張斌 張歡 郄錄朝 李子睿 崔樹坤 李彥山

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

朔黃鐵路是我國重要的西煤東運(yùn)通道，始發(fā)站為神池南站，終點(diǎn)為黃驊港口貨場，正線總長近598 km，年累計(jì)通過總質(zhì)量約3.0億t［1］。目前朔黃鐵路主要采用彈條Ⅱ型扣件。通過現(xiàn)場調(diào)研和長期跟蹤觀測發(fā)現(xiàn)彈條Ⅱ型扣件已不適應(yīng)30 t及以上軸重的運(yùn)營要求。為了朔黃鐵路列車的運(yùn)營安全，延長扣件養(yǎng)護(hù)維修周期，必須對彈條Ⅱ型扣件提出強(qiáng)化措施。

1 彈條Ⅱ型扣件使用現(xiàn)狀

1.1 軌下墊板及軌枕承軌槽

目前朔黃鐵路彈條Ⅱ型扣件配置的軌下墊板有大剛度的軌下墊板（靜剛度250～400 kN/mm）以及普通橡膠墊板［2］。鋪設(shè)軌下墊板區(qū)段軌枕承軌槽有磨損現(xiàn)象，鋪設(shè)普通橡膠墊板區(qū)段部分軌下墊板有壓潰或竄動(dòng)現(xiàn)象。

1.2 彈條

部分彈條松弛嚴(yán)重，彈條中肢有明顯離縫。部分橋梁區(qū)段和鋼軌接頭區(qū)有個(gè)別彈條折斷。

1.3 軌距擋板

個(gè)別區(qū)段調(diào)整軌距時(shí)沒有選擇合適的軌距擋板，軌距擋板扣壓不到位，使其側(cè)棱擋肋移至軌底上表面，以這種方式安裝的扣件抵抗鋼軌橫向力的能力大幅減弱，給行車安全帶來不利影響。此外存在軌距擋板壓舌磨損的情況，軌距擋板壓舌設(shè)計(jì)厚度8 mm，部分壓舌厚度僅4 mm。

1.4 擋板座

朔黃鐵路列車軸重為25 t，列車通過時(shí)引起的橫向力較大［3］。部分扣件外側(cè)擋板座受擠壓而上滑，有的甚至斷裂。

2 扣件結(jié)構(gòu)強(qiáng)化方案

保持了既有扣件和軌枕的接口尺寸不變，對扣件的軌下墊板、彈條、軌距擋板、擋板座四個(gè)部件進(jìn)行強(qiáng)化。強(qiáng)化后的扣件命名為SH?J型扣件。

2.1 彈條

Ⅱ型彈條的強(qiáng)化主要考慮調(diào)整彈條的扣壓力、彈程、直徑、側(cè)肢拱高、外撇尺寸等，同時(shí)兼顧彈條緊固扭矩、工作應(yīng)力、疲勞強(qiáng)度等綜合設(shè)計(jì)。將強(qiáng)化后的彈條命名為W3型彈條，見圖1。

圖1 彈條強(qiáng)化前后對比（單位：mm）

采用有限元法對強(qiáng)化前后彈條技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。應(yīng)力幅值為根據(jù)額定疲勞振幅計(jì)算所得。可見：①強(qiáng)化后彈條扣壓力增大15%，提高了抗橫向荷載能力；②強(qiáng)化后彈條安裝狀態(tài)的最大工作應(yīng)力比強(qiáng)化前降低151 MPa，額定疲勞振幅下應(yīng)力幅值降低21 MPa，強(qiáng)化后彈條安全儲備更足；③強(qiáng)化后緊固扭矩僅增大20 N·m，現(xiàn)場施工可行。

