朔黄铁路扣件强化措施及应用效果

张斌 张欢 郄录朝 李子睿 崔树坤 李彦山

1.国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350；2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206；3.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

朔黄铁路是我国重要的西煤东运通道，始发站为神池南站，终点为黄骅港口货场，正线总长近598 km，年累计通过总质量约3.0亿t［1］。目前朔黄铁路主要采用弹条Ⅱ型扣件。通过现场调研和长期跟踪观测发现弹条Ⅱ型扣件已不适应30 t及以上轴重的运营要求。为了朔黄铁路列车的运营安全，延长扣件养护维修周期，必须对弹条Ⅱ型扣件提出强化措施。

1 弹条Ⅱ型扣件使用现状

1.1 轨下垫板及轨枕承轨槽

目前朔黄铁路弹条Ⅱ型扣件配置的轨下垫板有大刚度的轨下垫板（静刚度250～400 kN/mm）以及普通橡胶垫板［2］。铺设轨下垫板区段轨枕承轨槽有磨损现象，铺设普通橡胶垫板区段部分轨下垫板有压溃或窜动现象。

1.2 弹条

部分弹条松弛严重，弹条中肢有明显离缝。部分桥梁区段和钢轨接头区有个别弹条折断。

1.3 轨距挡板

个别区段调整轨距时没有选择合适的轨距挡板，轨距挡板扣压不到位，使其侧棱挡肋移至轨底上表面，以这种方式安装的扣件抵抗钢轨横向力的能力大幅减弱，给行车安全带来不利影响。此外存在轨距挡板压舌磨损的情况，轨距挡板压舌设计厚度8 mm，部分压舌厚度仅4 mm。

1.4 挡板座

朔黄铁路列车轴重为25 t，列车通过时引起的横向力较大［3］。部分扣件外侧挡板座受挤压而上滑，有的甚至断裂。

2 扣件结构强化方案

保持了既有扣件和轨枕的接口尺寸不变，对扣件的轨下垫板、弹条、轨距挡板、挡板座四个部件进行强化。强化后的扣件命名为SH⁃J型扣件。

2.1 弹条

Ⅱ型弹条的强化主要考虑调整弹条的扣压力、弹程、直径、侧肢拱高、外撇尺寸等，同时兼顾弹条紧固扭矩、工作应力、疲劳强度等综合设计。将强化后的弹条命名为W3型弹条，见图1。

图1 弹条强化前后对比（单位：mm）

采用有限元法对强化前后弹条技术参数进行对比，结果见表1。应力幅值为根据额定疲劳振幅计算所得。可见：①强化后弹条扣压力增大15%，提高了抗横向荷载能力；②强化后弹条安装状态的最大工作应力比强化前降低151 MPa，额定疲劳振幅下应力幅值降低21 MPa，强化后弹条安全储备更足；③强化后紧固扭矩仅增大20 N·m，现场施工可行。

表1 强化前后弹条技术参数对比

2.2 轨下橡胶垫板

轨下橡胶垫板在我国铁路扣件中大量采用，大部分垫板服役性能良好，但也存在部分橡胶垫板压溃现象［4］。分析其原因：①经长期研究使用，已制定了较为合理的TB/T 2626—1995《铁道混凝土枕轨下用橡胶垫板技术条件》，产品质量基本得到控制，但不同厂家生产的垫板质量存在一定差异；②因现场轨道服役条件恶劣（钢轨有波磨、道床板结造成下部基础刚度较大等情况），垫板受力不良［5］；③小半径曲线段由于轮轨横向力和钢轨倾翻量较大使得部分轨下垫板出现单边压溃现象［6］。

应综合考虑轨道各部件的受力状态，选用性能优良的材料制作垫板。基于国内外相关研究［7-10］，经比选采用热塑性聚酯弹性体（Thermoplastic Polyester Elastomer，TPEE）材料来生产轨下垫板。利用电子拉力试验机、老化试验箱、万能试验机等设备对TPEE轨下垫板的各项物理性能指标和刚度进行测试，结果见表2。可见：TPEE轨下垫板的物理性能指标、静刚度和动静刚度比均满足技术要求。

表2 TPEE轨下垫板物理性能指标和刚度测试结果

该种垫板不仅强度大、不易被压溃，而且长期服役后静刚度变化率较小。轨下垫板采用凸台结构，见图2。

图2 TPEE轨下垫板结构

2.3 轨距挡板

与弹条Ⅱ型扣件相比，SH⁃J型扣件加大了轨距挡板宽度。经过受力分析，对轨距挡板侧棱的挡肋适当加高，如图3所示。

图3 轨距挡板强化措施

2.4 挡板座

与弹条Ⅱ型扣件相比，SH⁃J型扣件适当加长挡板座（由112 mm加长到了127 mm），降低挡板座承压应力，改善其受力状态，以减小挡板座对轨枕挡肩的作用力。

3 SH⁃J型扣件应用效果

3.1 现场铺设

朔黄铁路试验段（K66+176—K66+793）为半径600 m曲线，总长617 m，线下基础为路基。2013年10月31日在试验段铺设SH⁃J型扣件，见图4。在既有道床和轨枕不更换的情况下，将弹条Ⅱ型扣件换铺为SH⁃J型扣件。

