客货共线铁路道岔区扣件系统的研究与设计
2023-10-29
来源:榕意旅游网
铁130 道建筑 Railway Engineering 文章编号:1003—1995(2017)01-0130-05 客货共线铁路道岔区扣件系统的研究与设计 王 猛 , (1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京100081) 摘 要 结合新建天水至平凉客货共线铁路工程,从兼顾动车组和货车对扣件系统的舒适性和长寿命 需求出发,研发了道岔区预埋铁座式的弹性分开式扣件系统。为实现扣件系统高弹性,经比选采用W1 型弹条扣压铁垫板,Ⅱ型弹条扣压钢轨。扣件系统节点静刚度确定为40 kN/mm,并按扣件系统功能进 行分段设计以满足轨道刚度均匀化需求。经室内试验验证和现场铺设考核,扣件系统能够满足旅客列 车舒适性要求,同时能够减少岔区轨道结构养护维修工作量,延长扣件系统使用寿命。 关键词 客货共线铁路;岔区扣件系统;弹性垫层;刚度;室内试验;现场铺设 中图分类号U213.5 3 文献标识码A DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2017.01.30 近年来,我国加大了中西部省份铁路的建设力度。 受地形限制,这些铁路往往桥隧相连,且长大隧道和长 大桥梁比重较高。长大隧道内有砟轨道作业困难,为 解决道床清筛等难题,开始在隧道内及桥上铺设无砟 轨道。 1相关道岔扣件系统概况 1.1南非重载道岔扣件 南非铁路从锡申到萨拉旦哈德的861 km矿石专 线,每日开行5对列车,列车编组216辆,总重为2.3 新建的天(水)平(凉)铁路从陇海铁路天水站引 出,经麦积、清水、张家川,沿莲花台抵达平凉,全长约 123 km,速度目标值120 km/h。该铁路以运煤为主兼 顾客货运输,其中关山隧道和六盘山隧道之间的莲花 台车站铺设无砟轨道。 为了解决在无砟轨道客货共线铁路铺设道岔的问 万~2.6万t,由9台电力机车牵引,最高运行速度 70 km/h。其重载铁路道岔扣件主要使用英国 PANDROL扣件。 道岔区PANDROL扣件为带铁垫板的无挡肩无螺 栓扣件,由铁垫板、弹条、绝缘轨距块、预埋铁座、铁垫 板下弹性垫板和轨下缓冲垫板组成,如图1所示。 题,在总结分析遂渝线无砟道岔、高速铁路和重载道岔 等应用实践的基础上,设计了新型60 kg/m钢轨12号 无砟道岔(图号:研线1505)。道岔前长16.592 m,后 长26.608 m,总长43.2 m,导曲线半径350 m,辙叉采 用可动心轨辙叉,仅在侧向设置护轨。道岔设计轴重 27 t及以下。允许通过速度:直向重载货物列车 100 km/h,其他货物列车120 km/h,客车200 km/h;侧 向45 km/h。 为同时满足27 t轴重重载货物列车和时速 200 km动车组运行,岔区扣件系统的设计是该道岔的 图1 南非道岔区扣件结构 关键技术。扣件系统从结构设计、弹性垫层布置、刚度 设置和抗纵向位移等多方面综合考虑,使扣件系统能 够兼顾弹性和承载能力,且能够适应无砟轨道养护维 修模式。 收稿日期:2Ol6—11-25;修回日期:2o16・12・lO 这种结构的主要优点是抗横向疲劳荷载能力强, 扣件零部件少、安装方便,大大减少养护维修工作量, 可满足重载横向荷载要求。缺点是由于采用无螺栓扣 件,因此不能进行钢轨高低位置调整。 1.2澳大利亚重载道岔扣件 澳大利亚的重载铁路发展迅速,以必和必拓公司 基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划(2014G005-D) 作者简介:王猛(1982一),男,助理研究员。 E-mail:hayesl213@126.Corn 为例,目前从矿区和港口开行的铁矿石重载列车每列 20I7年第1期 王 猛:客货共线铁路道岔区扣件系统的研究与设计 总重3万~4万t,黑德兰港至纽曼矿426 km的线路 虑客运列车的安全性和舒适性。因此,客货共线铁路 岔区扣件系统采用岔枕预埋铁座式的弹性分开式扣件 系统。 年运量超过1.09亿t。