重载铁路既有扣件的强化与应用

冲击碾压设备应用于软土换填工艺参数研究
马长虹
（ 山西平阳高速公路建设管理处， 山西 阳泉 045100 ）
摘
要： 为了进一步研究冲击压路机对换填土路基的作用效果 ， 对压实次数、 换填土厚度运用沉降差 、 压实度及标准差进行了表 征， 试验表明， 在不同换填砂砾厚度下 ， 存在较优的压实次数与之对应 ， 并提出了合理的厚度压实次数参数 ， 丰富了冲击碾压工艺，
螺母 平垫圈 挡板座 螺旋 道钉 弹条 轨距 挡板 橡胶 垫板
2． 2
橡胶垫板
大秦线的橡胶垫板破坏严重 ， 经常出现垫板压溃、 失效的现
象， 据现场反馈， 严重地段 2 个月 ～ 3 个月就需要更换。 因此针对 选择适当的刚度。 重载铁路对轨下垫板进行重新设计 ， 1） 刚度与材质选择。目前大秦线使用的垫板刚度为 90 kN/ mm ～ 110 kN / mm， 由于轴重大， 如果垫板刚度过小， 在循环荷载作用下， ， ， 很容易使垫板发生塑性变形 无法回弹 引起扣压力损失。 同时， 采用低刚度的垫板， 轴重加大时， 钢轨下沉量过大， 钢轨应力较 大。本设计考虑采用静刚度不小于 400 kN / mm 的轨下垫板。 通 30 t 轴 重 时， 垫 板 静 刚 度 取 400 kN / mm， 钢轨下沉量 过计 算， 1． 3 mm， 35 t 轴重时钢轨下沉量为 1． 5 mm。 垫板材料采用热塑 性弹性体。 2 ） 结构设计。为防止橡胶垫板在钢轨倾翻时偏压产生压溃 ， 在结构设计时， 改变沟槽位置和形状， 提高垫板外侧橡胶的反作 用力， 同时减少垫板的最大应力 。图 3 为强化后橡胶垫板和原橡 胶垫板对比图。垫板的结构分析采用橡胶材料的超弹性有限元 法。橡胶垫板采用 Hyper74 单元即 8 节点平面应变超弹性单元 。 计算结果表明垂向承载 100 kN 时的最大应力为 5． 6 MPa， 小于材 料的拉伸强度 12． 5 MPa， 可满足使用要求。
既有橡胶垫板
图 8 强化后扣件的现场应用
5
改进设计的橡胶垫板
结语
本文在保持弹条 Ⅱ 型扣件和配套轨枕承轨槽结构不变情况 提出以下扣件强化措施 ： 1 ） 增大弹条扣压力和降低工作应力 ， 下， 减缓弹条松弛， 提高疲劳寿命， 减小养护维修工作量。2 ） 与弹条 ， ， 配套 加大轨距挡板宽度 加高钢轨轨底侧棱的挡肋 ， 减少轨距挡 板骑上钢轨轨底的可能性 。3 ） 挡板座加长 ， 降低尼龙挡板座的
表2
序 号 1 3 5 热处理制度 牌号 60Si2Mn 60Si2CrA 55SiCrA 淬火 温度 / ℃ 870 870 870 850 830 ～ 860 淬火 回火 介质 温度 / ℃ 油 油 油 油 油 480 440 420 470 450 抗拉强度 MPa ≥1 275 ≥1 570 ≥1 765 ≥1 860
2 60Si2MnA 4 60Si2CrVA
1 450 ～ 1 750 ≥1 300 ≥6
13 Δ 14 Δ+12
原Ⅱ型弹条
图5
强化后的弹条
轨距挡板强化
3
组装疲劳试验
图2
弹条形式尺寸改变
为检验强化设计后的扣件强度是否满足要求 ， 对扣件进行了 试组装， 如图 6 所示， 扣件能顺利组装， 各部件配合较好。 并按 TB / T 2491 对强化后的扣件系统进行了组装疲劳性能试验 ， 每股 钢轨施加 70 kN 的横向和垂向疲劳荷载 ， 经 300 万次疲劳试验后， 静态轨距扩大 3 mm， 各零部件未损坏， 试验装置如图 7 所示。
图 6 强化后扣件组装示意图
图 7 疲劳强度试验
4
现场应用
为检验强化设计后的扣件现场应用性能 ， 选取了大秦铁路摩 见图 8， 曲线上 天岭工区内的 Ｒ600 m 曲线段重车线进行了试铺， 下股共铺设 60 套强化扣件。扣件铺设至今已经过了 3 年实车运营 年运量均接近 4． 5 亿 t。扣件应用期间， 保持轨道状态良好， 考验， 较既有扣件能减少养护维修工作量， 扣件各零部件无明显损坏。
a）Ⅱ型弹条
139
b）方案一
R36
155
c）方案二
68
68
R2 5
R2
30.5
R2
5
155
150
200
89
R25
R2 0
1
设计原则及设计参数
