城轨交通新型轨道扣件研究与设计
摘 要: 研究目的: 扣件是城轨交通工程轨道结构中的重要组成部件。目前国内应用于运营地铁地下线的一般减振扣件类型较多，近年来逐步发现存在着一些缺陷。为进一步优化适用于城轨交通 60 kg/m 钢轨地下线整体道床用的扣件，开展新型扣件的研制很有必要。
研究结论: 仿真计算分析、试制及室内试验结果表明，新型扣件具有较好的强度、耐久性、弹性及绝缘性能。优化弹条设计，加大了弹条尾部圆弧，增加与铁垫板的接触面积，提高弹条稳定性; 减薄铁垫板、弹条插入孔改为长圆孔、优化锚固螺栓及轨距块等措施，使其结构、使用寿命、养护维修等方面较同类型扣件具有一定优越性。
关键词: 城轨交通; 轨道结构; 扣件类型; 仿真计算
1 概述
随着我国国民经济的快速发展，城市交通堵塞不畅，造成大气污染等问题日益突出，而运量大、快捷、安全、准点的轨道交通已成为解决我国大中城市交通问题的首选公共交通方式。
目前，城市轨道交通已出现阶段性建设高潮，北京、上海、广州、深圳等一线城市进入加速建设阶段，二线城市及省会城市也已开始启动。
1． 1 城轨交通工程轨道扣件的功能
城市轨道交通( 以下简称: 城轨交通) 工程的轨道与国家铁路轨道组成及功能基本一致。轨道由钢轨及配件、轨枕、扣件、道床、道岔及加强设备等主要部件组成。轨道引导车辆运行、承受压力并传递至路基或者其他结构物。
扣件是轨道结构中主要组成部件，其作用是固定钢轨正确位置，阻止钢轨的纵向和横向位移，防止钢轨倾翻，还能提供适量的弹性，并将钢轨所受的力传递给轨枕或道床承轨台。
1． 2 城轨交通工程扣件的主要技术指标
( 1) 扣件应有足够的强度，以抵抗钢轨的纵向力和横向力，其承受横向力≥40 kN，抗拔力≥60 kN，每组扣件防爬力≥8 kN;
( 2) 整体道床刚度大，轨道弹性主要依靠扣件及垫层提供，因此扣件应具有较好的弹性，以减少列车荷载的冲击，使钢轨承受的荷载能均匀地传递到道床上，扣件节点垂直静刚度一般在 30 ～50 kN/mm;
( 3) 扣件应具有良好的扣压力，每组扣件扣压力应 ＞12 kN。同时还应有满足实际需要的轨距和高低调整量;
( 4) 扣件应具有良好的绝缘性能，以减少杂散电流，其绝缘部件的工作电阻应大于 108Ω;
( 5) 扣件应尽量标准化，结构简单易铺设及维修;
( 6) 扣件金属部件应做防腐处理。
( 6) 扣件金属部件应做防腐处理。
1． 3 城轨交通工程既有扣件使用概况
目前国内普遍采用的地下线 60 kg/m 钢轨一般减振地段的扣件，基本为弹性、无挡肩、分开式。根据弹条型式划分，主要有 ω 型弹条扣件和 e 型弹条扣件，其性能各有特点，如表 1 所示。
由表1 可知，无螺栓扣件已广泛应用于城轨交通地下线短轨枕整体道床线路，当采用分开式扣件后，在轨道变形不大的情况下，采用无螺栓扣件是比较有利的，可方便安装和减少养护维修工作量，优越性比较显著。
总结多年来营运经验和教训，为了进一步优化研制了一种新型扣件。其型式特点分别为弹性、无挡肩、分开式，采用无螺栓 e 型弹条。
2 新型扣件设计参数研究
2． 1 扣件应具有足够的强度和耐久性
扣件的强度和耐久性是通过疲劳试验来验证的。扣件设计时，依据地铁实测小半径 200 m 曲线地段扣件所受的力，并参照国内外同类型扣件的设计荷载来确定扣件组装疲劳试验的横、竖向力。