其重载铁路道岔扣件主要使用 英国PANDROL扣件,如图2所示。 其主要结构特征如下: 1)扣件结构为带铁垫板的弹性分开式结构,铁垫 板最小厚度为25 mm; 2)混凝土岔枕上预埋铁座,在铁座上安装T形螺 栓紧固W1型弹条扣压铁垫板; 3)铁垫板上设有铁座,在铁座上安装T形螺栓紧 固Ⅱ型弹条扣压钢轨; 4)钢轨下设5 mm厚橡胶垫板起缓冲作用,铁垫 板下设20 mm厚弹性垫层起弹性作用; 5)铁垫板上铁座与钢轨间设轨距块,用以调整钢 轨左右位置; 图2澳大利亚道岔区扣件结构 6)铁垫板与预埋铁座间设置绝缘轨距块,起绝缘 作用,同时用以调整钢轨左右位置; 7)钢轨高低位置的调整,由铁垫板下垫入调高垫 板实现。 这种结构的主要优点是岔枕制造工艺简单,扣件 可进行钢轨高低位置调整,但扣件零部件较多,安装 复杂。 扣件系统能够实现单股钢轨一8~+6 mm调整 量,高程一4~+l6 mm调整量,零部件组成见图4。 Ⅱ型弹条 1.3 国内道岔区扣件系统概况 自1996年提速道岔研制成功以来,我国相继研制 了多种型号的提速道岔,这些道岔在我国既有线5次 全面提速和客运专线建设中起到了关键作用。道岔扣 件系统作为道岔钢轨件与混凝土岔枕联结中的关键环 节,基本结构一直沿用当时开发的带铁垫板的弹性分 wI型弹条 岔枕上预 埋铁座 弹性垫层 开式扣件结构。这种结构具有结构紧凑、扣压力大、弹 性好、保持轨距能力强、安装方便等多种优点,有效地 调高垫扳 提高了道岔整体结构的强度和稳定性,如图3所示。 图4 客货共线无砟道岔扣件组成 为减少制造加工难度,对道岔区扣件系统按长度 和功能进行分类,铁垫板最长l 540 mm,最短406 mm, 共计l5种规格,224块,见表1。 表1 客货共线铁路l2号无砟道岔扣件系统垫板规格与数量 图3 提速道岔Ⅱ型弹条分开式扣件结构 2 客货共线铁路扣件系统的结构特征 扣件系统是铁路道岔成功铺设的关键技术之一, 客货共线铁路运营条件以货运为主且货运列车轴重较 大,线路运营条件接近重载线路,故客货共线无砟道岔 扣件研究应充分吸收国内外重载道岔扣件系统的设计 和运营经验,并结合我国扣件系统的工程实践,同时考 132 铁道建筑 3弹条选型研究 由于扣件系统采用弹性分开式结构,在铁垫板下 设置弹性较大的垫板,而轨下垫板的刚度较大,为配合 铁垫板较大的垂向位移,采用较大弹程的W1型弹条。 鉴于安装既有轨撑的需要,同时考虑到Ⅱ型弹条在道 D =3f—— 64EI P y= (2) (3) 式中: 为轨道刚度,kN/mm;D为钢轨支承刚度, kN/mm;n为轨枕间距,道岔区为600 mm;E为钢轨弹 性模量,60 kg/m钢轨取值2.1×10 MPa;,为钢轨惯 性距,60 kg/m钢轨对水平轴惯性矩取值3 217× 10 mm ;y为在轮载作用点的钢轨垂向位移,mm;P为 轮轨垂直力,kN。 岔扣件中具有成熟的应用经验,故采用Ⅱ型弹条扣压 钢轨。 分别采用弹性力学曲梁单元有限元法和弹塑性力 学20节点固体单元有限单元法对W1型弹条和Ⅱ型 弹条进行分析。 根据计算分析结果可以看出,W1型弹条弹程 (14 mm)比Ⅱ型弹条(10 mm)提高40%,W1型弹条 最大工作应力为1 431 MPa,比Ⅱ型弹条最大工作应力 低,相对材料的强度极限有较大的安全储备。W1型 弹条额定疲劳振幅(一2.0~+0.5 mm)比Ⅱ型弹条额 定疲劳振幅(一1.0~+0.5 mm)有大幅度提高,W1型 弹条在额定振幅下疲劳应力幅度比Ⅱ型弹条额定振幅 下的疲劳应力幅度略大,但在安全范围内。 4岔区扣件系统刚度设计与实现 在列车荷载确定的情况下,钢轨挠度和轨道刚度 直接相关。刚度大时钢轨挠度小且影响范围也小,这 样会造成轨道结构承受的列车荷载沿纵向分布较为集 中,引起轨道部件受力大,会加快其伤损;刚度小时,钢 轨挠度大且影响范围也大,轨道结构局部承受的列车 荷载比较小,这样除钢轨外的轨道部件受力小,对其强 度和寿命有利。然而,过大的轨道下沉变形将增加列 车运行阻力和能量耗散,缩短钢轨的疲劳寿命。 美国铁路工程协会推荐维修规则要求钢轨最大垂 移量≤6.35 mm,当>9 mm时则需要加强检测,安排 维修作业。