李心，王進(jìn)，林達(dá)文，劉曉倩，2

(1．株洲時代新材料科技股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412007;2．湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，湖南株洲412007)

扣壓力對重載線路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)的影響

李心1，王進(jìn)1，林達(dá)文1，劉曉倩1，2

(1．株洲時代新材料科技股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412007;2．湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院，湖南株洲412007)

以某新型重載扣件系統(tǒng)為對象，分析緊固扭矩和彈條扣壓力之間的力學(xué)關(guān)系，根據(jù)緊固扭矩計(jì)算扣壓力值，并在不同扣壓力條件下實(shí)施節(jié)點(diǎn)剛度和強(qiáng)化疲勞對比試驗(yàn)，來研究扣壓力對節(jié)點(diǎn)剛度和疲勞性能的影響，同時對技術(shù)條件中的三點(diǎn)接觸組裝方法所帶來的試驗(yàn)誤差問題進(jìn)行深入探討。最后針對扣件系統(tǒng)試驗(yàn)，提出合理的組裝建議，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，減少試驗(yàn)誤差。

重載扣件系統(tǒng) 扣壓力 緊固扭矩 三點(diǎn)接觸組裝法 節(jié)點(diǎn)剛度

軸重30 t、設(shè)計(jì)時速120 km的重載鐵路是近年國內(nèi)開展的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，在國內(nèi)外尚無實(shí)施先例?？焖僦剌d的工況使輪軌關(guān)系極為復(fù)雜，只有高性能扣件系統(tǒng)才能保證快速重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)的可靠性、平順性和彈性均勻性［1］。處于研制階段的WJ-12型扣件是針對快速重載無砟軌道而設(shè)計(jì)的，應(yīng)用于整體道床后其剛度增大，軌道的彈性主要依靠扣件和墊層提供［2］。在實(shí)驗(yàn)室對WJ-12型扣件的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測時，發(fā)現(xiàn)扣件系統(tǒng)組裝方法對扣壓力有明顯影響，而扣壓力影響到節(jié)點(diǎn)剛度、疲勞等其它性能的檢測和判定。

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對扣壓力性能的規(guī)定

扣壓力是由扣件組裝的扣壓件施加到軌底上表面的垂直力［3］?？奂到y(tǒng)必須有足夠的扣壓力，以保證鋼軌與支承體之間的可靠聯(lián)結(jié)，并使整個系統(tǒng)形成合適的防爬阻力和減振性能［4］。歐洲標(biāo)準(zhǔn)雖然沒有對扣壓力取值和扣件組裝方法做具體要求，但制訂了扣壓力測試方法，并規(guī)定疲勞試驗(yàn)前后扣壓力變化率不得超過20%，同時節(jié)點(diǎn)剛度變化率不得超過25%［5］。參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)，并針對高速重載鐵路的特點(diǎn)，我國也制訂了一系列扣件暫行技術(shù)條件，提出了相關(guān)扣件的性能指標(biāo)和試驗(yàn)方法。在《WJ-12型扣件技術(shù)條件》(暫行)中(以下簡稱《暫行技術(shù)條件》)，規(guī)定了扣件組裝以擰緊螺母的方式緊固彈條，彈條扣壓程度以三點(diǎn)接觸為準(zhǔn)，即彈條的緊固以彈條中部前端下顎與絕緣軌距塊接觸為準(zhǔn)(以下簡稱三點(diǎn)接觸法)，并規(guī)定組裝扣壓力≥20 kN，同時疲勞試驗(yàn)前后板下墊板剛度變化率不超過20%。按照《暫行技術(shù)條件》，利用三點(diǎn)接觸法進(jìn)行扣件組裝的緊固扭矩約130 N·m，但實(shí)測緊固扭矩有較大波動，在100～150 N·m之間，且100 N·m的情況居多，而扣壓力也會因緊固扭矩的不同而產(chǎn)生波動。

