长线路轨道扣件的选型研究

2022-08-24卞峰

石家庄铁路职业技术学院学报 2022年2期

卞峰

（中铁十六局铁运工程有限公司河北高碑店 074000）

1 研究背景

扣件是钢轨与轨下基础间的联接部件，它将钢轨直接固定于轨下基础之上，以保持轨距和限制钢轨的纵、横向位移，确保轨道结构的稳定，其性能直接影响轨道的安全性、平顺性和乘车舒适性。

为了保证我国轨道交通的顺利发展，我国科研人员在铁路扣件研究方面取得了显著的研究成果。系列成果，例如：许佑顶提出了在扣件设计中需要除了考虑结构的刚度、扣件的扣压力、弹性性能和调整能力等自身性能意外，还要考虑其经济性能高，从而选择最佳方案。肖俊恒分析了世界主要国家轨道扣件的工作特点，分析了各自的优缺点，并结合我国的实际提出了我国扣件系统发展的关键因素。

本文以郑州机场至许昌市域铁路工程为研究对象，分析不同地段扣件的工作性能，选择出了最优的扣件形式，为今后类似轨道扣件系统的选择提供参考。

2 工程简介

郑州机场至许昌市域铁路工程是中原城市群城际轨道交通网的骨干线路，线路衔接新郑机场、郑州航空港区、长葛、许昌，贯穿中原城市群郑州-许昌产业带的核心区域，承担城市组团、次中心城镇之间的通勤客流，并发挥内部公交骨干体系功能，承担城市内部组团的客流。线路北端起于机场北站（近、远期延伸至港区北站），南端止于许昌东站，线路长66.52 km，设计时速120 km/h，线路中涉及到地下线、高架线等不同区域。

3 地下线及U形槽地段

目前市域轨道交通地下线扣件选型有DTVI2型扣件、DTⅢ2型扣件、ZX-2型（弹条Ⅱ型分开式）扣件、WJ-7B型等扣件，四种均为无挡肩、弹性分开式扣件。

DTⅥ2型扣件为无挡肩弹性分开式扣件，该类型扣件无T型螺栓，扣压件采用Φl8 mm的e型弹条，弹条直接穿入铁垫板的铁座内，结构简单、免维护、性价比高；橡胶垫板采用聚酯弹性体材料，性能更优，结构图见图1。北京、沈阳、西安等地铁工程项目采用了该类型的扣件。

图1 DTVI2型扣件

DTⅢ2型扣件是为有T型螺栓、无挡肩弹性分开式扣件。扣压件为国铁I型（B型）弹条，铁垫板上无轨底坡，适用于60 kg/m钢轨一般地段的整体道床，结构图见图2。该扣件已应用于上海地铁等项目工程中。

图2 DTⅢ2型扣件

ZX-2型扣件为有T型螺栓、无挡肩弹性分开式扣件。扣压件采用国铁Ⅱ型弹条，弹条强度和稳定等性能较好，铁垫板上带轨底坡，适用于60 kg/m钢轨一般地段的整体道床结构图见图3。该扣件近年来已大量应用于南京地铁及南京周边城际铁路等项目建设工程中。

图3 ZX-2型

WJ-7B扣件是我国针对高速铁路研发的无轨道无挡肩扣件，与之配套双块式轨枕，具有成熟的产品技术标准和运营经验。WJ-7B扣件已在沪宁城际、广深港高铁、哈大高铁、温州市域铁路S1线、S2线等项目广泛使用，运营情况良好，造价与地铁扣件基本相当，结构图见图4。

图4 WJ-7B型

从表1可以看出地铁DTⅥ2型扣件造价最低，但是其为无螺栓扣件，只能在板下进行调高，调高量小于有螺栓扣件，用于最高设计时速120km/h的线路，扣压力偏小。ZX-2型扣件、DTⅢ2及WJ-7B型扣件同为有螺栓扣件，考虑到WJ-7B型扣件弹条技术较为成熟，且本线120km/h运营速度较高，推荐本线正线地下线采用WJ-7B型常阻力扣件。

表1 扣件性能比较表

4 高架线及地面线

高架线的整体道床直接构筑在梁体上，铺设无缝线路后，温度变化时，钢轨和梁体相互作用，钢轨和梁墩受到较大伸缩力。为减小梁轨间的相互作用力，应采用小阻力扣件。WJ-2A型扣件为无挡肩弹性分开式扣件，在WJ-2型扣件的基础上优化改进而成。主要提高了扣件绝缘性能和抗钢轨横向力特性，扣件由T型螺栓、螺母、平垫圈、接头用弹条、绝缘轨距块、铁垫板、绝缘缓冲垫板、轨下垫板、锚固螺栓、重型弹簧垫圈、平垫块和定位于混凝土轨枕的预埋套管组成，见图5。

