城市轨道交通高架线高弹性钢轨扣件的研究设计
摘 要:通过对轨道交通高架线钢轨扣件的分析，确定了新型高弹性扣件的设计原则、设计参数及结构型式，介绍了新型扣件的抗疲劳及减振性能试验情况。一 城市轨道交通钢轨扣件的现状分析及研究的必要性
扣件是轨道结构中的重要部件，它把钢轨与轨下基础牢固地联结在一起。扣件应具有足够的强度、耐久性及一定的弹性，能长期地保证钢轨与轨枕的可靠联结、保持轨距，防止钢轨作相对于轨枕的纵向移动，持久地保持其稳固位置，并在动力作用下充分发挥其缓冲及减振性能，以减缓轨道残余变形积累的速度。扣件性能的好坏，直接影响到轨道结构整体的稳定性及养护维修工作量。
1。为抵抗轮轨横向力，需要将螺栓拧到某一拧紧力矩，橡胶垫层受到压缩变形，使其丧失部分弹性。扣件的减振性能不能充分发挥。如果螺栓不拧紧将不能使扣件牢固的固定在轨枕上，螺栓也将承受由轮轨横向力产生的较大的弯曲变形，导致螺栓失效，影响行车安全。
目前还有一种高架桥用的钢轨扣件,即轨道减振器扣件，俗称“科隆蛋”的扣件，见图2。这种扣件的结构特点是利用橡胶将上面的承轨板和下面的底座硫化在一起，橡胶主要承受剪切作用，由于橡胶的剪切弹性大大好于其压缩弹性，故蛋形扣件具有很低的垂直静刚度，一般在10kN/mm左右，低的可以达到6kN/mm。我国在20世纪80年代后期进行过仿制，并用于上海、广州地铁。根据广州地铁的运营测试结果，与广州地铁单趾弹簧扣件（扣件节点静刚度约42kN/mm）相比，减振效果约为8dB。
这种扣件的缺点是减振弹性随时间的推移，有较大的衰减，导致减振失效需要更换，并且这种扣件的成本很高。
一般城市轨道交通高架线轨道结构的基础型式多为整体道床，扣件设计应有较好的弹性、减振降噪、减少维修工作量。随着国内外轨道结构技术的不断发展，研究设计技术性能更优的扣件是十分必要的。
新设计的扣件的扣压力适宜，调高调距量大、弹性好，满足调整钢轨水平、高低的要求，能牢固锁定钢轨，其良好的弹性可适应高架整体道床这种刚性基础。
二 主要研究设计原则的确定
城市轨道交通用钢轨扣件与一般铁路用扣件的最大不同点在于其有较高的减振性能和极少的养护维修工作量。为防止产生杂散电流，要求有较高的绝缘性能。为此，确定高弹性钢轨扣件研究设计原则如下：
（1） 扣件结构应坚固、稳定，能抵抗钢轨传递的各种荷载的作用。
（2） 钢轨扣压件与现有的扣压件一致，采用有螺栓扣压件。
（3） 扣件应具有较高的减振性能，采用双层减振垫层。
（4） 扣件应具有较高的电绝缘性，采用三层绝缘设计。
（5） 尽量统一全线各种扣件的通用零部件。
三 高弹性钢轨扣件基本型式的确定
新型高弹性钢轨扣件采用无挡肩弹性分开式结构，如图3所示。上层铁垫板与下层铁垫板之间垫入橡胶垫板，上层铁垫板两端做成凹槽，以与下层铁垫板两端的凸台相适应；两块铁垫板在凹凸配合部位设绝缘缓冲垫，以加强绝缘；在绝缘缓冲垫板上设扣板。中间橡胶垫板在对应于轨下部位的橡胶圆粒直径大于其余部位的圆粒直径，以改善上层铁垫板的受弯情况；下层铁垫板凸台的螺栓孔直径大于下部直径，以减小螺栓的弯曲力臂。被螺栓紧固后的扣板 只限制上层铁垫板上翘，而不通过上层铁垫板对中间橡胶垫板产生预压力，保证橡胶垫板的弹性不损失。
这种结构形式可以与各种钢轨紧固件相结合，中间橡胶垫板可以有不同的结构形式。
扣件节点静刚度为10～15kN/mm，钢轨水平调整量为40mm，轨距调整量+8mm、-16mm。扣压钢轨件采用DⅢ型弹条（Φ13mm、ω型），弹程11mm，一个弹条的扣压力4kN。铁垫板用螺旋道钉与预埋尼龙套管的短轨枕联结。
四 主要设计参数的研究
4.1扣件承受垂直力和横向水平力大小的确定。
