城市軌道交通鋼軌扣件的研究與設(shè)計(jì)

1、城市軌道交通鋼軌扣件的研究與設(shè)計(jì)摘要重點(diǎn)闡述城市軌道交通工程鋼軌用扣件的性能、技術(shù)參數(shù)及設(shè)計(jì)要求,分析目前我國(guó)城市軌道交通中主要鋼軌扣件的使用情況及需要研究的問(wèn)題。關(guān)鍵詞城市軌道交通鋼軌扣件減振軌距程度調(diào)整量道床鋼軌扣件的作用是保持鋼軌的正確位置,防止鋼軌縱橫向位移,提供一定的軌道彈性,并將鋼軌所受的力傳遞給軌下基矗1主要性能1)有足夠的強(qiáng)度和耐久性城市軌道交通運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)、行車(chē)密度高、維修條件差,要求鋼軌扣件必須具有足夠的強(qiáng)度和耐久性,以確保行車(chē)平安。2)有一定的軌距和程度調(diào)整性能城市軌道交通多采用整體道床構(gòu)造,線路曲線半徑小,鋼軌存在磨耗。這就要求扣件應(yīng)具有一定的軌距、程度調(diào)整性能,以解決曲

2、線鋼軌磨耗和構(gòu)造的不均勻沉降及施工誤差所造成的軌距、鋼軌程度超限。3)有良好的絕緣性能城市軌道交通一般均利用走行軌作為回流軌,這就要求扣件必須具備良好的絕緣性能,防止電流通過(guò)扣件泄漏,造成構(gòu)造鋼筋和市政管線的電腐蝕。4)有良好的減振彈性城市軌道交通穿行于居民區(qū)內(nèi),對(duì)減振降噪的環(huán)保要求很高,鋼軌扣件必須具有良好的減振性能,衰減軌道振動(dòng),降低噪聲傳播。5)有一定的通用互換性扣件構(gòu)造應(yīng)力求簡(jiǎn)單,零部件少,具有一定的通用互換性,造價(jià)低,施工和維修方便。2設(shè)計(jì)參數(shù)確定城市軌道交通鋼軌扣件的設(shè)計(jì)參數(shù)必須考慮其相關(guān)工程的情況:線路敷設(shè)方式、線路技術(shù)參數(shù)、行車(chē)速度、車(chē)輛軸重及鋼軌類(lèi)型等?？奂闹饕O(shè)計(jì)參數(shù)包括

3、:扣壓力、防爬阻力、節(jié)點(diǎn)剛度、耐疲勞性能、軌距及程度調(diào)整量、絕緣性能等。一般可通過(guò)以下方式,確定其設(shè)計(jì)參數(shù)。2.1扣壓力及防爬阻力扣件的扣壓力和防爬阻力是一對(duì)共生參數(shù),靜態(tài)防爬阻力等于扣壓力乘以綜合摩擦系數(shù)。扣件的扣壓力的大小是確保鋼軌穩(wěn)定的關(guān)鍵,它與車(chē)輛的軸重、速度及是否采用無(wú)縫線路及軌下墊層的性能有關(guān)。當(dāng)車(chē)輛軸重大、速度較高,采用一般線路時(shí),要求鋼軌扣件的扣壓力就大;軸重輕、速度低,采用無(wú)縫線路時(shí),扣壓力可以小一些。扣壓力的大小應(yīng)保證在扣件的使用周期里,當(dāng)列車(chē)制動(dòng)時(shí),鋼軌不發(fā)生永久性位移。對(duì)于城市輕軌,一般軸重低于160kn,速度不超過(guò)100k/h,故對(duì)扣件扣壓力的要求不是很高,理論計(jì)算及

4、理論證明,單一扣壓件的扣壓力在68kn是可以滿(mǎn)足要求的。值得注意的是:過(guò)大的扣壓力并不是有利的,這將導(dǎo)致軌下彈性墊層的初始?jí)嚎s量增大,損失減振彈性。2.2扣件節(jié)點(diǎn)剛度扣件的節(jié)點(diǎn)剛度是考察扣件彈性的指標(biāo),包括靜剛度值、動(dòng)剛度值及動(dòng)靜比,均需通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定?？奂瓜蜢o剛度值是取扣件壓縮變形曲線某一段的割線斜率來(lái)確定的,一般2040kn/比較適宜;動(dòng)剛度值是扣件的重要指標(biāo),說(shuō)明扣件在動(dòng)荷載作用下的彈性,即減振性能;設(shè)計(jì)扣件動(dòng)靜比應(yīng)控制在1.4以下。2.3軌距及程度調(diào)整性能考慮城市景觀及運(yùn)營(yíng)維修的方便,城市軌道交通地下線、高架線多采用整體道床,在施工、運(yùn)營(yíng)中構(gòu)造均會(huì)有施工誤差,產(chǎn)生不均勻的沉降。同時(shí)