图5 WJ-2A型

扣件有以下特点：

（a）无挡肩弹性分开式扣件配合梁跨布置，轨下采用普通垫板和小阻力垫板，可有效减小桥梁与无缝线路长钢轨的相互作用力，同时能够满足无缝线路稳定性和轨道防爬阻力要求。

（b）弹性好，能够保证扣件在小扣压力时亦有足够大的螺母扭矩，扣件不易松动、安全储备大，可减少养护维修工作量。

（c）有较大的调整钢轨高低、轨距的能力，可较好地适应由于高架线道床施工误差、桥梁徐变及墩台工后沉降引起的线路不平顺。

主要技术指标如下：

轨下垫板静刚度：25～35 kN/mm；单个弹条扣压力：4 kN；每组扣件的防爬阻力：4～7 kN；抗横向水平力为40kN；轨距调整量：直线段或R＞1500 m的曲线段为-8 mm～+4 mm，R≤1500 m曲线段为-28 mm～+24 mm，调高量：40 mm，轨下10 mm，铁垫板下30 mm；工作电阻≥108Ω；预埋套筒抗拔力≥100（kN）。

该扣件结构新颖、技术成熟、性能良好、使用安全可靠。WJ-2A型扣件优化采用高分子复合垫板代替不锈钢垫板，解决了不锈钢垫板锈蚀带来的阻力增大等问题，同时采用聚酯材料垫板，静刚度和弹性更加稳定可靠，并延长使用寿命。

DTVI2型弹性分开式扣件是专门针对地铁特点而研制的扣件，为无挡肩、弹性分开式小阻力扣件，扣压力适宜，调距调高量大、弹性好，能满足调整钢轨轨距、水平的要求，能牢固锁定钢轨，其良好的弹性，能够适应整体道床基础。在北京地铁高架线上已广泛应用。

主要技术指标如下：

节点垂向静刚度：20～40 kN/mm；单个弹条扣压力：4 kN；轨距调整量：+8 mm、-16 mm，高低调整量：+40 mm；工作电阻≥108Ω；预埋套管抗拔力≥60 kN。

WJ-7B小阻力扣件与WJ-7B常阻力扣件仅在弹条和垫板上有所不同，大部分的部件可通用和互换。

WJ-7B小阻力扣件用于高架线，其主要技术参数：钢轨纵向阻力：每组扣件钢轨纵向阻力应为4±1kN。组装扣压力：每组扣件组装扣压力大于6 kN。橡胶垫板静刚度为20±5 kN/mm，动静刚度比小于1.5 mm。钢轨左右位置调整：单股钢轨左右位置调整量-6～+6 mm；轨距调整量-12～+12 mm。钢轨高低位置调整量：-4～26 mm，特殊调整型可达：-10～56 mm。预埋套管抗拔力应不小于100 kN。

WJ-2A型和DTVI2型扣件都是专为高架线无缝线路整体道床研制的小阻力扣件，技术成熟、应用广泛，从技术层面能够满足设计要求。考虑到前文的地线线部分WJ-7B型扣件更优，且WJ-7B型可以实现高架线和地下线扣件结构统一，减少扣件结构类型和配套轨枕种类，便于施工及运营管理。

4 正线扣件的优化

扣件设计优化主要包括轨下及铁垫板下弹性垫板的选择，对扣件各铁件的防腐处理措施的选择。

扣件的弹性是通过轨下及铁垫板下各设一层弹性垫板来实现。传统地铁扣件弹性垫板一般采用橡胶制作，材料质量难以控制，弹性衰减较快，使用寿命一般不超过15年，已成为扣件中最易磨损的部件。为延长弹性垫板的使用寿命，减少养护维修工作，降低全寿命周期综合成本，目前国内城市地铁扣件已开始采用经新材料、新工艺改良的弹性垫板，如采用由聚酯、聚氨酯等热塑性材料和双沟槽棱台型、微孔发泡工艺制造的新型垫板。

根据对目前国内扣件垫板生产工艺的调研成果，推荐地下线扣件轨下、板下采用热塑性聚酯弹性体垫板。

高架线采用的传统小阻力垫板是带不锈钢板的复合胶垫。由于复合垫板与钢轨直接接触，在雨水等环境因素的影响下，容易产生电化学腐蚀，长时间运营后不锈钢板和钢轨锈蚀物黏结，轨下垫板的摩擦阻力增大，部分小阻力垫板的功效失去，存在一定风险。

随着新材料、新技术的发展，热塑聚酯弹性体小阻力复合垫板已逐渐取代了不锈钢复合垫板。热塑聚酯弹性体小阻力复合垫板由热塑聚酯弹性体弹性层和耐磨高分子自润滑复合材料减阻层组成，两层通过内置的锥形抓钉、燕尾槽及挡肩固定。自润滑复合材料耐磨、强度高且摩擦系数小，当钢轨反复磨擦时，可在钢轨底面形成转移膜，保证磨擦系数的稳定性及垫板的使用寿命。该复合胶垫已在国内多个城市地铁高架线上铺设使用，效果良好，推荐本工程高架线扣件采用热塑性聚酯弹性体小阻力复合垫板。

轨道金属构件易出现不同程度的锈蚀、腐烂等情况。为保证扣件使用寿命和功能，推荐对其金属部件进行防锈处理（弹条、螺钉、弹簧垫圈等可采用锌镍渗层，铁垫板可采用静电喷涂等措施）。防腐、防锈要求：经300小时的中性盐雾试验保护级不得低于9级。

60Si2MnA是高级优质合金弹簧钢，化学成分与60Si2Mn基本相同，只是成分波动范围更窄，硫、磷含量比60Si2Mn低，因而纯净度更高，此外淬透性、韧性、塑性也比较好，脱碳倾向小，回火稳定性良好，降低了弹条断裂的可能，且造价相当。因此在材料选取是将传统的60Si2Mn材质更换为60Si2MnA。