馬德東

(中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司工務(wù)處，遼寧沈陽(yáng) 110001)

京哈線秦沈段于2003年10月12日開通運(yùn)營(yíng)，基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)速度250 km/h。目前列車最高運(yùn)行速度200 km/h，以動(dòng)車組為主，兼顧少量普通客運(yùn)列車。

京哈線秦沈段沙河特大橋、狗河特大橋和雙何特大橋采用無砟軌道配套小阻力扣件。橋上線路基本情況見表1。

表1 橋上線路基本情況

扣件存在彈條易脫落、鋼軌左右位置調(diào)整困難、扣件無鋼軌高低位置負(fù)調(diào)整功能、零部件不通用等問題，給線路養(yǎng)護(hù)維修和零部件采購(gòu)帶來了很大的難度。改進(jìn)型扣件的設(shè)計(jì)是為了解決這些問題。

1 原有扣件結(jié)構(gòu)分析

1.1 Ⅱ型彈條彈性分開式扣件

Ⅱ型彈條彈性分開式扣件結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-2]。

Ⅱ型彈條彈性分開式扣件為無擋肩結(jié)構(gòu)，具有以下主要特征:

1)軌道板承軌槽不設(shè)混凝土擋肩，鐵墊板上設(shè)置1∶40軌底坡，鋼軌傳來的橫向荷載主要由錨固螺栓承受。由于軌道板上預(yù)埋套管的埋設(shè)位置為對(duì)稱布置(見圖2)，造成了左右股鋼軌使用不同的鐵墊板，不能互換使用。

圖1 Ⅱ型彈條彈性分開式扣件

圖2 軌道板上預(yù)埋套管埋設(shè)位置

2)鐵墊板擋肩與鋼軌間設(shè)有鑄造軌距塊用以調(diào)整軌距，軌距塊結(jié)構(gòu)如圖3所示，軌距塊上表面的凸臺(tái)用于控制彈條安裝狀態(tài)。由于凸臺(tái)的位置不一致，故左右股鋼軌的軌距塊不通用，為2種型號(hào)規(guī)格。

圖3 軌距塊

3)采用Ⅱ型彈條扣壓鋼軌，通過安裝在鐵墊板燕尾槽上的T型螺栓緊固彈條。彈條扣壓肢安放在軌距塊上表面，安裝時(shí)以中肢前端與軌距塊凸臺(tái)位置接觸為準(zhǔn)，如圖4所示。由于凸臺(tái)高度為4.5 mm，故安裝完成后彈條中肢前端的變形由原有10 mm減小為5.5 mm，即實(shí)際使用的彈程為5.5 mm，此時(shí)扣壓力約為5 kN。通過該方式降低彈條的扣壓力，同時(shí)配以設(shè)置在鋼軌軌底與鐵墊板間摩擦系數(shù)較小的復(fù)合墊板實(shí)現(xiàn)小阻力功能。

圖4 彈條安裝位置

4)鐵墊板通過錨固螺栓與軌道板中的預(yù)埋套管配合緊固。錨固螺栓與鐵墊板孔之間放置尼龍材料的調(diào)距扣板用以調(diào)整軌距，調(diào)距扣板分0號(hào)和8號(hào)。調(diào)距扣板結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 調(diào)距扣板

Ⅱ型彈條彈性分開式扣件由于受扣件結(jié)構(gòu)所限，在現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)主要存在的問題有:①由于軌距塊只有2 mm一級(jí)的正調(diào)整、調(diào)距扣板只有8 mm一級(jí)的負(fù)調(diào)整，在進(jìn)行軌距或軌向調(diào)整時(shí)，需同時(shí)松開聯(lián)結(jié)軌道板和鐵墊板的錨固螺栓和緊固彈條的T型螺栓進(jìn)行搭配調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)操作困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極大地增加了養(yǎng)護(hù)維修工作量，且多次松緊錨固螺栓易造成預(yù)埋套管損壞。②由于彈條實(shí)際使用彈程僅為5.5 mm(正常使用時(shí)為10 mm)，彈條易產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，給列車運(yùn)營(yíng)造成安全隱患。③鐵墊板、軌距塊等零部件鋼軌左右股不通用，上道更換時(shí)需攜帶不同型號(hào)的零部件，還需根據(jù)鋼軌左右位置進(jìn)行零部件配套安裝，給養(yǎng)護(hù)維修帶來不便。④扣件節(jié)點(diǎn)橫向力主要靠錨固螺栓傳遞，錨固螺栓與預(yù)埋套管易損壞。由于京哈線秦沈段有少量普通客運(yùn)列車，機(jī)車軸重相對(duì)較大，扣件橫向穩(wěn)定性有待增強(qiáng)。