钢轨扣件所承受的轮轨横向力的大小取决于车辆轴重的大小、车辆转向架轴距、线路曲线半径的大小，钢轨的横向抗弯刚度及扣件的横向刚度等因素。目前尚未有比较成熟的扣件横向力计算理论。一般是通过经验公式估算，然后再通过现场测试进行验证。
目前，UIC估算方法是较常用的计算方法。UIC规定作用在单个扣件的垂直力（枕上压力）R和横向水平力H可用下列公式估算：
R=0.5ψω H=0.4R（大半径）
H=0.6R（小半径）
ψ—速度系数，取1.5；
ω—名义轮重，等于0.5P，P—轴重
对于天津地铁:轴重为141kN，轮重为70.5kN
则 R=0.5×70.5×1.5=52.9 (kN)
对于大半径曲线 H=0.4×52.9=21.15 (kN)
对于小半径曲线 H=0.6×52.9=31.74 (kN)
小半径曲线控制设计，故取 H=35 kN
根据北京地铁在R200m半径的曲线上实测的资料，当列车速度为50km/h时，测得的扣件横向力最大可能平均值为28.9kN，天津地铁最小半径为350m，故本工程的扣件采用横向水平力取值为35kN，这种控制设计的条件偏于安全。
4.2扣件弹性的确定
扣件结构弹性是非常重要的参数，取值是否合理决定了扣件的减振性能的好坏。这与扣件结构、垫层的材料、外形及外部荷载的大小等因素有关，扣件弹性好可以使轨道结构弹性达到木枕碎石道床的效果。新扣件的节点垂直静刚度应接近目前轨道减振器“科隆蛋”
的弹性值,取10～15kN/mm。
4.3调距调高量的确定
在运营过程中轨道不可避免地会出现高低水平及轨距超差的问题，对于这些问题应采用较为方便的解决办法，即扣件结构设计中应考虑有适当的调高、调距能力。高架整体道床，应考虑桥墩下沉或桥梁收缩徐变的影响，调高量应大一些，为+40mm，其中轨下可调10mm、铁垫板下可调30mm；扣件的调距能力为－16mm～＋8mm。
4.3电绝缘性
扣件必需具有良好的电绝缘性，以满足轨道电路的要求。同时扣件是城市轨道交通中防止杂散电流的第一道关卡，必须有较高的绝缘值，所有扣件绝缘部件的电绝缘性能均要求达到108Ω以上。
五 扣件结构的研究设计
高架轨道钢轨扣件主要承受着轮轨垂直力和横向水平力,轮轨横向水平力由上层铁垫板传给下层铁垫板的凸缘,最终由下层铁垫板与其下垫层之间的摩阻力平衡。扣件两端的M30螺栓只对下层铁垫板起紧固作用,不对上层铁垫板预紧,这样就解决了原高架桥钢轨扣件铁垫板下弹性垫层被M30螺栓预先压缩弹性损失的问题。
5.1铁垫板设计
A、上层铁垫板设计
上层铁垫板承受钢轨的压力和轮轨横向力，两端设计成凹槽，并通过凹槽将横向力传给下层铁垫板，由于其下有较软的橡胶垫层，为防止它弯曲破坏，厚度取为18mm。
B、下层铁垫板设计
下层铁垫板承受着由中间弹性垫层衰减后的竖直力和上层垫板传来的轮轨横向力及M30螺栓的竖直紧固力。两端设计成凸台抵挡横向力。见图5。其下的垫层较薄，刚度大，铁垫板弯曲应力小，厚度相对较薄，取15mm。为降低M30螺栓的弯曲力臂,凸形台上部螺栓孔径比下部大,这样横向力的作用点比较低,增强了M30螺栓的耐久性。铁垫板采用球墨铸铁QT450-15铸造。
5.2减振垫层设计
扣件的弹性主要由橡胶垫层提供，其弹性目标值是使扣件垂直静刚度在10～15kN/mm之间，垫层分轨下垫层和铁垫板之间垫层两部分，降低轨下刚度可以减轻钢轨的高频振动，减少钢轨振动噪音的传播，降低铁垫板下垫层刚度，可减少扣件垫板的振动噪音。铁垫板之间橡胶垫板的静刚度值与钢轨下橡胶垫板静刚度比值取为1.5～2倍，轨下橡胶垫板静刚度值为30～40kN/mm，垫板下橡胶垫板静刚度值为40～60kN/mm。
A、轨下橡胶垫板的设计
橡胶垫板的弹性除与其材料性能有关外，还与其外形结构有很大关系，目前较常用的外形分圆柱形和沟槽两种。
