扣件组装测试系统及性能试验

韩彬 陈兴慧 宋峒桥 / .苏州市产品质量监督检验院；.苏州高新城市轨道交通检验认证有限公司

0 引言

钢轨与轨枕之间的联结零件称为扣件组装（即扣件系统），主要由弹条、弹性垫板、T形螺栓、铁垫板、道钉、轨距块、调高垫板等组成，主要作用为固定钢轨、保持轨距、提供弹性、阻止钢轨相对轨枕的纵横向移动、使轨道绝缘等。目前在城市轨道交通轨道工程中常用的扣件有DTⅢ2型、WJ-2A型、压缩型减振扣件、混凝土枕弹条Ⅰ形扣件、检查坑弹条Ⅰ形分开式扣件（分别适用于60 kg/m或50 kg/m 钢轨）等，扣件系统的损坏或失效会给行车安全带来较大风险。如扣件系统须有充足的扣压力、弹程，方可保证扣件系统能提供足够大的纵向阻力阻止钢轨爬行；如弹性垫板的材料强度低于所承受应力时，垫板容易发生压裂。因此，扣件系统在进场施工前或供货过程中，对同厂家同型号的批量供货产品按一定比例抽样检查，开展相关性能试验，显得尤为必要，有助于提高轨道工程扣件系统质量。

1 测试系统

扣件系统的性能试验方法，目前参照TB/T 3396系列、EN 13146系列等标准，如表1所示，产品限值由扣件厂商或设计单位提出，供轨道工程质量验收时作为判据，各试验方法依据见表1。而标准对测试系统的要求，只针对关键部件，如设备的加载速率（可任意设置，如钢轨纵向阻力测试时为9～11 kN/min）、静态加载力（如组装静刚度测试时达到110 kN）、动态加载力（如组装疲劳性能测试，单个承轨面在3～5 Hz频率下达到100 kN）；测试系统中位移传感器的示值误差为0.01 mm、荷载传感器的准确度等级为0.5级；记录设备的采样频率不低于50 Hz，在试验过程中能进行数字记录，并画出荷载-位移曲线。各种方法的原理均通过对扣件系统加载荷载，记录荷载-位移曲线，从曲线中得到或提取测量值进行计算，为测试系统的设计提供指导。

表1 试验方法与标准

2 测试系统组成

测试系统采用电液伺服技术，包括铁垫板平台、立柱主机框架、250 kN作动器（考虑到加力架法疲劳试验时，最大荷载为2pV或4pV，pV为垂直于钢轨的单个承轨面最大荷载分量）、50 kN作动器、恒压伺服泵站、油冷机组、控制系统（含软件）及相关试验夹具等，系统的硬件配置及要求见表2。值得一提的是，在泵站与伺服作动器之间加入分油器，保证系统的稳定性和液压油的清洁性，实现测试系统高低压切换的缓升缓降，最终交付使用的测试系统，如图1、图2所示。由于性能试验对环境温度有要求，因此试验平台、分油器及软件控制台置于一个密闭的房间内，泵站及油冷机组在紧邻的半敞开房间（隔绝设备噪声和降低温度干扰）。

表2 测试系统硬件要求

图1 试验平台

图2 泵站及油冷机组

测试系统的软件能根据试验要求进行静动态加载设定、参数设定（如试验力值、试验步骤、试验时间）；可产生包括正弦波、三角波等试验波形；控制模式包括力值、位移控制等，并切换平滑；提供峰值显示、谷值显示、计数器显示，绘制试验力-位移曲线等，可输出并保存为Excel格式文件。

3 扣件组装性能试验

以某城轨轨道工程的扣件系统为例，开展疲劳性能试验前的钢轨纵向阻力、组装扣压力、组装静刚度的测定，以及组装疲劳性能试验。试验前，将扣件系统在23 ℃±5 ℃环境中静置24 h，按标准要求把钢轨用扣件系统固定在轨枕的承轨面，并布置位移传感器。

3.1 钢轨纵向阻力试验

以10 kN/min的恒定速率向钢轨的一端施加拉力[1]，从加载开始,自动测量荷载及钢轨相对轨枕的纵向位移。当钢轨出现滑移或荷载超出扣件性能要求的4倍时，迅速卸载至零，并连续测定钢轨位移2 min。重复该试验3次,每次间隔 3 min，画出每次荷载-位移曲线。从曲线图中确定位移D1、D2，计算初始弹性位移D3：（D3=D1-D2）mm，由曲线图中D3确定力值F。第1个F值弃用，取后3个F值的平均值为测试结果，试验布置如图3所示。

