城市轨道交通钢轨扣件的研究与设计

摘 要 重点论述城市轨道 交通 工程钢轨用扣件的性能、技术参数及设计要求, 分析 目前 我国城市轨道交通中主要钢轨扣件的使用情况及需要 研究 的 问题 。

关键词 城市轨道交通 钢轨扣件 减振 轨距 水平调整量 道床

钢轨扣件的作用是保持钢轨的正确位置,防止钢轨纵横向位移,提供一定的轨道弹性,并将钢轨所受的力传递给轨下基础。

1 主要性能

1)有足够的强度和耐久性

城市轨道交通运营时间长、行车密度高、维修条件差,要求钢轨扣件必须具有足够的强度和耐久性,以确保行车安全。

2)有一定的轨距和水平调整性能

城市轨道交通多采用整体道床结构,线路曲线半径小,钢轨存在磨耗。这就要求扣件应具有一定的轨距、水平调整性能,以解决曲线钢轨磨耗和结构的不均匀沉降及施工误差所造成的轨距、钢轨水平超限。

3)有良好的绝缘性能

城市轨道交通一般均利用走行轨作为回流轨,这就要求扣件必须具备良好的绝缘性能,防止电流通过扣件泄漏,造成结构钢筋和市政管线的电腐蚀。

4)有良好的减振弹性

城市轨道交通穿行于居民区内,对减振降噪的环保要求很高,钢轨扣件必须具有良好的减振性能,衰减轨道振动,降低噪声传播。

5)有一定的通用互换性

扣件结构应力求简单,零部件少,具有一定的通用互换性,造价低,施工和维修方便。

2 设计参数

确定城市轨道交通钢轨扣件的设计参数必须考虑其相关工程的情况:线路敷设方式、线路技术参数、行车速度、车辆轴重及钢轨类型等。扣件的主要设计参数包括:扣压力、防爬阻力、节点刚度、耐疲劳性能、轨距及水平调整量、绝缘性能等。一般可通过下列方式,确定其设计参数。

2.1 扣压力及防爬阻力

扣件的扣压力和防爬阻力是一对共生参数,静态防爬阻力等于扣压力乘以综合摩擦系数。

扣件的扣压力的大小是确保钢轨稳定的关键,它与车辆的轴重、速度及是否采用无缝线路及轨下垫层的性能有关。当车辆轴重大、速度较高,采用一般线路时,要求钢轨扣件的扣压力就大;轴重轻、速度低,采用无缝线路时,扣压力可以小一些。扣压力的大小应保证在扣件的使用周期里,当列车制动时,钢轨不发生永久性位移。对于城市轻轨,一般轴重低于160kN,速度不超过100km/h,故对扣件扣压力的要求不是很高, 理论 计算 及实践证明,单一扣压件的扣压力在6~8kN是可以满足要求的。值得注意的是:过大的扣压力并不是有利的,这将导致轨下弹性垫层的初始压缩量增大,损失减振弹性。

2.2 扣件节点刚度

扣件的节点刚度是考查扣件弹性的指标,包括静刚度值、动刚度值及动静比,均需通过室内试验确定。扣件垂向静刚度值是取扣件压缩变形曲线某一段的割线斜率来确定的,一般20~40kN/mm比较合适;动刚度值是扣件的重要指标,表明扣件在动荷载作用下的弹性,即减振性能;设计扣件动静比应控制在1.4以下。

2.3 轨距及水平调整性能

考虑城市景观及运营维修的方便,城市轨道交通地下线、高架线多采用整体道床,在施工、运营中结构均会有施工误差,产生不均匀的沉降。同时,也会因轮轨互相作用使轨距及钢轨水平发生变化而超限。

轨距调整量主要是解决施工误差和钢轨侧磨而致轨距超限的问题,故要求负的调整量要大。考虑城市轨道交通工务大修周期长,日常维修条件差,要求扣件的轨距调整量比国铁的大,整体道床扣件轨距调整量一般可设计为+

8、-12mm。

结构的沉降绝大部分是在结构设计时考虑并采取措施,但小量的变化仍需钢轨扣件来调整。就目前的结构及轨道施工技术,对地下线要求钢轨扣件有20~30mm的水平调整量。水平调整量的大小与地质情况密切相关,在不良地质条件下,需要扣件有大的水平调整量。对于高架线,要求钢轨扣件有30~40mm水平调整量,主要解决由于相邻桥墩的沉降差落值及梁的收缩徐变而引起的梁面上拱。

2.4 绝缘性能

城市轨道交通对钢轨扣件的绝缘性能要求很高,一方面是走行轨作为供电回流轨的要求,另一方面是移动闭塞信号的要求。扣件绝缘性能不好,长此以往,除导致大量电流泄漏、浪费电能外,还会因杂散电流而腐蚀结构钢筋和市政管线。

在城市轨道设计中,供电、信号等专业对钢轨扣件的绝缘性能都会提出具体要求。就目前的材料技术,达到这些要求是完全可行的。通常扣件中的单个绝缘部件常态绝缘电阻均可以达到108Ω以上,能满足对扣件的绝缘要求。

2.5 耐久性能

扣件的耐久性是通过疲劳试验来验证的,疲劳试验能验证扣件抵抗重复荷载的性能,我国通常是取小半径曲线上的扣件所受的最大荷载来进行试验的。设计扣件时,要依据地铁实测小半径200m曲线地段扣件所受的力,并参照国内外同类扣件的设计荷载。要求组装扣件疲劳荷载一般取竖向50kN,横向30kN,能承受300万次疲劳荷载的循环试验,各部件不损坏。