图4 试验段铺设情况

3.2 轨道结构动力性能测试

在铺设的SH⁃J型扣件试验段开展了轨道结构动力性能测试，并选取与试验段相同工况（半径600 m曲线，75 kg/m钢轨和Ⅲa型轨枕，弹条Ⅱ型扣件采用橡胶垫板、静刚度55~80 kN/mm）的对比段。试验列车均为30 t轴重重载列车。

3.2.1 钢轨支点压力

钢轨支点压力测试结果见表3。可知：30 t轴重试验列车通过时SH⁃J型扣件试验段钢轨支点压力比弹条Ⅱ型扣件对比段略大，但其最大支点压力（96.3 kN）仍小于轨枕承载限值（150 kN），具有较大安全余量。

表3 钢轨支点压力测试结果

3.2.2 扣件横向强度

朔黄铁路小半径曲线较多，30 t轴重重载列车通过时轮轨横向力较大。为验证SH⁃J型扣件的横向强度，对其扣件节点横向力进行测试。30 t轴重试验列车以40、60 km/h速度通过测点时SH⁃J型扣件节点横向力最大值分别为30.0、41.5 kN，小于设计限值（70 kN），具有较高的安全储备。

3.2.3 扣件保持轨距能力

钢轨轨头最大横移量见表4。可知：SH⁃J型扣件试验段和弹条Ⅱ型扣件对比段钢轨轨头最大横移量分别为1.62、1.81 mm，均小于维修限值3.0 mm。从内外轨测试数据来看，SH⁃J型扣件试验段钢轨轨头最大横移量均小于弹条Ⅱ型扣件对比段，表明SH⁃J型扣件保持轨距的能力比弹条Ⅱ型扣件强。

表4 钢轨轨头最大横移量

3.3 试验段长期跟踪观测

为了研究朔黄铁路扣件零部件的劣化伤损规律，对试验段的SH⁃J型扣件W3型弹条和对比段的弹条Ⅱ型扣件Ⅱ型弹条的弹程，以及两种扣件轨下垫板的静刚度进行了长期跟踪观测。

3.3.1 弹条

两种弹条弹程变化情况见图5。可知：累计通过总质量在2亿t以内时，两种弹条的弹程均随着累计通过总质量增加而快速衰减；累计通过总质量在2亿t以上时，随着累计通过总质量的增加两种弹条的弹程衰减速率变缓，Ⅱ型弹条的弹程衰减速率大于W3型弹条。

图5 两种弹条弹程变化情况

3.3.2 轨下垫板

两种扣件轨下垫板的静刚度变化情况见图6。可知：①两种扣件轨下垫板的静刚度和静刚度变化率均随累计通过总质量增加而增加；②累计通过总质量在0~5亿t以内时静刚度变化较快，累计通过总质量在5亿t以上时两种扣件轨下垫板静刚度变化较缓慢；③弹条Ⅱ型扣件橡胶垫板静刚度变化率大于SH⁃J型扣件TPEE垫板。

图6 两种扣件轨下垫板静刚度变化情况

4 结论

基于朔黄铁路弹条Ⅱ型扣件应用现状调研结果，根据朔黄铁路未来的发展，研发了SH⁃J型扣件并进行了现场试铺，对两种扣件的轨道结构动力性能进行了测试，并长期跟踪观测了两种扣件弹条和轨下垫板的使用情况。结论如下：

1）弹条Ⅱ型扣件主要存在轨下垫板压溃或窜动、轨枕承轨槽磨损、弹条松弛、轨距挡板磨耗较大、挡板座压溃或断裂等问题。

2）在保持既有Ⅲ型轨枕不更换的前提下对原有弹条Ⅱ型扣件主要部件进行了强化设计，研制了SH⁃J型扣件。SH⁃J型扣件应用效果良好。其最大支点压力为96.3 kN，小于轨枕承载限值150 kN；30 t轴重试验列车以40、60 km/h的速度通过测点时SH⁃J型扣件节点横向力最大值分别为30.0、41.5 kN，小于设计限值70 kN；SH⁃J型扣件试验段和弹条Ⅱ型扣件对比段钢轨轨头最大横移量分别为1.62、1.81 mm，均小于维修限值3 mm。

3）SH⁃J型扣件W3型弹条的弹程衰减速率小于弹条Ⅱ型扣件Ⅱ型弹条，SH⁃J型扣件TPEE垫板静刚度变化率小于弹条Ⅱ型扣件橡胶垫板，可适当减少养护维修工作量。