高速铁路无砟轨道扣件设计要点.pdf

2 0 1 0年 4月 第 4期 总 1 3 9 铁道工程学报 J OU RNAL O F R AI I J WAY EN GI NE E RI NG S OC I E T Y Ap r 2 01 0 N O 4 S e r 1 3 9 文章编号 1 0 0 6 2 1 0 6 2 0 1 0 0 4 0 0 4 0 0 4 Cj 同 速铁路无砟轨道扣件设计要点 许佑 顶 中铁二院工程集团有限责任公 司 成都 6 1 0 0 3 1 摘要 研究目的 扣件是轨道结构的重要组成部件 为保证行车绝对安全和旅客乘坐的舒适性 要求钢轨扣件 具有足够的扣压力 良好的绝缘性能 较低的刚度 要求少维修 各节点刚度一致等 因此 扣件技术是无砟轨 道结构关键技术 做好钢轨扣件设计 是高速铁路轨道设计的重点 研究结论 扣件不仅要有足够的强度和扣压力 还应具有良好的弹性和一定的调整能力等 扣件类型不 同 使用范围也不同 设计中应根据扣件的性能参数 设计原则和上述选型设计要求 合理选用不同类型的扣 件 才能充分发挥扣件的性能 达到经济合理 安全运营的目的 关键词 无砟轨道 扣件 设计 技术 中图分类号 u 2 1 3 5 3 文献标识码 A Ke y Po i n t s f o r De s i g n o f Ba l l a s t l e s s Tr a c k Fa s t e n i n g o f Hi g h s p e e d Ra i l wa y XU Yo u d i ng C h i n a R a i l w a y E r y u a n E n g i n e e r i n g G r o u p C o L t d C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 C h i n a Abs t r a c t Re s e a r c h pur po s e s The f a s t e n i n g i s a n i mp o r t a n t p a rt o f t r a c k s t r u c t u r e F o r a s s u r i ng t h e a b s o l u t e t r a f fic s a f e t y a n d ri d i n g c o mf o rt a b l e n e s s i t i s r e q u i r e d t h a t t h e r a i l f a s t e n i n g h a s f e a t u r e s o f e n o u g h f a s t e n i n g a n d c o mp r e s s i o n f o r c e p e r f e c t i n s u l a t i o n p r o p e rt y l o w ri g i d i t y l e s s ma i n t e n a n c e a n d c o n s i s t e n t r i g i d i t y o f a l l n o d e s T h e r e f o r e t h e f a s t e n i n g t e c h no l o g y i s t h e k e y t e c hn o l o g y f o r b a l l a s t l e s s t r a c k s t ru c t u r e a n d ma k i n g t h e b e t t e r d e s i g n o f f a s t e n i n g i s a n i mp o rta n t p a rt o f t h e d e s i g n o f h i g h s p e e d r a i l wa y Re s e a r c h c o n c l u s i o n s T h e f a s t e n i n g n o t o n l y h a s t h e e n o u g h s t r e n g t h