图3 钢轨纵向阻力试验布置

3.2 组装扣压力试验

同理，以10 kN/min的恒定速率向钢轨施加荷载[2]，直到轨下铁垫板能被刚好抽出。抽出垫板，卸载至位移传感器的平均示值为零，记为p1值，继续卸载至0.9p1。然后加载，直到荷载为1.1p1，记录d值（4个传感器的平均值）。由荷载-位移曲线读取d=0时的p0值，该值即为扣件组装扣压力。再重复该试验两次，每次间隔 3 min，以3次试验的平均值为测试结果，试验布置如图4所示。

图4 组装扣压力试验布置

3.3 组装静刚度试验

建议在试验前预加静载100 kN，卸载停留1 min，再重复一次加载100 kN，卸载停留1 min，然后开始正式试验[3]。试验时，以120 kN/min的恒定速率向钢轨加载荷载至70 kN[4]，分别记录荷载加至F1（5 kN）和F2（55 kN）时钢轨的位移D1、D2（均为4个位移传感器的平均值）。按式（1）计算扣件组装静刚度：

重复该试验两次，每次间隔 3 min，以第3次试验值为测试结果，试验布置如图5所示。

图5 组装静刚度试验布置

3.4 组装疲劳性能试验

组装疲劳性能试验用来检验扣件抗横向力及保持轨距的能力。在试验前，首先需判断扣件系统是否属于对称型；其次，因试验是用于模拟工程现场扣件系统的抗倾覆能力，需对钢轨进行处理。取一根长度约0.5 m的60 kg/m短钢轨，在轨腰处截去15 mm后重新焊接[5]（焊接后的轨腰要满足在同一垂直面，不得出现上下偏离），使总高度为161 mm，并在钢轨两侧补焊加强筋。随着非对称型扣件系统在轨道工程中广泛使用，加力架法疲劳性能试验布置如图6所示（需两根轨枕、四套扣件）。另外，还有一种单个扣件倾角法疲劳性能试验，即用扣件把单根钢轨固定在半根轨枕上，倾角台角度为α，最大荷载为pV/cosα，如图7所示。

图6 加力架法疲劳性能试验布置（非对称型扣件）

图7 单个扣件倾角法疲劳性能试验布置

以某对称型扣件系统为例，采用加力架法试验，加载角度α为26°，其单个扣件承受的横向力pL为5～40 kN，由pL/pV=tanα计算出垂向力pV约为10～80 kN，对加力架施加周期荷载20～160 kN（单根轨枕），加载频率为5 Hz（伺服系统中电机运转频率），循环次数为300万次。试验后，观察各零部件是否出现伤损，测量轨距扩大量（用数显轨距尺在加力架两侧分别测量，并取平均值），卸载后静置24 h，方可进行疲劳性能试验后的组装静刚度、钢轨纵向阻力、组装扣压力测试。另外，组装疲劳性能试验，也可参照TB/T 2491-1994[6]的方法进行，其与TB/T 3396.4-2015方法的一些差异见表3。

表3 疲劳性能试验方法主要差异

通过测试经过疲劳性能试验后的这3个参数，与疲劳性能试验前的测试数据进行对比计算，得出疲劳性能试验前后组装静刚度的变化率、钢轨纵向阻力的变化率、组装扣压力的变化率，为判断产品质量的稳定性提供参考。

4 结语

通过扣件组装的性能试验，验证了测试系统的可行性，测试结果也达到了产品设计或验收要求。目前，城轨扣件系统性能试验主要参照高速铁路相关标准、轨道工程供货技术条件、验收规范等，通过该试验平台可以为后期城轨扣件系统的设计参数调整、产品适应性开发和验证、城轨扣件系统的标准制定提供一定的技术支持。通过试验，为城轨业主、工程建设方的供货质量提供公正独立的判断依据，为城轨扣件系统后期维护、运营安全提供数据参考，发挥第三方检验机构的监督作用，为城轨交通事业可持续性发展保驾护航。