宿國英 鄧嬌 劉剛

1 概述

軌道交通高架線無碴軌道鋪設(shè)無縫線路,當(dāng)溫度變化或橋梁承受機(jī)車車輛荷載產(chǎn)生撓曲時(shí),橋面與鋪設(shè)于其上的焊接長鋼軌要發(fā)生相對(duì)位移,鋼軌要縱向移動(dòng),必須克服鋼軌與扣壓件及鋼軌與軌下膠墊間的摩擦阻力。阻力越大,橋面與鋼軌之間的相互作用力越大。減小這種阻力,可使橋墩受力減小,從而降低橋梁工程造價(jià)。減小這種相互作用力的有效方法是減小扣件阻力,日本山陽新干線橋上板式軌道就是采用這種辦法。我國以往在普通鐵路橋上采取的辦法是扣件松緊搭配,即每隔若干軌枕布置扣緊的扣件,其他軌枕采用零扣壓力或扣壓力極小的扣件。這種方式使扣件類型繁多,運(yùn)營中扣件受力往往不均。而小阻力扣件系統(tǒng)采用同一種較低阻力的扣件,可以保證每個(gè)扣件受力較均勻。

減小彈條的扣壓力,降低軌下墊板的摩擦系數(shù),是實(shí)現(xiàn)高架橋上扣件系統(tǒng)低阻力的關(guān)鍵。

2 超高分子量聚乙烯軌下墊板

我國軌下墊板的形式常采用橡膠墊板,為減小摩擦力,也常采用橡膠墊板上粘貼不銹鋼板的復(fù)合膠墊。

超高分子量聚乙烯(簡稱UHMWPE)是一種耐磨性很好的熱塑性工程塑料,因?yàn)樗哪Σ料禂?shù)很低,僅為0.05～0.11,所以作者在2005年將它壓制成軌下墊板進(jìn)行試驗(yàn)。

結(jié)合軌下墊板的實(shí)際使用環(huán)境和受力情況,作者選用了分子量不小于200萬的材料將其壓制成軌下墊板。

UHMWPE軌下墊板的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

墊板中間的光滑平板部分為承軌面,兩側(cè)凹槽為放置軌距塊而設(shè)計(jì),A值限定的凹槽用于卡住減振器的鐵座,限制墊板的左右及沿軌向的移動(dòng);B值根據(jù)軌距塊的尺寸來設(shè)定;尺寸168是UIC60軌使用軌距塊時(shí)的尺寸。墊板表面光滑平整。我們對(duì)其進(jìn)行了大量試驗(yàn)并在試驗(yàn)成功后將其應(yīng)用于線路。

3 試驗(yàn)情況

3.1 縱向阻力試驗(yàn)

在扣壓件的扣壓力相同及扣壓件和鋼軌的接觸情況相同時(shí),鋼軌軌底和軌下墊板的摩擦系數(shù)可以通過系統(tǒng)的縱向阻力試驗(yàn)來體現(xiàn)。

鋼軌扣件系統(tǒng)的縱向阻力試驗(yàn)按照EN 13146-1∶2002進(jìn)行。我們使用深圳地鐵3號(hào)線使用的“科隆蛋”軌道減振器扣件系統(tǒng),扣壓件采用扣壓力為6 kN～7 kN的小阻力彈條(扣壓力按照EN 13146-7測定)。軌下墊板分別采用了超高分子量聚乙烯、粘有不銹鋼板的復(fù)合墊板和橡膠,每種材料選兩件樣品,下稱樣品1和樣品2。

將約500 mm長短鋼軌用扣件組裝在減振器承軌臺(tái)上,減振器用螺栓在試驗(yàn)臺(tái)上固定。對(duì)鋼軌施加縱向拉力,記錄荷載及鋼軌相對(duì)于軌枕的縱向位移。從荷載—位移曲線上可得出產(chǎn)生非彈性位移之前鋼軌所承受的最大縱向力(見圖2)。

三種不同材料的墊板縱向阻力(每組扣件)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

深圳3號(hào)線小阻力扣件系統(tǒng)的縱向阻力設(shè)計(jì)值為每組扣件3 kN～4 kN,從表 1中的分析可以看出,僅 UHMWPE墊板可以滿足使用要求。

3.2 疲勞試驗(yàn)

鋼軌扣件系統(tǒng)的組裝試驗(yàn)按照EN 13146-4∶2002進(jìn)行。垂向載荷 8 kN～40 kN,橫向載荷為垂向載荷的0.5倍,300萬次循環(huán)加載,加載頻率3 Hz～5 Hz,扣件系統(tǒng)的各個(gè)部件均未損壞。軌底橫向移動(dòng)量不大于2.5 mm,軌距擴(kuò)張單邊(即軌頭移動(dòng))不超過4 mm。完全符合設(shè)計(jì)的要求。復(fù)合墊板的摩擦力也較小,因此,它在很多線路上有大量的應(yīng)用。

4 實(shí)際應(yīng)用狀況

UHMWPE用于高架橋,作為軌下墊板使用,在國內(nèi)最早是北京地鐵 5號(hào)線,此線路自2007年 10月開通至今,運(yùn)行狀況良好,軌下墊板未發(fā)現(xiàn)磨損。2008年建設(shè)的深圳地鐵3號(hào)線也大量采用了這種墊板,現(xiàn)在正在修建的北京地鐵大興線、亦莊線、昌平線等的高架橋路段也已經(jīng)確定了采用這種結(jié)構(gòu)。

5 社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益

UHMWPE軌下墊板與大量在小阻力扣件系統(tǒng)中使用的復(fù)合墊板相比,除了摩擦系數(shù)較小外,其他方面特點(diǎn)對(duì)比見表2。

表2 兩種墊板的特點(diǎn)對(duì)比

此外,超高分子量聚乙烯還有極好的耐磨性、突出的抗沖擊性、自潤滑性、噪聲阻尼性、耐核輻射性等。它無毒、無味,其制品已經(jīng)可以代替碳鋼、不銹鋼、青銅等材料用于紡織、食品機(jī)械、運(yùn)輸、醫(yī)療等部門,并且正逐步顯示出它的優(yōu)越性。

綜上,使用超高分子量聚乙烯作為軌下墊板可以達(dá)到更好的使用性能且有很多優(yōu)異的特點(diǎn),近年來,隨著超高分子量聚乙烯加工技術(shù)的不斷發(fā)展,相信它作為軌下墊板使用有很好的前景。

[1]肖俊恒,趙汝康,杜功立.高架橋無碴軌道用小阻力彈性扣件的設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑,2002(9)：18-21.

[2]劉尚溫.鋼橋鋪設(shè)無縫線路為什么要用K型扣件,且有緊有松[J].鐵道建筑,1983(4)：18-19.

[3]田品華,程振廷.武漢軌道交通1號(hào)線一期工程車站及高架線設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2004(5)：26-28.

[4]李桂保,張建峰.我國重載鐵路使用熱塑性彈性體軌下墊板的探討[J].鐵道建筑,2007(10)：82-84.

[5]蔡成標(biāo),翟婉明,王其昌.高速列車與高架橋上無碴軌道相互作用研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2000(3)：29-32.