a n d f a s t e n i n g a n d c o mp r e s s i o n f o r c e b u t a l s o h a s t h e g o o d e l a s t i c i t y a n d c e rt a i n a d j u s t a b l e c a p a c i t y A s t h e r e a r e v a ri o u s t y p e s o f f a s t e n i n g s w i t h t h e d i f f e r e n t a p p l i c a b l e r a n g e s i n d e s i g n t h e f a s t e n i n g s h o u l d b e c h o s e n a c c o r d i n g t o t h e p r o p e rt y p a r a me t e r s o f f a s t e n i n g d e s i g n p r i n c i p l e t h e p o i n t s me n t i o n e d a b o v e for ma k i n g f u l l u s e o f f a s t e ni n g p r o p e rty a n d a c hi e v e t h e g o a l s o f mo n e y s a v i n g r e a s o n a b l e u s a g e a n d a s s u rin g t h e t r a f fic s a f e t y Ke y wo r d s ba l l a s t l e s s t r a c k f a s t e n i n g d e s i g n t e c hn o l o gy 扣件是轨道结构的重要组成部件 在有砟轨道 结构中 扣件连接钢轨与轨枕并使之构成轨排 承受列 车荷载 抵抗纵横向作用力 故要求扣件具有足够的扣 压力 以及适当的弹性和一定的轨距和水平调整量 在 无砟轨道结构中 扣件基本上是轨道弹性和轨距 水平 调整能力的唯一提供者 因此 扣件技术是无砟轨道结 构关键技术 掌握扣件的设计要领 对做好无砟轨道设 计至关重要 1 轨道扣件的设计原则 1 1 足够的高低 轨距能力 由于无砟轨道结构中的扣件直接将钢轨与混凝土 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 5 作者简介 许佑顶 1 9 6 4年 出生 男 教授级高级工程师 中铁二院工程集 团有 限责任公司副总经理 总工程师 第 4期 许佑顶 高速铁路无砟轨道扣件设计要点 41 道床联接在一起 与传统的有砟轨道相比 可大大减少 线路的养护维修工作量 但 由于轨道结构 中取 消了道 砟层 受施工误差和混凝土基础变化等因素的影响 轨 道高低状态的变化不能像有砟轨道那样进行起道 捣 固作业 只能通过扣件进行调整 因此 无砟轨道结构 要求其所用扣件具有一定的调高能力 相对于有砟轨道 无砟轨道结构具有较强 的稳定 性和轨道几何状态保持能力 线路在正常运行条件下 轨距的变化量较小 但考虑到混凝土基础的施工误差 扣件的制造公差以及钢轨磨 耗等因素 要求无砟轨道 结构所用扣件具有一定 的左右位置调整能力 1 2防爬 阻 力大 具有一定的防爬 阻力是保证轨条稳定 的基础 我 国新建铁路线路开通前道床纵 向阻力设计参数 高速 铁路线路 1 4 k N 枕 2 3 3 k N m 时速 2 0 0 k m客货 共线 1 2 k N 枕 2 0 k N m 而道床纵向阻力的实测 值 型 P C枕为 9 8 0 k N 枕 1 7 2 0 k N m m型 P C 枕为 1 9 2 0 k N 枕 3 3 6 8 k N m 可见 有砟轨道扣 件防爬阻力大于道床纵 向阻力 满足轨条稳定和无缝 线路铺设要求 1 3 足够 的扣压力 钢轨扣件必须有足够的扣压力 以保证钢轨与支 承体之间的可靠联结 这个扣压力应使钢轨在弯曲和 转动时 不致使轨底沿垫板发生纵向位移 即要求扣件 的纵向阻力大于道床 