3 设计要求

城市轨道交通钢轨扣件从结构型式上大致分为两种:一种是带铁垫板的弹性分开式扣件,用于整体道床和地面线木枕碎石道床,另一种是不带铁垫板的弹性不分开式扣件,用于地面线和高架线砼枕碎石道床,一般采用国铁扣件。

从扣压件型式上分也有两种:一种是有螺栓的弹条扣件,用于高架线、地面线和地下线的整体道床,可以根据无缝线路对扣件扣压力的要求适时调整;另一种是无螺栓弹条扣件,多用于地下线整体道床和地面线碎石道床。

从轮轨横向力的承受形式上分有两种:一种是靠传递给轨枕挡肩承受,一种是靠扣件铁垫板与轨枕间的水平摩擦力和螺旋道钉承受。前一种是传统的构造形式,扣件结构较安全,但限制了钢轨水平调整量;后一种目前采用较多,要求扣件铁垫板与轨下基础必须有可靠的连接,避免螺旋道钉弯曲应力过大而折断,这就必须控制好铁垫板下的垫层弹性及厚度。

设计钢轨扣件应首先从与之相关的工程特点及车辆技术条件入手,研究线路平面条件和车辆相关参数,并对相似工程的钢轨扣件使用情况调研,由此初步确定扣件的整体结构型式和设计参数,进而对各部件进行详细设计,并加工试制,验证其工艺可行性,再对各部件进行室内整装试验,验证其可靠性,最终完成设计。

4 使用情况

1965年北京城建设计研究总院承担了我国第一条地下铁道钢轨扣件的研究设计,经过了近40年的研究设计、探索,逐步形成了适用于各种线路敷设方式、门类齐全的城市轨道交通钢轨扣件系列,满足了我国城市轨道交通 发展 的需要,见图1~图4及表1。

5 需进一步 研究 的 问题

近年来,我国城市轨道 交通 发展 迅速,对轨道技术的要求也越来越高,随着我国工程设计市场的开放及与国外轨道技术的交流,促进了钢轨扣件技术的发展。 目前 ,需着重研究以下课题。

5.1 扣件结构及统一性的研究

扣件结构的统一性无疑会对加工订货和运营设备的维护管理带来很大的方便。

目前,国内同一条地铁线上同时存在多种扣件结构,分别适用于地下线、高架线及地面线,车场线及库内又各自不同,给设备的管理带来一定麻烦。运营部门要求扣件结构统一的呼声较高,设计部门对此也十分重视。对于高架线和地下线,通过与相关专业的紧密配合,调整扣件设计参数,有可能统一;对于地面线和车场线,可以统一用一种扣件,使一条线的扣件种类大大减少,为设备管理提供方便。

5.2 减振弹性的研究

通过扣件的减振降噪,可在一定程度上降低轨道振动和噪声,且工程投资远低于其他减振措施的投资。

对减振弹性的研究侧重于两个方面,一是从改变扣件的结构设计入手,采用黏结铁垫板的结构,利用减振材料将上、下铁垫板黏结,这样可有效过滤轨道振动,研究的重点是黏结材料的减振性能及耐久性。二是寻求探索新的减振材料,如热塑性弹性体材料的研究 应用 。新材料的研究重点是改善传统的橡胶减振材料的动静比、材料的回收翻新使用、提高材料的耐久性等,这有利于环保。

通过研究,单靠扣件即能将振动降低12dB,可以达到弹性套靴整体道床的减振效果。

5.3 扣件与轨枕连接技术的研究

现在的轨道交通中,扣件与轨枕的连接多采用预埋套管和螺旋道钉的方式,连接时将道钉按规定的扭紧力矩拧进套管。这种方式存在两个问题:一是随着车轴荷载的反复作用,螺旋道钉有松弛的现象,导致摩擦力抵抗横向力的能力降低,螺旋道钉受弯而折断失效;二是由于两种材料的部件生产制造、公差配合困难,使套管螺扣受力极不均匀,容易产生螺扣破损而使连接失效。要进一步研究螺旋道钉的振动缓冲和防松措施,研究两部件螺纹的配合关系,确保有效连接。

5.4 扣件防锈技术的研究

城市轨道交通钢轨扣件的防锈尤为重要,一方面是延长其使用寿命,另一方面是整洁、美观的要求。传统防锈技术包括浸油、喷漆、渡锌,均不是长效的防锈措施。目前,最新防锈技术为达克罗表面涂覆和多元气体共渗防锈,但在轨道交通领域的使用效果尚无定论。今后应着重研究弹条及螺旋道钉的防锈技术,彻底解决因锈蚀而折断失效的问题。

我国不同时期研究与设计使用的钢轨扣件系列,适应了城市轨道交通的迅速发展,满足了建设需要,保证了行车安全。目前,国际轨道技术发展很快,应结合我国情况,解决好目前存在的问题,研究出高新技术扣件,使我国钢轨扣件技术再上新台阶。

参考 文献 [2]吴建忠,李湘久,武江虹.北京城市铁路弹性扣件的研究设计[J].铁道建筑,2003(增刊).

[3]吴建忠.北京地铁八通线减振降噪措施[J].铁道建筑,2003

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