1.2 WJ-2型扣件

WJ-2型扣件的結(jié)構(gòu)如圖6所示[3]。

圖6 WJ-2型扣件

WJ-2型扣件為無擋肩結(jié)構(gòu)，具有以下主要特征:

1)長(zhǎng)枕承軌槽不設(shè)混凝土擋肩，鐵墊板上設(shè)置1∶40軌底坡，鋼軌傳來的橫向荷載主要由鐵墊板的摩擦力克服。長(zhǎng)枕上預(yù)埋套管的埋設(shè)位置如圖7所示，為旋轉(zhuǎn)180°布置，左右股鋼軌的鐵墊板可互換，通用性好。

圖7 長(zhǎng)枕上預(yù)埋套管埋設(shè)位置

2)鐵墊板擋肩與鋼軌間不設(shè)置軌距塊，調(diào)整軌向和軌距時(shí)通過移動(dòng)帶有長(zhǎng)圓孔的鐵墊板來實(shí)現(xiàn)，為連續(xù)無級(jí)調(diào)整，因而可實(shí)現(xiàn)軌距和軌向的精細(xì)調(diào)整，軌距調(diào)整量為±20 mm。

3)鐵墊板上安裝WJ-2型扣件小阻力彈條，通過安裝在鐵墊板梅花孔上的T型螺栓緊固彈條。彈條側(cè)肢和中肢均扣壓在鋼軌上，此時(shí)彈條彈程11.5 mm，設(shè)計(jì)扣壓力4 kN。通過使用小扣壓力彈條，同時(shí)配以設(shè)置在鋼軌軌底與鐵墊板間摩擦系數(shù)較小的復(fù)合墊板實(shí)現(xiàn)小阻力功能。

4)鐵墊板通過錨固螺栓與預(yù)埋于軌道板中的預(yù)埋套管配合緊固。錨固螺栓與鐵墊板之間放置平墊塊以增加錨固螺栓緊固處鐵墊板剛度，同時(shí)起防止軌距過大的作用。平墊塊如圖8所示。

圖8 平墊塊

WJ-2型彈條在現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)主要存在如下問題:

①?gòu)棗l尾部和鐵墊板安裝位置如圖9所示，在軌下調(diào)高量較大時(shí)，彈條仰角較大，彈條易發(fā)生尾部從鐵墊板支承座位置脫落的情況，從而無法扣壓鋼軌。

圖9 彈條尾部和鐵墊板安裝位置示意

②在進(jìn)行軌距或軌向調(diào)整時(shí)，需松開聯(lián)結(jié)長(zhǎng)枕和鐵墊板的錨固螺栓進(jìn)行調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)操作困難，且多次松緊錨固螺栓易造成預(yù)埋套管損壞。

③該扣件絕緣緩沖墊板只有5 mm厚一種規(guī)格，無法進(jìn)行鋼軌高低位置負(fù)調(diào)整。

④該扣件利用鐵墊板的摩擦力克服鋼軌傳來的橫向力，由于京哈線秦沈段有少量普通客運(yùn)列車，機(jī)車軸重相對(duì)較大，扣件橫向穩(wěn)定性有待增強(qiáng)。

2 改進(jìn)型扣件設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)原則

1)如果改動(dòng)既有軌道板上的長(zhǎng)枕預(yù)埋套管，施工工作量過大且易造成混凝土基礎(chǔ)損壞，故扣件在原有套管基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)三座特大橋上除鐵墊板外的零部件盡可能采用通用件，方便現(xiàn)場(chǎng)施工操作，降低養(yǎng)護(hù)維修成本。

3)鑒于目前鋼軌左右位置調(diào)整困難，采用方便可行的調(diào)整方式，同時(shí)適當(dāng)增加鋼軌左右位置調(diào)整量。

4)由于特大橋兩邊均為有砟軌道，為保證軌道高低平順性，方便現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修，新扣件應(yīng)具備鋼軌高低位置負(fù)調(diào)整功能。