圆柱结构是在橡胶上下表面设置许多矮小圆柱体，具有临空面积大的优点，可以提供较大的压缩变形，但是由于钢轨底宽只有150 mm，所有的轮轨垂直力全部作用在上面，往往会导致圆柱表面的压应力超过橡胶的允许压应力（3～5MPa），使橡胶压溃而失去弹性，另一方面圆柱根部也要做好圆弧过渡，否则极易从此产生裂纹，影响耐久性。故轨下橡胶垫板采用沟槽形式，不用圆柱形结构。为增加弹性，垫板的厚度取为12mm，表面设置17条沟槽，其中一面为9条沟槽，另一面为8条沟槽，经理论计算轨下橡胶垫板的静刚度约为35kN/mm，实测值为35～38kN/mm。
B、垫板之间橡胶垫板的设计
铁垫板之间的弹性垫层设计是本扣件的技术核心之一，与轨下橡胶垫板不同，铁垫板下橡胶垫板承压面积大，表面压应力小，为争取弹性采用圆柱形结构，双面设置，圆柱高4mm，直径14mm，垫层厚度17mm，设计静刚度值为40～50kN/mm。为降低上层垫板的弯曲应力，在轨下部位的橡胶圆柱直径取14mm，其余部位圆柱直径为12mm。为提高其减振性能小圆柱顶面设计成弧面，对荷载的小幅振动衰减有利。
5.3 其他部件设计
A、绝缘垫
绝缘垫在两块铁垫板的凹凸部位设置绝缘垫，起绝缘和缓冲的作用，材料为玻纤增强聚酰胺66。
B、扣板
扣板在下层铁垫板的凸台上设置扣板，其作用是限制上层垫板上翘，防止轨距扩大，采用钢板制造。
C、绝缘缓冲垫板
绝缘缓冲垫板位于下层垫板下，起绝缘和提供摩擦力的作用。下层铁垫板被M30螺栓牢牢的紧固在轨枕上，铁垫板与垫层之间产生很大的摩擦力平衡轮轨横向力。垫层采用橡塑制成，具有良好的韧性和耐磨性能。
D、其余的部件
其余的部件包括钢轨扣压件、T形螺栓、轨距调整块、M30螺栓、预埋套管等均与现用扣件一致。
六 疲劳试验
为检验扣件整体组装情况下的性能，保证运营安全，必须在室内进行组装疲劳试验，以检验各部件的耐久性。试验方法如下：将两组新型扣件组装在一根轨枕上，轨枕是借用国家铁路提速道岔的岔枕，表面无轨底坡，对扣件偏于不利。采用加力架向两短轨加载，横向力为4.3～35kN，垂向疲劳荷载为5～40.5kN,加载频率为4Hz。
经300万次循环荷载疲劳试验后检测，扣件各部件完好，轨距扩大仅2.5mm。
七 减振对比试验
落锤减振对比试验的目的是分析不同的钢轨扣件在同样冲击锤落高的情况下减振情况，通过测定短轨枕、整体道床及基础的振动加速度，通过对振动加速度的分析，得出新型钢轨扣件相对现有的高架钢轨扣件和轨道减振器扣件的减振效果。
试验前，利用铁科院动力学试验室已灌注的一段混凝土整体道床，经修整扩槽后，埋入3块短轨枕，利用落锤冲击试验机进行新型钢轨扣件、轨道减振器及DTⅦ2型扣件分别配刚性整体道床时的减振性能试验。
落锤冲击试验共设3种工况，见表1，每种工况布置4个测点，即钢轨加速度，短轨枕加速度，道床加速度和基础加速度。
九、结语
新型钢轨扣件确保了铁垫板下的橡胶垫板充分发挥其弹性，不象传统的分开式扣件由于螺栓的拧紧而导致橡胶垫板的弹性损失；该扣件安装方便，如果某一部件损坏更换也非常简单；该扣件具有三重绝缘，比传统的扣件具有更好的电绝缘性，非常适合城市轨道交通的杂散电流防护。下层铁垫板的凸台设计既有效的承受由上层铁垫板传递的轮轨横向力，又不增大螺栓的弯曲力臂，确保了螺栓的安全使用。铁垫板之间的橡胶垫板结构设计充分考虑了其上部力的分布特点，能够使上层铁垫板在竖直力的作用下均匀下沉，减小了铁垫板的弯曲变形，有效的延长其使用寿命。
试验证明，新型钢轨扣件比目前的扣件在减振性能上有明显的优点，经过进一步结构优化设计，减振性能将与轨道减振器扣件相当，而其成本则低于轨道减振器扣件。