的纵 向阻力 当然 扣压力也不 易太大 否则会使扣件弹性急剧下降 影响扣件使用寿 命 如果钢轨扣压力较大 则 由于防爬阻力的增大 钢 轨的温度伸缩或断 口量就小 又 由于轨排刚性 的增大 阻止长钢轨臌曲的能量就 大 这对无缝 线路 的稳定性 是极其有效 的 在特殊地段 扣件 的扣 压力有相应 的特殊 要求 例如 在陡坡地段 扣件扣压力要 比一般地段大 而在 铺设无缝线路的长大桥上无砟道床 则要 比一般地段 小 为减小梁轨间的相互作用力 采用小阻力扣件 以 防止过大的温度力传至下部结构 我国铁路轨 道 P C枕和轨道板多用 弹条扣件 其 单个弹条扣压力设计参数 型弹条 1 0 k N I II 型弹 条 1 1 k N wJ 一2弹条为 4 k N 1 4 零部件少 减小维修工作量 现代铁路轨道维修只能在很短的封锁点内进行 因而要求钢轨扣件少维修 这就要求扣件各部件有足 够的强度 在期望的使用寿命周期 内扣件各部件不 产 生疲劳伤损和显著的残余变形 同时要求扣件有更好 的性能 当扣压件和轨下弹性垫层产生磨耗和残余变形 时 扣件阻力减小不大 扣件螺栓无需经常进行复拧 1 5刚度均匀 平顺性好 现代快速铁路为保证 良好 的行车品质 提高行车 舒适性 要求扣件各节点刚度一致 以保证线路弹性的 均匀 保证旅客乘坐的舒适性 与有砟轨道相 比 无砟 轨道结构中由于取消 了提供线路弹性 的道砟层 这样 就要求无砟轨道 的扣件更 能具有 良好 的弹性 以最大 限度地降低轨道的振动 减缓轮轨间的冲击 在相当 长一段时间内 限于我国的生产设备和管理能力 扣件 刚度 的均匀 稳定往往很难保证 1 6 减振性能良好 钢轨扣件具有较低 的刚度是减小轮轨作用力 实 现减振降噪的有效手段 但 较低 的刚度容易影响扣件 对轨条的约束能力 特别是防止扣件外翻的能力 需要 通过巧妙 的结构设计实现二者 的平衡 混凝土枕轨道和无砟轨道 的弹性 主要是 由钢轨 扣件提供的 这种轨道 的刚度一般要 比木枕轨道大得 多 因此 必须设法降低混凝土轨下基础的刚度 使之 尽可能接近于木枕有砟轨道的刚度水平 理论研究和 试验结果表明 要做到这一点 扣件节点垂向刚度应 以 3 0 k N m m左 右为 宜 亦 即采用低 刚度 的轨下胶 垫 同时钢轨扣件的横 向刚度以 2 0 4 0 k N mm为宜 以 减轻轮轨横 向力 的作用 但横向刚度不足又会使轨距 扩大超限 这在运营中是不允许的 1 7 绝缘性能好 为保证行 车绝对安全 要求钢轨扣件有 良好的绝 缘性能 保证轨道电路 的正常工作 无砟轨道 的轨道板或道床板 在每块板上都设 有 许多钢轨扣件 并且在板内还布有许多钢筋 它不像有 砟轨道那样 P C枕是通过道砟而单独铺设 的 因此 增大无砟轨道 区间的绝缘 电阻 提高每组扣件及板 内 配筋的绝缘性能是非常必要的 特别是应当防止降雨 时绝缘电阻的降低 以免造成 A T C 列车 自动控制 信 号接收水平降低 引起行车安全故障 一 般 无砟轨道扣件绝缘 电阻应在 1 0 0 M n以上 为 提高轨道扣件的绝缘电阻 要求轨下胶垫大于3 0 0 0 M n 预埋绝 缘套 管 大于 4 1 0 M I I 绝 缘 垫板 大于 5 1 0 Mn 否则要及 时更换 在暴 雨情况下 为使轨道 电路 正常工作 无 砟轨道 两股 钢轨之 间的绝缘 电阻 应在4 l k m以上 以保证轨道 电路传输距离不 低于 1 2 k m 4 2 铁道工程学报 2 0 1 0年 4月 2 弹条扣件主要技术参数 为适应我国铁路既有线提速 高速重载运输的发 展 近年来先后研发铺设了新型混凝土枕和新型无砟 轨道 以及与其相配套的新型弹条扣件 主要有 I型弹 条扣件 型弹条扣件 型弹条扣件 型弹条扣件 V型弹条扣件 W J 一 2型扣件 wJ 一 7型扣件 WJ 一 8 型扣件 可调式弹条扣件和弹性分开式扣件等 其主要 技术性能如表 1 所示 表 1 弹条扣件主要技术参数 WJ 一2型弹条 可调式弹条 弹性分开式 项 目 I型弹条扣件 型弹条扣件 型弹条扣件 扣件 扣件 扣件 扣压力 单个 k N 8 1 0 1 1 4 1 0 5 6 8 弹程 mm 8 1 0 1 3 1 1 5 1 1 1 0 