid elastic bar pressure attenuation，the fracture of gauge block and the bearing plate cracking an optimization research is conducted on fastening system.Based on Ⅱ-type elastic rod fastener，with additional 12 mm thick steel plate and 4 mm thick nylon gaskets，the baffle is integrated with the steel plate to share the lateral force coming from the rail.The improved fastener system is used with Ⅲa-type sleeper to allow the gauge adjustment range to reach 18 mm and meet operation requirement for additional 15 mm of small radius curve gauge.The finite element software is used to calculate various technical indexes of the elastic bar used for different radius.The results indicate that when 14 mm diameter rod is selected，the buckle pressure is relatively high，the maximum equivalent stress and displacement are suitable and the properties are optimal.The optimized fastening system is installed and tested on a small radius curve in a marshalling yard.The operation of the system in the past year shows that the fastening system is in good condition without fastener loosening and gauge widening and the defects of Ⅲa-type sleeper are much reduced.

Small radius curve; Fastening system; Elastic bar; Gauge widening; Ⅲa-type sleeper

2016-03-21；

2016-04-03

国家杰出青年科学基金(编号：51425804)

陈漫(1992—)，男，硕士研究生，从事高速重载轨道结构及轨道动力学研究，E-mail：547569940@qq.com。

1004-2954(2016)10-0009-05

U213.5+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.003