2 扣壓力與緊固扭矩的關(guān)系及計(jì)算

WJ-12型扣件屬于有螺栓扣件，組裝結(jié)構(gòu)如圖1所示。該類型扣件通過螺母與T型螺栓之間的緊固扭矩，使彈條產(chǎn)生扣壓力，確?？奂灰姿蓜樱?］，通過緊固扭矩可以計(jì)算出螺紋聯(lián)結(jié)預(yù)緊力，再根據(jù)預(yù)緊力計(jì)算出扣件組裝扣壓力。

圖1 WJ-12型扣件組裝結(jié)構(gòu)

2.1 根據(jù)單個彈條緊固扭矩計(jì)算螺紋聯(lián)結(jié)預(yù)緊力

緊固扭矩M與螺紋聯(lián)結(jié)預(yù)緊力F0的關(guān)系為［7］

式中:F0為預(yù)緊力，kN;M為單個螺栓緊固扭矩，N·m; d2為螺紋中徑，mm;μs為螺紋副摩擦系數(shù);α為螺紋半角，度;β為螺紋升角，度;μn為支承面之間摩擦系數(shù); dn為螺紋支承面摩擦力矩等效直徑，mm。

WJ-12型扣件采用的T形螺栓規(guī)格為M24，取摩擦系數(shù)μs=μn=0.14［7］，當(dāng)緊固扭矩M=100 N·m時，代入式(1)可計(jì)算得到預(yù)緊力F0=20.9 kN。

利用工程應(yīng)用中的簡化公式，同樣可以根據(jù)緊固扭矩計(jì)算預(yù)緊力為［8］

式中:K為緊固扭矩系數(shù)，表面氧化且有潤滑情況下約為0.2;d為螺紋公稱直徑，mm。

將緊固扭矩M=100 N·m代入式(2)，可計(jì)算得到預(yù)緊力F0=20.8 kN，與利用公式(1)計(jì)算得到的結(jié)果非常接近。

2.2 根據(jù)螺紋聯(lián)結(jié)預(yù)緊力計(jì)算組裝扣壓力

對單個彈條進(jìn)行受力分析(如圖2)，可以得到關(guān)系式如下

式中:N0為單個彈條扣壓力，N;N為組裝扣壓力，N。

圖2 單個彈條受力圖式

由WJ-12型扣件系統(tǒng)的彈條規(guī)格可知L=115 mm，l=50 mm。表1列出了緊固扭矩M分別為100，130和150 N·m時，利用式(2)、式(3)和式(4)計(jì)算得到的扣件系統(tǒng)組裝扣壓力。

表1 不同緊固扭矩對應(yīng)的WJ-12型扣件系統(tǒng)組裝扣壓力

由表1可見，當(dāng)緊固扭矩為100 N·m時，組裝扣壓力約18 kN，未達(dá)到《暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的≥20 kN的要求;緊固扭矩為150 N·m時，組裝扣壓力約為27.2 kN，遠(yuǎn)大于要求值;緊固扭矩為130 N·m時，組裝扣壓力約為23.6 kN，滿足設(shè)定要求且有一定安全余量。由此可見，三點(diǎn)接觸的組裝方法存在不確定性，會導(dǎo)致扣壓力波動大，從而造成扣件系統(tǒng)其它性能試驗(yàn)存在較大誤差，影響相關(guān)性能的檢測和判定，如節(jié)點(diǎn)剛度和疲勞性能。

3 不同組裝扣壓力對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度

為研究扣壓力的波動對節(jié)點(diǎn)剛度的影響，選擇了8塊剛度在40～60 kN/mm范圍的WJ-12型板下彈性墊板，材料為TPEE，即熱塑性聚酯彈性體［9］，分別在調(diào)高方式下進(jìn)行節(jié)點(diǎn)組裝，組裝過程中保持扣件系統(tǒng)其它零件不變。每個節(jié)點(diǎn)分別在緊固扭矩100和150 N·m各測一次節(jié)點(diǎn)剛度，試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)EN13146-9［10］，檢測方式如圖3，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖3 WJ-12型扣件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)剛度檢測

表2 WJ-12型扣件系統(tǒng)不同組裝扣壓力對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度