表1 強(qiáng)化前后彈條技術(shù)參數(shù)對比

2.2 軌下橡膠墊板

軌下橡膠墊板在我國鐵路扣件中大量采用，大部分墊板服役性能良好，但也存在部分橡膠墊板壓潰現(xiàn)象［4］。分析其原因：①經(jīng)長期研究使用，已制定了較為合理的TB/T 2626—1995《鐵道混凝土枕軌下用橡膠墊板技術(shù)條件》，產(chǎn)品質(zhì)量基本得到控制，但不同廠家生產(chǎn)的墊板質(zhì)量存在一定差異；②因現(xiàn)場軌道服役條件惡劣（鋼軌有波磨、道床板結(jié)造成下部基礎(chǔ)剛度較大等情況），墊板受力不良［5］；③小半徑曲線段由于輪軌橫向力和鋼軌傾翻量較大使得部分軌下墊板出現(xiàn)單邊壓潰現(xiàn)象［6］。

應(yīng)綜合考慮軌道各部件的受力狀態(tài)，選用性能優(yōu)良的材料制作墊板。基于國內(nèi)外相關(guān)研究［7-10］，經(jīng)比選采用熱塑性聚酯彈性體（Thermoplastic Polyester Elastomer，TPEE）材料來生產(chǎn)軌下墊板。利用電子拉力試驗(yàn)機(jī)、老化試驗(yàn)箱、萬能試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備對TPEE軌下墊板的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)和剛度進(jìn)行測試，結(jié)果見表2?？梢姡篢PEE軌下墊板的物理性能指標(biāo)、靜剛度和動(dòng)靜剛度比均滿足技術(shù)要求。

表2 TPEE軌下墊板物理性能指標(biāo)和剛度測試結(jié)果

該種墊板不僅強(qiáng)度大、不易被壓潰，而且長期服役后靜剛度變化率較小。軌下墊板采用凸臺結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 TPEE軌下墊板結(jié)構(gòu)

2.3 軌距擋板

與彈條Ⅱ型扣件相比，SH?J型扣件加大了軌距擋板寬度。經(jīng)過受力分析，對軌距擋板側(cè)棱的擋肋適當(dāng)加高，如圖3所示。

圖3 軌距擋板強(qiáng)化措施

2.4 擋板座

與彈條Ⅱ型扣件相比，SH?J型扣件適當(dāng)加長擋板座（由112 mm加長到了127 mm），降低擋板座承壓應(yīng)力，改善其受力狀態(tài)，以減小擋板座對軌枕擋肩的作用力。

3 SH?J型扣件應(yīng)用效果

3.1 現(xiàn)場鋪設(shè)

朔黃鐵路試驗(yàn)段（K66+176—K66+793）為半徑600 m曲線，總長617 m，線下基礎(chǔ)為路基。2013年10月31日在試驗(yàn)段鋪設(shè)SH?J型扣件，見圖4。在既有道床和軌枕不更換的情況下，將彈條Ⅱ型扣件換鋪為SH?J型扣件。

圖4 試驗(yàn)段鋪設(shè)情況

3.2 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能測試

在鋪設(shè)的SH?J型扣件試驗(yàn)段開展了軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能測試，并選取與試驗(yàn)段相同工況（半徑600 m曲線，75 kg/m鋼軌和Ⅲa型軌枕，彈條Ⅱ型扣件采用橡膠墊板、靜剛度55~80 kN/mm）的對比段。試驗(yàn)列車均為30 t軸重重載列車。

3.2.1 鋼軌支點(diǎn)壓力

鋼軌支點(diǎn)壓力測試結(jié)果見表3?？芍?0 t軸重試驗(yàn)列車通過時(shí)SH?J型扣件試驗(yàn)段鋼軌支點(diǎn)壓力比彈條Ⅱ型扣件對比段略大，但其最大支點(diǎn)壓力（96.3 kN）仍小于軌枕承載限值（150 kN），具有較大安全余量。

表3 鋼軌支點(diǎn)壓力測試結(jié)果

3.2.2 扣件橫向強(qiáng)度

朔黃鐵路小半徑曲線較多，30 t軸重重載列車通過時(shí)輪軌橫向力較大。為驗(yàn)證SH?J型扣件的橫向強(qiáng)度，對其扣件節(jié)點(diǎn)橫向力進(jìn)行測試。30 t軸重試驗(yàn)列車以40、60 km/h速度通過測點(diǎn)時(shí)SH?J型扣件節(jié)點(diǎn)橫向力最大值分別為30.0、41.5 kN，小于設(shè)計(jì)限值（70 kN），具有較高的安全儲備。