5)考慮無砟軌道和有砟軌道區(qū)段的剛度匹配，更換新扣件后，應(yīng)不改變既有線路的軌道剛度，且不降低軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)原有扣件的設(shè)計(jì)參數(shù)和線路條件、運(yùn)營(yíng)條件，確定改進(jìn)型扣件的設(shè)計(jì)參數(shù)如下:①在鐵墊板上設(shè)置1∶40軌底坡。②單組扣件的鋼軌縱向阻力設(shè)計(jì)值取(4±1)kN。③彈性墊層靜剛度為 40～60 kN/mm。④彈條的彈程不小于12 mm。⑤扣件組裝疲勞性能應(yīng)滿足TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第1部分:通用技術(shù)條件》[4]的要求。⑥預(yù)埋套管的抗拔力不小于100 kN。⑦按TB/T 3396.5—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法 第5部分:絕緣電阻的測(cè)定》[5]測(cè)試時(shí)，扣件的絕緣電阻不應(yīng)小于5 kΩ。⑧單股鋼軌左右位置調(diào)整范圍不小于±17 mm，軌距調(diào)整能力不小于±34 mm，調(diào)整級(jí)差1 mm。⑨鋼軌高低位置調(diào)整范圍不小于-4～+30 mm，調(diào)整級(jí)差1 mm。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改進(jìn)型扣件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 京哈線秦沈段無砟軌道改進(jìn)型扣件結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型扣件結(jié)構(gòu)是在WJ-2型扣件基礎(chǔ)上針對(duì)原有2種扣件存在的問題進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取的改進(jìn)措施如下:

1)提高扣件零部件通用性

通過鐵墊板結(jié)構(gòu)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)除鐵墊板外所有零部件通用，同時(shí)采用X2彈條和T型螺栓T1，實(shí)現(xiàn)與沈陽(yáng)局管內(nèi)高速鐵路WJ-7型扣件零部件通用[6]。

2)提高扣件抗橫向荷載的能力

原有扣件系統(tǒng)僅通過鐵墊板的摩擦力或錨固螺栓抗剪力克服鋼軌傳遞來的橫向荷載。在新扣件設(shè)計(jì)時(shí)，在鐵墊板和平墊塊上采用了鋸齒結(jié)構(gòu)，室內(nèi)試驗(yàn)及WJ-2A型扣件的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證明，通過兩個(gè)零部件間的鋸齒嚙合大大提高了扣件抗橫向荷載能力，可有效提高軌向和軌距的保持能力。

3)減緩彈條扣壓力衰減，減少?gòu)棗l脫落

采用高速鐵路用高彈性、高疲勞強(qiáng)度的X2型彈條，減小了在疲勞荷載作用下彈條的殘余變形，可有效防止彈條松弛，保持彈條扣壓力。同時(shí)通過降低彈條尾部和扣壓端的高差、在彈條跟端支承座設(shè)置前后限位槽等技術(shù)措施，減少了彈條脫落現(xiàn)象。

4)改進(jìn)T型螺栓在鐵墊板中的固定方式

Ⅱ型彈條彈性分開式扣件的T型螺栓利用鐵墊板擋肩的燕尾槽進(jìn)行固定，缺點(diǎn)是螺栓容易前后歪斜，特別是在軌下墊入調(diào)高墊板時(shí)更容易歪斜。WJ-2型扣件利用鐵墊板內(nèi)開設(shè)的梅花孔進(jìn)行固定，解決了螺栓前后易歪斜的問題，使用情況良好，但原設(shè)計(jì)在松開螺栓時(shí)容易發(fā)生螺栓脫落現(xiàn)象。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用WJ-7型鐵墊板梅花孔的設(shè)置方式，即加深了孔的深度，梅花孔兩側(cè)設(shè)置肋緣，螺栓就位后可防止螺栓正反2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