由表2可見，8個節(jié)點(diǎn)的剛度檢測結(jié)果呈現(xiàn)這樣一個趨勢，即緊固扭矩為150 N·m時，比緊固扭矩為100 N·m對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)剛度增加非常明顯，約7～9 kN/mm，平均增長幅度約為16%，說明組裝扣壓力對節(jié)點(diǎn)剛度產(chǎn)生了顯著影響。

4 不同扣壓力對應(yīng)的強(qiáng)化疲勞性能

為研究扣壓力的波動對疲勞前后節(jié)點(diǎn)性能的影響，按照《暫行技術(shù)條件》規(guī)定的試驗(yàn)條件，并參照標(biāo)準(zhǔn)EN13146-4加載方式［5］，選擇了2個節(jié)點(diǎn)Q-1#和Q-2#同時進(jìn)行強(qiáng)化疲勞試驗(yàn)，如圖4。2個節(jié)點(diǎn)組裝采用的所有零部件都相同(同批次生產(chǎn)，其中板下墊板選擇2塊剛度一致的TPEE彈性墊板)，僅組裝扣壓力不同。

圖4 WJ-12型扣件系統(tǒng)強(qiáng)化疲勞檢測

對節(jié)點(diǎn)Q-1#施加緊固扭矩100 N·m，對節(jié)點(diǎn)Q-2#施加緊固扭矩150 N·m。由表1可知2個節(jié)點(diǎn)的組裝扣壓力計(jì)算值分別為18 kN和27.2 kN，經(jīng)歷300萬次重復(fù)加載后，測出疲勞后節(jié)點(diǎn)剛度和板下墊板剛度，與2個節(jié)點(diǎn)各自的疲勞前性能進(jìn)行對比，見表3。

由表3可見，強(qiáng)化疲勞試驗(yàn)前，Q-1#和Q-2#的板下墊板剛度接近，強(qiáng)化疲勞試驗(yàn)后，二者的板下墊板剛度也接近，相比疲勞前，變化率都小于20%，滿足《暫行技術(shù)條件》要求。對于節(jié)點(diǎn)剛度，強(qiáng)化疲勞試驗(yàn)前，Q-1#比Q-2#小7.5 kN/mm，而強(qiáng)化疲勞試驗(yàn)后，Q-1#僅比Q-2#小3.5 kN/mm，所以Q-1#節(jié)點(diǎn)剛度變化率達(dá)到33.6%，而Q-2#節(jié)點(diǎn)剛度變化率僅22.4%，若按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)中節(jié)點(diǎn)剛度變化率不得超過25%的規(guī)定［5］，顯然節(jié)點(diǎn)Q-1#不滿足要求，而節(jié)點(diǎn)Q-2#則滿足要求。說明組裝扣壓力對疲勞前后節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)結(jié)果也產(chǎn)生了明顯影響。

表3 WJ-12型扣件系統(tǒng)不同組裝扣壓力對應(yīng)的強(qiáng)化疲勞性能

5 結(jié)論

綜上所述，扣壓力對重載鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)有顯著影響。必須在扣件組裝時保持扣壓力穩(wěn)定，才能獲得可靠的扣件系統(tǒng)性能檢測結(jié)果，采用三點(diǎn)接觸法進(jìn)行扣件系統(tǒng)組裝，會造成實(shí)際扣壓力波動大，進(jìn)而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)和疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定。建議重載鐵路扣件組裝時，規(guī)定緊固扭矩值為130 N·m，采用該方法來滿足設(shè)定扣壓力的大小，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，減少試驗(yàn)誤差。

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［3］EuropeanCommitteeforStandardization．EN 13481-1 RailwayApplications-Track-PerformanceRequirementsfor FasteningSystems—Part1:Definitions［S］．Brussels: European Committee for Standardization，2002．

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(責(zé)任審編孟慶伶)

U213．5+3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．40

1003-1995(2015)04-0155-03

2014-08-31;

2015-01-20

李心(1977—)，女，四川樂山人，高級工程師，碩士。