德国铁路在总结轨道刚度理论和运营实践 的基础上,就轨道支点刚度的合理值进行了新的探讨, 对于高速铁路,提出了在轴重为200 kN的车轮作用下 钢轨位移达到1.5 mm为设计目标。 对于客货共线铁路,国内外尚无统一明确的钢轨 垂向位移限值。参考国内外既有高速铁路和重载货运 线路的钢轨垂移限值,并结合我国既有线运营经验,在 保证列车安全性的情况下兼顾客运列车的舒适性,客 车通过时钢轨垂移建议值1.0~1.5 mm;货车通过时 钢轨垂移最大限值2.5 mm。 根据轨道力学计算理论,轨道刚度、钢轨支承刚度 和轮轨作用点的钢轨垂向位移计算式为 = 4/6孕4EID3 由于轨道不平顺状态及列车速度会对轮轨作用产 生一定的影响,理论计算时轴重考虑增加30%。动车 组轴重最大按17 t考虑,货车轴重最大按27 t考虑,在 不同钢轨支承刚度下,轨道刚度与钢轨垂向位移计算 结果见表2。 表2 不同钢轨支承刚度下的轨道刚度与钢轨垂向位移 在考虑动车组最大轴重17 t、货物列车最大轴重 27 t条件下,同时兼顾时速160 km普通客车的运行, 客货共线铁路岔区无砟轨道钢轨支承刚度优化取值为 40 kN/mm。同时,对于混凝土整体式无砟道床,由于 轨下基础整体刚度很大,可将其视为刚体,此时钢轨支 承刚度D可看作扣件系统节点静刚度。 在道岔区,当假设有2根全断面60 kg/m钢轨作 用时(由于道岔结构的复杂性,实际上不存在2根全 断面60 k/m钢轨同时作用工况),,增大至2,,如果使 轨道刚度保持相同,则支承刚度应为 ×40= 31.7 kN/mm。 当假设有4根全断面60 kg/m钢轨作用时(实际 上也不存在),,增大至4,,如果使轨道刚度保持相同, 则支承刚度应为^}/1/4×40=25.2 kN/mm。 由于车轮单侧有2根或4根钢轨时,列车通过时 并非全部承受轮载作用,而是其中一根钢轨承受轮载 作用,其余钢轨起辅助作用,可见上述计算时钢轨惯性 矩取值偏大(支承刚度偏小),亦即实际钢轨支承刚度 设置应较计算值大些。经综合分析,扣件系统节点静 2017年第1期 王 猛:客货共线铁路道岔区扣件系统的研究与设计 刚度分布范围应为30~40 kN/mm。 为便于工程化应用,岔区扣件系统刚度划分时简 化为以下几个区段: 荷载循环后,扣件各零部件均未发现伤损现象;疲劳试 验前后组装静刚度变化率和轨距扩大量分别满足 ≤25%和≤6 mm的技术条件要求。 1)尖轨前部基本轨单独承载区段,40 kN/mm; 2)转辙器滑床板区段,35 kN/mm; 3)尖轨跟端支距垫板部位,40 kN/mm; 4)导曲线部位,40 kN/mm; 5)辙又部位,30 kN/mm; 6)辙叉区护轨垫板,35 kN/mm; 7)可动心轨辙叉后单股钢轨受力区段,40 kN/mm。 5弹性垫层设计 扣件系统弹性件的橡胶配方以天然胶为主体,用 非极性的原位接枝改性剂对极性白炭黑进行表面接枝 图7 客货共线道岔扣件室内组装疲劳试验 表3 客货共线道岔扣件组装疲劳试验结果 试验结果 试验项目 改性,使胶料不但具有良好的流动性,充模迅速、型面 平整,而且大幅提高了定伸应力、压缩永久变形等性能 指标。弹性垫层橡胶型面设计借鉴高速铁路道岔弹性 铁垫板的橡胶型面结构,并设计不同高度凸台避免弹 性体的过度压缩,见图5。 1 试件 2 试件 (a)上表面 天平铁路于2015年12月31日正式开通运营,铺 图5 设于莲花台车站的客货共线铁路60 kg/m钢轨12号 无砟道岔同期开通运行,经过近一年的运营考核,岔区 扣件系统运行状态良好。 为防止橡胶体 内部增添金属骨架 刚度(如图6)。 7 结论 1)客货共线铁路岔区扣件系统采用岔枕预埋铁 座式的弹性分开式扣件系统,单股钢轨实现一8~ +6 mm调整量,钢轨高程实现一4~+16 into调整量。 2)为满足客货共线铁路无砟道岔岔区钢轨高程 调整,铁垫板的扣压采用W1型弹条;为满足钢轨轨距 的调整,钢轨的扣压采用Ⅱ型弹条,铁垫板与预埋铁座 图6橡胶垫板内部结构示意 问设置可更换的绝缘轨距块。 