大秦铁路是目前国内最繁忙的运煤专用线 ， 工务养护维修天 窗时间较短， 采用Ⅲ型混凝土枕、 有砟道床和 75 kg / m 无缝线路， 要求轨道钢轨扣件具有技术先进 、 结构可靠、 安全适用、 维修量少 等特点。本次扣件设计既考虑了大秦铁路轴重大 、 运量大的运输 现状， 又考虑了既有弹条 Ⅱ 型扣件特别是曲线地段扣压力 、 抗横 向力不足的缺点， 同时在保持原有轨枕不更换的前提下采取强化 即维持既有扣件的整体结构， 对个别部件进行强化以提高弹 措施， 条扣压力保持能力、 增大抗钢轨倾翻能力并减少养护维修工作量。 主要 设 计 参 数： 设 计 轴 重： 30 t； 每 个 弹 条 扣 压 力 不 小 于 13 kN； 扣件节点静刚度不小于 400 kN / mm； 连接件抗拔力不小于 60 kN； 弹条疲劳试验 500 万次通过； 组装疲劳试验 300 万次通过； + 8mm 轨顶标高调整量 10 mm； 轨距调整量 － 12 mm ； 电气绝缘性能大于 108 Ω。
10
线、 坡道多而复杂。既有重载线路普遍采用 75 kg / m 钢轨和弹条 Ⅱ型扣件。由于重载列车速度的提高和运量的增加 ， 相应地大幅 增大了对线路的冲击， 大轴重、 高密度的运营条件， 对轨道结构产 生的破坏作用加速发展 ， 线路设备病害发生和发展速度加快 。 大 、 、 道床等部件出现了不同程度的伤 秦线近年来钢轨 轨枕 扣件、 如扣件使用普遍松动、 弹条产生较大残余变形 ， 胶垫压溃； 轨 损， 枕出现各种各样的伤损 ， 严重失效轨枕的伤损形式多表现为轨下 钉孔裂纹、 纵裂和枕中截面环裂等 ； 道砟粉化较为严 截面环裂，
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第 40 卷 第 22 期 2 0 1 4 年 8 月
SHANXI
山
西
AＲCHITECTUＲE
建
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Vol． 40 No． 22 Aug． 2014
文章编号： 1009-6825 （ 2014 ） 22-0162-03
重载铁路既有扣件的强化与应用
刘莺春
（ 太原铁路局茶坞工务段， 北京 101402 ）
外侧轨距挡板爬上钢轨轨底上表面 ， 内侧轨距挡板脱落 轨横移， ， ， 4 。 扣压不住钢轨 出现钢轨倾倒 见图
图4
钢轨倾翻示意图
弹条材质比选
力学性能 屈服强度 延伸率 收缩率 MPa A A113 Z / % ≥1 180 ≥1 370 ≥1 570 ≥6 ≥1 665 ≥6 ≥5 ≥5 ≥25 ≥20 ≥20 ≥20 ≥25
为与弹条侧肢外撇加大配套需适当加大轨距挡板宽度 ， 以安 将轨距挡板加宽至 156 mm。另外为减少轨距挡 装强化后的弹条， 板骑上钢轨轨底的发生可能性 ， 适当加高轨距挡板抵靠钢轨轨底 见图 5 。同时配套加长挡板座加宽至 158 mm， 降低 侧棱的挡肋， 挡板座承压应力， 减缓对轨枕挡肩的作用 。
第 40 卷 第 22 期 2 0 1 4 年 8 月
刘莺春： 重载铁路既有扣件的强化与应用
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尺寸和拱高（ 见图 2 ） ， 以增大弹条扣压力、 保持弹条弹程并减少 。 最大应力 采用弹性力学曲梁单元有限元法对弹条进行了分析 计算， 与既有Ⅱ型弹条相比， 强化后弹条扣压力由 10 kN 增大为 11． 5 kN， 且保持弹程（ 10 mm） 不变， 从而减缓弹条松弛； 强化后弹 条在 安 装 状 态 的 最 大 工 作 应 力 为 1 377 MPa， 比Ⅱ型弹条 1 526 MPa 的最大工作应力降低约 10% ， 提高了弹条强度的安全 储备； 在相同疲劳振幅下， 强化后弹条应力幅度小于 Ⅱ 型弹条， 提 现场养护施工人员适当增 高了疲劳强度； 安装扭矩仅增大 15% ， 大扭力即可将弹条紧固到位 。
68
10
58 68 68
14.43 200 47 14 155
32.01 68
22.5
R2 R 112 R 43. 6 .01 5 13 47
10
