WJ-7型扣件横向阻力试验研究

张东阳,汪 杰,陈 帅,刘学毅,杨荣山

(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)

无砟轨道整体性强，一般认为应该不存在线路失稳问题。但是当温度力过大、扣件工作状态不良、锁定轨温降低时，轨条会发生碎弯[1-3]。随着无砟轨道无缝线路应用的推广，在夏季高温天气出现钢轨碎弯的现场病害也越发突出[4]。钢轨碎弯与扣件的横向阻力直接相关，但是扣件横向阻力比较复杂，与扣件类型、结构构造、生产工艺、施工质量等密切相关，在以往用有限元方法对钢轨变形和线路横向稳定性的研究中[5-11]，横向刚度取值往往都是在一个设定的范围内。现在以WJ-7型扣件为例，WJ-7型扣件是在原WJ-1、WJ-2型扣件系统的基础上优化改进而成的弹性分开式无挡肩扣件系统[12-15]，主要应用于CRTSI型板式无砟轨道。但是现行规范中并没有规定其横向刚度取值，更缺乏相关试验研究[16-19]。根据文献[8]，WJ-7型扣件横向力传递可分为3个阶段，首先横向力通过绝缘轨距挡块传至铁垫板，通过板下摩擦传至道床；横向力增大，铁垫板开始滑动；当铁垫板与锚固螺栓接触时，横向力由绝缘轨距挡块经铁垫板和锚固螺栓传至道床。文献[11]在对钢轨倾翻性能研究中以轨头单位位移所需施加的横向力表征钢轨横向刚度，在轨头横向力值为20～50 kN时，WJ-7型扣件约束下钢轨节点横向刚度为12.32 kN/mm，且在有垂向荷载作用时横向刚度要大于无垂向荷载作用时的横向刚度。这里用轨头位移计算横向刚度并不适用于轨条碎弯，根据文献[12-13]对轨条碎弯的描述，本文认为扣件横向刚度应该以铁垫板产生单位位移所需施加的横向力表征。

为确定WJ-7型扣件在碎弯时横向刚度，在实验室条件下开展WJ-7型扣件横向力测试试验，通过对钢轨截面中性轴位置加载横向力，测量铁垫板和钢轨截面不同高度位置的横向位移。通过分析位移数据，了解钢轨的变形规律并计算获得扣件横向刚度取值。本文的研究成果可为钢轨碎弯验算提供参考。

1 测试方法

在西南交通大学铁道实验室对WJ-7型常阻力扣件(橡胶垫板、W1型弹条)和小阻力扣件(复合垫板、X2型弹条)开展横向力测试试验。

铁道实验大厅气温约为10 ℃，试验所用扣件来自成都高铁工务段，状态良好。将扣件和短钢轨(长0.6 m，60 kg/m)按照《WJ-7型扣件安装说明书》用扭矩扳手安装在试验工装台上，其中W1型弹条安装扭矩为120 N·m，X2型弹条安装扭矩为80 N·m，锚固螺栓安装扭矩300 N·m，扣件绝缘块是9号绝缘块。扣件安装在短钢轨的中间位置，钢轨一侧安装液压千斤顶，加载位置为扣件节点处钢轨截面中性轴，另一侧安装4个百分表，分别测量扣件节点处钢轨轨头、轨腰、轨底和扣件铁垫板的位移，具体的位置分别是轨顶面以下16 mm处，中性轴处(距轨底81 mm)，轨底处，铁垫板板中处。测试示意和测试工装分别如图1、图2所示。

图1 横向力测试示意

图2 试验工装

2 测试过程和误差分析

在试验台上，每次安装1组扣件并测量，测量完毕后，卸载扣件并重新安装测试。液压千斤顶每次加载0.98 kN横向力并读数；当加载力大于11.76 kN时，每次加载1.96 kN并读数。正式试验开展前，先进行预加载，当位移曲线持续表现为直线并结合液压千斤顶加载吨位，确定常阻力扣件加载最值为41.16 kN，小阻力扣件加载最值为33.32 kN。正式试验中，常阻力和小阻力扣件各测8组数据。本试验中误差主要来源于以下4个方面。

(1)扣件安装误差

在安装扣件时，锚固螺栓安装扭矩取300 N·m，要求弹条中部前端下颚与绝缘块刚好接触且两者间隙不大于0.5 mm，绝缘块与铁垫板挡肩缝隙不大于1 mm等，在手工安装过程中精度难以控制。