5)方便鋼軌高低和左右位置調(diào)整

①鋼軌高低位置調(diào)整。為使新設(shè)計(jì)的扣件鋼軌標(biāo)高與既有扣件一致，在鐵墊板下設(shè)置7 mm厚的絕緣緩沖墊板，當(dāng)鋼軌高低位置需要負(fù)調(diào)整時(shí)，將該墊板更換為3 mm厚的絕緣緩沖墊板。適當(dāng)提高高速鐵路墊板擋肩高度，通過在鐵墊板和復(fù)合墊板間墊入軌下調(diào)高墊板進(jìn)行鋼軌高低位置微調(diào)高，當(dāng)需要更大鋼軌高低位置調(diào)整時(shí)，可在鐵墊板和絕緣緩沖墊板間墊入鐵墊板下調(diào)高墊板進(jìn)行調(diào)整。通過以上措施可實(shí)現(xiàn)鋼軌高低位置調(diào)整量-4～+30 mm。

②鋼軌左右位置調(diào)整。通過調(diào)整鐵墊板擋肩和鋼軌間的絕緣軌距塊，可實(shí)現(xiàn)單股鋼軌左右位置±5 mm的調(diào)整；當(dāng)需要較大的鋼軌左右位置調(diào)整時(shí)，可通過挪動(dòng)鐵墊板進(jìn)行調(diào)整。兩者結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)單股鋼軌左右位置調(diào)整量±17 mm，軌距調(diào)整量±34 mm。

4 室內(nèi)試驗(yàn)

為驗(yàn)證改進(jìn)型扣件的整體性能，對(duì)其進(jìn)行了鋼軌縱向阻力、組裝疲勞性能和絕緣性能測(cè)試。

4.1 鋼軌縱向阻力試驗(yàn)

按TB/T 3396.1—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法第1部分:鋼軌縱向阻力的測(cè)定》[7]對(duì)扣件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下的鋼軌縱向阻力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表2。結(jié)果表明，扣件鋼軌縱向阻力滿足(4±1)kN的技術(shù)要求。

表2 鋼軌縱向阻力測(cè)試結(jié)果 kN

4.2 組裝疲勞性能試驗(yàn)

按照TB/T 3395.1—2015分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下和鋼軌最大調(diào)高(+30 mm)狀態(tài)下的改進(jìn)型扣件進(jìn)行了組裝疲勞試驗(yàn)。

經(jīng)300萬次荷載循環(huán)后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下，扣件各零部件均未出現(xiàn)傷損，軌距擴(kuò)大量3.0 mm，鋼軌縱向阻力、組裝扣壓力和組裝靜剛度變化率最大值分別為6.7%，5.7%和17.0%，滿足“軌距擴(kuò)大量不大于6 mm，鋼軌縱向阻力變化率不大于20%、組裝扣壓力變化率不大于20%、組裝靜剛度變化率不大于25%”的技術(shù)要求。鋼軌最大調(diào)高狀態(tài)下，扣件各零部件均未出現(xiàn)傷損，軌距擴(kuò)大量3.5 mm，滿足“軌距擴(kuò)大量不大于6 mm”的技術(shù)要求。

表3 組裝疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果

4.3 絕緣性能試驗(yàn)

在扣件標(biāo)準(zhǔn)組裝狀態(tài)下的絕緣電阻按TB/T 3396.5—2015進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，扣件兩軌間最小絕緣電阻22.9 kΩ，滿足扣件絕緣電阻不小于5 kΩ的技術(shù)要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)試鋪

為考察新研制的改進(jìn)型扣件與線路既有預(yù)埋套管的配合情況及扣件各零部件安裝狀態(tài)，于2017年9月14日在京哈線秦沈段雙何特大橋上行線K496+760處進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試鋪，共鋪設(shè)2套扣件，如圖11所示。

圖11 雙何特大橋試鋪的改進(jìn)型扣件

2套扣件均按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)安裝，結(jié)果表明:

1)改進(jìn)型扣件在現(xiàn)場(chǎng)安裝狀態(tài)良好，各部件間無明顯的干涉和離縫，錨固螺栓可順利旋入預(yù)埋套管內(nèi)，且長(zhǎng)度適中。

2)改進(jìn)型扣件組裝完成后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量線路軌距、水平和高低均無明顯變化。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)京哈線秦沈段沙河特大橋、狗河特大橋和雙何特大橋無砟軌道原有小阻力扣件存在的問題進(jìn)行了分析，研發(fā)了改進(jìn)型扣件。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試鋪，該扣件滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝要求。但在大批量上道應(yīng)用前還需選取部分區(qū)段進(jìn)行試用試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證扣件的現(xiàn)場(chǎng)使用性能。