5、,也會(huì)因輪軌互相作用使軌距及鋼軌程度發(fā)生變化而超限。軌距調(diào)整量主要是解決施工誤差和鋼軌側(cè)磨而致軌距超限的問(wèn)題,故要求負(fù)的調(diào)整量要大?？紤]城市軌道交通工務(wù)大修周期長(zhǎng),日常維修條件差,要求扣件的軌距調(diào)整量比國(guó)鐵的大,整體道床扣件軌距調(diào)整量一般可設(shè)計(jì)為+8、-12。構(gòu)造的沉降絕大部分是在構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)考慮并采取措施,但小量的變化仍需鋼軌扣件來(lái)調(diào)整。就目前的構(gòu)造及軌道施工技術(shù),對(duì)地下線要求鋼軌扣件有2030的程度調(diào)整量。程度調(diào)整量的大小與地質(zhì)情況親密相關(guān),在不良地質(zhì)條件下,需要扣件有大的程度調(diào)整量。對(duì)于高架線,要求鋼軌扣件有3040程度調(diào)整量,主要解決由于相鄰橋墩的沉降差落值及梁的收縮徐變而引起的梁面上拱

6、。2.4絕緣性能城市軌道交通對(duì)鋼軌扣件的絕緣性能要求很高,一方面是走行軌作為供電回流軌的要求,另一方面是挪動(dòng)閉塞信號(hào)的要求。扣件絕緣性能不好,長(zhǎng)此以往,除導(dǎo)致大量電流泄漏、浪費(fèi)電能外,還會(huì)因雜散電流而腐蝕構(gòu)造鋼筋和市政管線。在城市軌道設(shè)計(jì)中,供電、信號(hào)等專(zhuān)業(yè)對(duì)鋼軌扣件的絕緣性能都會(huì)提出詳細(xì)要求。就目前的材料技術(shù),到達(dá)這些要求是完全可行的。通常扣件中的單個(gè)絕緣部件常態(tài)絕緣電阻均可以到達(dá)108以上,能滿(mǎn)足對(duì)扣件的絕緣要求。2.5耐久性能扣件的耐久性是通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的,疲勞試驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證扣件抵抗重復(fù)荷載的性能,我國(guó)通常是取小半徑曲線上的扣件所受的最大荷載來(lái)進(jìn)展試驗(yàn)的。設(shè)計(jì)扣件時(shí),要根據(jù)地鐵實(shí)測(cè)小半徑

7、200曲線地段扣件所受的力,并參照國(guó)內(nèi)外同類(lèi)扣件的設(shè)計(jì)荷載。要求組裝扣件疲勞荷載一般取豎向50kn,橫向30kn,能承受300萬(wàn)次疲勞荷載的循環(huán)試驗(yàn),各部件不損壞。3設(shè)計(jì)要求城市軌道交通鋼軌扣件從構(gòu)造型式上大致分為兩種:一種是帶鐵墊板的彈性分開(kāi)式扣件,用于整體道床和地面線木枕碎石道床,另一種是不帶鐵墊板的彈性不分開(kāi)式扣件,用于地面線和高架線砼枕碎石道床,一般采用國(guó)鐵扣件。從扣壓件型式上分也有兩種:一種是有螺栓的彈條扣件,用于高架線、地面線和地下線的整體道床,可以根據(jù)無(wú)縫線路對(duì)扣件扣壓力的要求適時(shí)調(diào)整;另一種是無(wú)螺栓彈條扣件,多用于地下線整體道床和地面線碎石道床。從輪軌橫向力的承受形式上分有兩種

8、:一種是靠傳遞給軌枕?yè)跫绯惺?一種是靠扣件鐵墊板與軌枕間的程度摩擦力和螺旋道釘承受。前一種是傳統(tǒng)的構(gòu)造形式,扣件構(gòu)造較平安,但限制了鋼軌程度調(diào)整量;后一種目前采用較多,要求扣件鐵墊板與軌下根底必須有可靠的連接,防止螺旋道釘彎曲應(yīng)力過(guò)大而折斷,這就必須控制好鐵墊板下的墊層彈性及厚度。設(shè)計(jì)鋼軌扣件應(yīng)首先從與之相關(guān)的工程特點(diǎn)及車(chē)輛技術(shù)條件入手,研究線路平面條件和車(chē)輛相關(guān)參數(shù),并對(duì)相似工程的鋼軌扣件使用情況調(diào)研,由此初步確定扣件的整體構(gòu)造型式和設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)而對(duì)各部件進(jìn)展詳細(xì)設(shè)計(jì),并加工試制,驗(yàn)證其工藝可行性,再對(duì)各部件進(jìn)展室內(nèi)整裝試驗(yàn),驗(yàn)證其可靠性,最終完成設(shè)計(jì)。4使用情況1965年北京城建立計(jì)研究總