(2)液压千斤顶加载位置偏差

液压千斤顶加载头的正确位置是扣件节点位置的钢轨截面中性轴，本试验中采用的60 kg/m钢轨截面中性轴位置距轨底高度为81.23 mm。在试验前对钢轨加载位置标记和安装千斤顶加载头过程中，难免会出现位置偏差。另外，加载过程中钢轨发生偏转，加载头位置会发生轻微滑移。

(3)百分表测量头的位置偏移

本试验中安装的百分表在钢轨偏转后，百分表测量头难免发生滑移，尤其是轨腰和轨头横移量相对较大的位置。

(4)人工读数误差

读数时，视线应与表盘面垂直，不能斜视。由于试验工装空间结构的局限性，读数时往往需要斜视。

为减小测量误差，我们只取试验数据中均匀性较好的5组数据分析。

3 数据分析

取均匀性较好的5组位移数据分析，发现试验数据还是比较离散，但位移曲线形状和规律基本相同。

3.1 WJ-7型常阻力扣件横向阻力

常阻力扣件横向阻力-位移曲线、扣件横向阻力-平均位移曲线分别如图3、图4所示。

图3 常阻力扣件横向阻力-位移曲线

图4 常阻力扣件横向阻力-平均位移曲线

分析可以得出以下结论：①铁垫板的位移很小，横向力加载最值为41.16 kN，铁垫板位移仅为0.279 mm，位移与横向力呈线性关系，其位移曲线斜率即扣件横向刚度在143.7～162.1 kN/mm；②轨头、轨腰、轨底位移曲线比较类似，前段是二次抛物线，后段近乎直线。

去除铁垫板的位移后，位移曲线如图5、图6所示，在横向力为5.88 kN时，轨底位移为1.177 mm，轨头位移为2.015 mm，轨头位移是轨底位移的1.7倍，钢轨发生了明显的偏转。参考文献[1]中绝缘块刚度取300 kN/mm，那么绝缘块的压缩变形可以忽略，绝缘块与铁垫板挡肩之间缝隙的闭合和钢轨偏转的共同作用形成了二次抛物线，后段直线是钢轨偏转的结果。

对轨头位移曲线拟合可得：

对轨腰位移曲线拟合可得：

对轨底位移曲线拟合可得：

图5 常阻力扣件横向阻力-去铁垫板位移曲线前段

图6 常阻力扣件横向阻力-去铁垫板位移曲线

3.2 WJ-7型小阻力扣件横向阻力

小阻力扣件横向阻力-位移曲线、扣件横向阻力-平均位移曲线如图7、图8所示。

图7 小阻力扣件横向阻力-位移曲线

图8 小阻力扣件横向阻力-平均位移曲线

分析可以得出以下结论：(1)横向力加载到最大值33.32 kN时，铁垫板位移为0.239 mm，位移与横向力呈线性关系，横向刚度取值范围为130.2～138.9 kN/mm；(2)轨头、轨腰、轨底位移曲线前段是二次抛物线，后段近乎直线。

去除铁垫板的位移后，位移曲线如图9、图10所示。横向力为3.92 kN时，轨底位移为1.27 mm，轨头位移为1.83 mm，轨头位移是轨底位移的1.44倍，钢轨发生了明显的偏转。横向力为2.94～3.92 kN，3个位移值都出现了跳跃式增长，同样根据文献[1] 忽略绝缘块的压缩变形，认为位移的跳跃式增长是绝缘块与铁垫板挡肩之间的缝隙闭合造成的，后段直线是钢轨偏转的结果。

对轨头位移曲线拟合可得：

对轨腰位移曲线拟合可得：

对轨底位移曲线拟合可得：

图9 小阻力扣件横向阻力-去铁垫板位移曲线前段

图10 小阻力扣件横向阻力-去铁垫板位移曲线

4 结论

通过对WJ-7型常阻力扣件和小阻力扣件的横向阻力试验数据分析，得到以下结论。

(1)钢轨轨头、轨腰、轨底位移曲线由二次抛物线和直线两部分组成。横向力初加载时位移曲线为二次抛物线，这是绝缘块与铁垫板挡肩之间缝隙闭合和钢轨偏转共同作用的结果，后段直线是因为钢轨偏转。

(2)在横向力作用下，铁垫板的位移呈线性增长；常阻力扣件横向刚度在143.7～162.1 kN/mm，小阻力扣件横向刚度在130.2～138.9 kN/mm。