3)为兼顾客车与货车的需求,将岔区扣件系统节 6扣件系统组装疲劳试验与现场试铺 参考《高速铁路扣件系统试验方法第4部分:组 装疲劳性能试验》(TB/T 3396.4)规定的扣件系统试 验方法,对新研发的客货共线道岔扣件系统在钢轨调 高量16 mm状态下进行组装疲劳性能试验(图7)。 点静刚度定为40 kN/mm,在实现低刚度的基础上并 针对岔区不同区段进行了轨道刚度均匀化设计,并在 弹性垫层内部设置金属骨架防止橡胶垫板横向臌曲。 4)经室内试验和现场铺设考核验证,岔区扣件系 统能够在满足旅客列车舒适性要求的同时,较好的保 持轨道几何状态,大幅减少岔区轨道结构养护维修工 作量。 试验参数:垂直力75 kN、横向力60 kN、钢轨高度 100 mm。试验结果见表3,试验结果表明经300万次 134 铁道建筑 [5]肖俊恒.客运专线无砟轨道刚度的研究[R].北京:中国铁 参 考 文 献 道科学研究院,2009. 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Research and Design of Fastening System at Turnout Zone of Mixed Passenger and Freight Railway WANG Meng ’ (1.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 10008 1,China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High—speed Railway,Beijing 100081,China) Abstract Based on the newly—built mixed passenger and freight railway from Tianshui to Pingliang,the elastic separated fastening system with pre—embedded iron base at turnout zone was designed to provide good riding quality for EMU trains and long service life for freight trains.In order to achieve the good elasticity of this fastening system, W1 clip and W2 clip were selected or ffastening the iron baseplate and the rail respectively.The joint static stifness of fastening system should be 40 kN/mm and the segment desin should be made fgor meeting the requirement of the track stifness uniformity according to fastening system function.Through laboratory test verification and field laying assessment,the fastening system could satisfy the travelling comfort of passenger train,reduce the maintenance and repair workload of track structure at turnout zone and prolong the service life of the fastening system. Key words Mixed passenger and freight railway;Fastening system at turnout zone;Elastic cushion;Stifness; Laboratory test;Field laying (责任审编孟庆伶)