9、院承擔(dān)了我國(guó)第一條地下鐵道鋼軌扣件的研究設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)了近40年的研究設(shè)計(jì)、探究,逐步形成了適用于各種線路敷設(shè)方式、門(mén)類(lèi)齊全的城市軌道交通鋼軌扣件系列,滿(mǎn)足了我國(guó)城市軌道交通開(kāi)展的需要,見(jiàn)圖1圖4及表1。5需進(jìn)一步研究的問(wèn)題近年來(lái),我國(guó)城市軌道交通開(kāi)展迅速,對(duì)軌道技術(shù)的要求也越來(lái)越高,隨著我國(guó)工程設(shè)計(jì)市場(chǎng)的開(kāi)放及與國(guó)外軌道技術(shù)的交流,促進(jìn)了鋼軌扣件技術(shù)的開(kāi)展。目前,需著重研究以下課題。5.1扣件構(gòu)造及統(tǒng)一性的研究扣件構(gòu)造的統(tǒng)一性無(wú)疑會(huì)對(duì)加工訂貨和運(yùn)營(yíng)設(shè)備的維護(hù)管理帶來(lái)很大的方便。目前,國(guó)內(nèi)同一條地鐵線上同時(shí)存在多種扣件構(gòu)造,分別適用于地下線、高架線及地面線,車(chē)場(chǎng)線及庫(kù)內(nèi)又各自不同,給設(shè)備的管理帶來(lái)

10、一定費(fèi)事。運(yùn)營(yíng)部門(mén)要求扣件構(gòu)造統(tǒng)一的呼聲較高,設(shè)計(jì)部門(mén)對(duì)此也非常重視。對(duì)于高架線和地下線,通過(guò)與相關(guān)專(zhuān)業(yè)的嚴(yán)密配合,調(diào)整扣件設(shè)計(jì)參數(shù),有可能統(tǒng)一;對(duì)于地面線和車(chē)場(chǎng)線,可以統(tǒng)一用一種扣件,使一條線的扣件種類(lèi)大大減少,為設(shè)備管理提供方便。5.2減振彈性的研究通過(guò)扣件的減振降噪,可在一定程度上降低軌道振動(dòng)和噪聲,且工程投資遠(yuǎn)低于其他減振措施的投資。對(duì)減振彈性的研究側(cè)重于兩個(gè)方面,一是從改變扣件的構(gòu)造設(shè)計(jì)入手,采用黏結(jié)鐵墊板的構(gòu)造,利用減振材料將上、下鐵墊板黏結(jié),這樣可有效過(guò)濾軌道振動(dòng),研究的重點(diǎn)是黏結(jié)材料的減振性能及耐久性。二是尋求探究新的減振材料,如熱塑性彈性體材料的研究應(yīng)用。新材料的研究重點(diǎn)是改

11、善傳統(tǒng)的橡膠減振材料的動(dòng)靜比、材料的回收翻新使用、進(jìn)步材料的耐久性等,這有利于環(huán)保。通過(guò)研究,單靠扣件即能將振動(dòng)降低12db,可以到達(dá)彈性套靴整體道床的減振效果。5.3扣件與軌枕連接技術(shù)的研究如今的軌道交通中,扣件與軌枕的連接多采用預(yù)埋套管和螺旋道釘?shù)姆绞?連接時(shí)將道釘按規(guī)定的扭緊力矩?cái)Q進(jìn)套管。這種方式存在兩個(gè)問(wèn)題:一是隨著車(chē)軸荷載的反復(fù)作用,螺旋道釘有松弛的現(xiàn)象,導(dǎo)致摩擦力抵抗橫向力的才能降低,螺旋道釘受彎而折斷失效;二是由于兩種材料的部件消費(fèi)制造、公差配合困難,使套管螺扣受力極不均勻,容易產(chǎn)生螺扣破損而使連接失效。要進(jìn)一步研究螺旋道釘?shù)恼駝?dòng)緩沖和防松措施,研究?jī)刹考菁y的配合關(guān)系,確保有效連接。5.4扣件防銹技術(shù)的研究城市軌道交通鋼軌扣件的防銹尤為重要,一方面是延長(zhǎng)其使用壽命,另一方面是整潔、美觀的要求。傳統(tǒng)防銹技術(shù)包括浸油、噴漆、渡鋅,均不是長(zhǎng)效的防銹措施。目前,最新防銹技術(shù)為達(dá)克羅外表涂覆和多元?dú)怏w共滲防銹,但在軌道交通領(lǐng)域的使用效果尚無(wú)定論。今后應(yīng)著重研究彈條及螺旋道釘?shù)姆冷P技術(shù),徹底解決因銹蝕而折斷失效的問(wèn)題。我國(guó)不同時(shí)期研究與設(shè)計(jì)使用的鋼軌扣件系列,適應(yīng)了城市軌道交通的迅速開(kāi)展,滿(mǎn)足了建立需要,保證了行車(chē)