节点刚度 k N m m 9 0 1 2 0 4 0 6 0 4 0 6 0 4 0 6 0 6 0 8 O 4 0 6 0 防爬阻力 k N 组 1 3 1 1 6 1 7 6 1 0 6 1 2 1 0 螺栓扭力矩 N m 9 0 9 0 1 0 o 9 0 1 0 0 9 0一l 1 5 调距量 m m 一 4 8 1 2 一 8 8 一 4 士 2 O 8 一1 2 8 一1 2 调高量 m m 1 0 1 0 0 4 0 1 0 3 0 承受最大横向力 疲劳 k N 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 绝缘电阻 n 1 O l O 1 0 1 O 1 0 为满足客运专线有砟轨道扣件 系统的技术要求 开发弹条 型 V型扣件系统如图 1 图 2所示 图1 弹条 型扣件 图 2 弹条 V型扣件 为满足客运专线无砟轨道扣件系统的技术要求 开发了 WJ 一 7型 WJ 一8型扣件系统 如图 3 4所示 图 3 WJ一 7扣件 l 图 4 WJ 8扣件 3 扣件选型设计要求 决定扣件结构形式 的主要 因素是扣件 的合理 刚 度 钢轨高低和左右位置调整能力 针对 以上扣件的 第 4期 许佑顶 高速铁路无砟轨道扣件设计要点 4 3 技术性 能特点 无砟 轨道扣 件选 型设 计应 注意 以下 几点 1 车站附近 含站 内 行车速度不高 应采用结 构简单 造价低廉 少维修的扣件系统 考虑到无螺栓 式扣件零部件较少 无需进行涂油作业 养护维修工作 量相对较小 故比较适合于此类地段 2 区间速度较高 须采用具有 良好弹性性能的 扣件系统 为保 证低 刚度 的实现 宜采 用双层 弹性 体系 3 弹条 型扣件是无 螺栓 无 挡肩 扣件 目前 正在大量 铺 设 型 扣 件 具 有 扣 压 力 大 不 小 于 1 1 k N 弹性好 弹性变形不小于 1 2 m m 等优点 特 别是由于取消了混凝土挡肩 从而消除了轨底坡在横 向力作用下发生横移导致轨距扩大的可能性 因此 保 持轨距的能力很强 另外 取消了螺栓联结的方式 减 小 了扣件养护工作量 但是 扣件基本不具备调整轨 距和轨面高度的功能 在使用上受到一定限制 目前 在提速区段要求全部铺设 型混凝土轨枕 因其使用 扣件的不同分为 1 1 1 a和 I l l b轨枕 a混凝土轨枕配套 使用 型扣件 b混凝土轨枕配套使用 型扣件 4 弹条 I V型扣件 系统适用 于铺设预应力混凝 土无挡肩枕 的有砟轨道 弹条 V型扣件 系统适用 于 铺设预应力混凝土有挡肩枕的有砟轨道 WJ一 7型扣 件系统适用于各类无挡肩结构无砟轨道 wJ一 8型扣 件系统适用于有挡肩结构无砟轨道 以上4套扣件系 统满足以下运营条件 最高速度 3 5 0 k m h客运专线 轴重 1 7 0 k N 考虑 轴重可能增加 1 0 最高速度 2 5 0 k m h客运专 线 兼顾货运 最大 轴重 2 3 0 k N 轴重考虑增加 1 0 4 结论 扣件是联结钢轨与轨扰 的重要部件 其作用是保 持钢轨在轨枕等轨下基础上的正确位置及钢轨与轨扰 的可靠联结 阻止钢轨的纵横向移动 为轨道结构提供 一 定的弹性 因此扣件不仅要有足够 的强度和扣压力 还应具有 良好的弹性和一定 的调整能力等 扣件类型 不 同 使用范 围也 不同 设计 中应根据扣 件的性能参 数 设计原则和上述选型设计要求 合理选用不同类型 的扣件 才能充分发挥扣件的性能 达到经济合理 安 全运营的 目的 参考文献 1 卢祖文 高速铁路轨道技术综述 J 铁道工程学报 2 0 0 7 1 5 3 5 4 Lu Zu we n S u mm a r y o f Hi g h S p e e d Ra i l wa y Tr a c k T e c h n o l o g y J J o u r n a l o f R a i l w a y E n g i n e e r i n g S o c i e t y 2 0 0 7 1 5 3 5 4 2 T B 1 0 0 8 2 2 0 0 5 铁路轨道设计规范 S TB 1 0 0 8 2 2 0 0 5 Co d e Fo r De s i g n Of