3.2.3 扣件保持軌距能力

鋼軌軌頭最大橫移量見表4?？芍篠H?J型扣件試驗(yàn)段和彈條Ⅱ型扣件對比段鋼軌軌頭最大橫移量分別為1.62、1.81 mm，均小于維修限值3.0 mm。從內(nèi)外軌測試數(shù)據(jù)來看，SH?J型扣件試驗(yàn)段鋼軌軌頭最大橫移量均小于彈條Ⅱ型扣件對比段，表明SH?J型扣件保持軌距的能力比彈條Ⅱ型扣件強(qiáng)。

表4 鋼軌軌頭最大橫移量

3.3 試驗(yàn)段長期跟蹤觀測

為了研究朔黃鐵路扣件零部件的劣化傷損規(guī)律，對試驗(yàn)段的SH?J型扣件W3型彈條和對比段的彈條Ⅱ型扣件Ⅱ型彈條的彈程，以及兩種扣件軌下墊板的靜剛度進(jìn)行了長期跟蹤觀測。

3.3.1 彈條

兩種彈條彈程變化情況見圖5?？芍豪塾?jì)通過總質(zhì)量在2億t以內(nèi)時(shí)，兩種彈條的彈程均隨著累計(jì)通過總質(zhì)量增加而快速衰減；累計(jì)通過總質(zhì)量在2億t以上時(shí)，隨著累計(jì)通過總質(zhì)量的增加兩種彈條的彈程衰減速率變緩，Ⅱ型彈條的彈程衰減速率大于W3型彈條。

圖5 兩種彈條彈程變化情況

3.3.2 軌下墊板

兩種扣件軌下墊板的靜剛度變化情況見圖6。可知：①兩種扣件軌下墊板的靜剛度和靜剛度變化率均隨累計(jì)通過總質(zhì)量增加而增加；②累計(jì)通過總質(zhì)量在0~5億t以內(nèi)時(shí)靜剛度變化較快，累計(jì)通過總質(zhì)量在5億t以上時(shí)兩種扣件軌下墊板靜剛度變化較緩慢；③彈條Ⅱ型扣件橡膠墊板靜剛度變化率大于SH?J型扣件TPEE墊板。

圖6 兩種扣件軌下墊板靜剛度變化情況

4 結(jié)論

基于朔黃鐵路彈條Ⅱ型扣件應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研結(jié)果，根據(jù)朔黃鐵路未來的發(fā)展，研發(fā)了SH?J型扣件并進(jìn)行了現(xiàn)場試鋪，對兩種扣件的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能進(jìn)行了測試，并長期跟蹤觀測了兩種扣件彈條和軌下墊板的使用情況。結(jié)論如下：

1）彈條Ⅱ型扣件主要存在軌下墊板壓潰或竄動(dòng)、軌枕承軌槽磨損、彈條松弛、軌距擋板磨耗較大、擋板座壓潰或斷裂等問題。

2）在保持既有Ⅲ型軌枕不更換的前提下對原有彈條Ⅱ型扣件主要部件進(jìn)行了強(qiáng)化設(shè)計(jì)，研制了SH?J型扣件。SH?J型扣件應(yīng)用效果良好。其最大支點(diǎn)壓力為96.3 kN，小于軌枕承載限值150 kN；30 t軸重試驗(yàn)列車以40、60 km/h的速度通過測點(diǎn)時(shí)SH?J型扣件節(jié)點(diǎn)橫向力最大值分別為30.0、41.5 kN，小于設(shè)計(jì)限值70 kN；SH?J型扣件試驗(yàn)段和彈條Ⅱ型扣件對比段鋼軌軌頭最大橫移量分別為1.62、1.81 mm，均小于維修限值3 mm。

3）SH?J型扣件W3型彈條的彈程衰減速率小于彈條Ⅱ型扣件Ⅱ型彈條，SH?J型扣件TPEE墊板靜剛度變化率小于彈條Ⅱ型扣件橡膠墊板，可適當(dāng)減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。