重、 道床累积变形大。 扣件作为轨道重要部件之一 ， 对保持轨道 几何尺寸具有重要作用 。若扣件抗钢轨倾翻性能差 ， 在列车轮对 横向冲击作用下Байду номын сангаас 钢轨轨头产生横向位移 ， 动态轨距扩大增加， 过 也将影响列车运行 大的动态轨距扩大不仅加速扣件自身的伤损 ， 的安全性和平稳性。 扣件抵抗钢轨倾翻能力的大小取决于诸多 车辆的轴重、 钢轨抗扭刚度、 轨下胶垫弹性及扣 因素： 如扣压力、 件组装情况等。本文针对大秦重载铁路既有弹条 Ⅱ 型扣件， 对扣 件部件进行强化设计研究， 并在大秦铁路试用以验证其改进效果。
表1
类别 既有Ⅱ型弹条 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 直径 / mm 13 14 14 14 14 14
弹程 / mm 10 10 11 11 13 14
2 2． 1
扣件部件强化措施 弹条
通过比较可以看出， 方案五的弹条弹程、 扣压力以及能力储 ， 。 备均最大 因此选用了方案五 2 ） 材质比选。对适用于弹条的弹簧钢进行比选 ， 见表 2 。 60Si2CrVA 抗拉强度和屈服强度最大 ， 根据表 2 可以看出， 延 因此本设计弹条材质选用 60Si2CrVA。 伸率也较大， 3 ） 强化改进后的弹条。Ⅱ型弹条扣压力为 10 kN， 弹程 10 mm， 最大应力为 1 526 MPa。 通过加大弹条直径、 增大弹条侧肢外撇
要： 在弹条Ⅱ型扣件的基础上， 对扣件部件进行了强化设计研究 ， 并对其进行了室内试验和大秦线现场应用 ， 结果表明， 强化 设计扣件与既有弹条Ⅱ型扣件相比， 具有较强的适应性和较少的后期维修作业量， 能在一定程度上适应我国未来重载运输的要求。 摘 关键词： 重载铁路， 弹条Ⅱ型扣件， 扣件强化 ： U213． 53 中图分类号 文献标识码： A DOI:10.13719/14-1279/tu.2014.22.090 我国既有重载线路及货运改造线路列车轴重普遍在 23 t ～ 25 t， 155 mm 方案、 方案二双肢连通加宽到 155 mm 方案、 方案三 Ⅱ 型 随着重载铁路改造未来列车轴重将达 30 t。 年运量也在逐年提 双肢加宽到 155 mm 方案、 方案四前后端均加宽到 弹条加大半径、 高， 以大秦铁路为例， 列车轴重 25 t， 年运量已达 4． 45 亿 t， 并且曲 200 mm 方案、 方案五前端加宽到 200 mm， 后端 99 mm， 见图 1 。
图3
橡胶垫板结构对比
2． 3
轨距挡板和挡板座
当钢轨承受异常横向荷载时 ， 如果扣件松弛严重， 会导致钢
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弹条强化应同时考虑增大扣压力 ， 适当提高安装扭矩、 保持 减小工作应力， 提高弹条疲劳强度等几方面的因素 。 弹程、 1 ） 方案比选。本次设计主要模拟 5 个方案的弹条扣压作用 过程， 分别为 Ⅱ 型弹条既有方案、 方案一 Ⅱ 型弹条双肢 加 宽 到
22 收稿日期： 2014-05作者简介： 刘莺春（ 1982- ） ， 女， 工程师
.5
5
R30
f）方案五
弹条方案比选
扣压力 / kN 11． 2 14． 1 13． 8 15 15． 3 14． 6 质量 / kg 0． 475 0． 587 0． 587 0． 560 0． 710 0． 654 W 0． 140 0． 141 0． 143 0． 156 0． 143 0． 179
d）方案三
e）方案四
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图 1 五种弹条强化设计方案
由于弹条的设计参数较多 ， 在满足设计要求的扣压力 、 弹程、 最大复合应力、 疲劳强度的前提下， 弹条组装后相同应力水平下 经济性的 单位质量所储存的能量 W 可作为评价弹条设计合理性 、 P 为扣压力， kN； Δ 为弹 指标（ 见表 1 ） 。 W = PΔ / （ mσ max ） 。 其中， mm； m 为弹条质量， kg； σ max 为弹条组装后最大复合应力 ， MPa。 程，
冲击碾压的作用方式冲击碾压是运用压实轮的三边形四边形或五边形轮子的突出点对地面冲击作用而使路基进一步密实在大功率牵引车的牵引下带动多边形冲击碾向前滚动冲击碾在行走过程中重心的抬高和下降形成势能差及前进时的动能冲击集中作用于凸起轮子上形成能量集中最终形成对路基的冲击静压搓揉等作用而使换填砂砾密实进而使路基土向弹性状态趋近