组装扣件疲劳荷载以竖向取45 kN、横向取25 kN 为条件，能承受300 万次疲劳荷载的循环试验，各部件不损坏为目的进行疲劳试验，确保扣件的强度和耐久性。
2． 2 扣件应具有适量的弹性
整体道床刚度大，轨道弹性主要依靠扣件及垫层提供。国内已运营城轨交通线路中，一般减振地段常用扣件的节点静刚度多控制在 40 ～ 60 kN/mm，随着人们对减振降噪研究的深入，目前一些新的扣件产品，节点静刚度逐渐控制在 20 ～40 kN/mm。新型扣件设计时，为提高扣件的弹性，并综合考虑现有扣件的静刚度情况，将扣件节点垂直静刚度设定在30 ～50 kN/mm。
2． 3 扣件应具有良好的绝缘性能
城轨交通对钢轨扣件的绝缘性能要求很高，通常扣件中的单个绝缘部件常态绝缘电阻均可以达到以上，能满足对扣件的绝缘要求。
2． 4 扣件应具有良好的轨距及水平调整性能
轨距调整量主要是解决施工误差和钢轨侧磨而致轨距超限的问题，故要求负的调整量要大。整体道床扣件轨距调整量取值定为 +8 mm、－12 mm。
结构的沉降绝大部分是在结构设计时考虑并采取措施，但遇到特殊情况仍需钢轨扣件来调整。就目前的结构及轨道施工技术，对地下线要求钢轨扣件有20 ～ 30 mm 的水平调整量。
参照国内常用扣件的水平调整量，新型扣件水平调整量确定为 30 mm。
3 新型扣件结构设计
3． 1 新型扣件结构组成
新型扣件主要由预埋套管、锚固螺栓、铁垫板、轨距块和弹条等组成。扣件与轨枕连接的钉孔尺寸等参数，与现有轨道交通地下线普遍采用的无螺栓扣件一致。
3． 2 铁垫板优化设计
3． 2． 1 铁垫板厚度减薄
常用扣件铁垫板厚度为 18 cm，本扣件设计时，将铁板厚度设计为 16 mm，起到减轻重量、降低高度、增加稳定性的作用，同时节约材料，降低造价。如图 1 所示。
3． 2． 2 弹条穿入孔改为长圆孔
常用扣件铁垫板弹条穿入孔均为圆形孔，安装不方便。本扣件设计时，将弹条穿入孔改为长圆孔，弹条更方便安装，在行车过程中，不会对弹条中趾活动有影响。
3． 3 扣件弹性扣压件优化设计
根据运营单位反馈，常用的 e 型弹条，存在折断和滑退的安全隐患。本次优化设计时，针对该问题，对弹条尾部的圆弧进行了改进。
图 2 为目前地铁与轻轨设计中广泛采用的普通 e型弹条，图 3 为经过优化的新型弹条。可见，相对普通e 型弹条，新型弹条的正向长 105 mm，增加 5 mm; 侧向宽度为 97 mm，增加 2 mm，加大了弹条尾部圆弧，增加与铁垫板的接触面积，提高弹条稳定性，使弹条不容易折断和滑脱，使用寿命更长。
3． 4 锚固螺栓优化设计
为了增加稳定性，减少组装零件，将螺栓的头部制成帽沿型，螺栓的头部兼起到平垫圈的作用。
3． 5 轨距块优化设计
轨距块立面由常用的 33 mm，加厚至 35 mm，减少对承轨槽挡肩的冲击力，绝缘效果更好。两端设有斜坡，弹条更容易安装，轨距块与铁垫板挡肩配合间隙小，防止轨距块和弹条的纵向窜动。
3． 6 减振垫层优化设计
铁垫板下弹性垫板厚度加厚，弹性增加，设有上下面横向沟槽，有防止水进入套管的功能，利于排水、增加乘车舒适度。
4 新型弹条仿真分析
4． 1 新型扣件实体模型
在三维设计软件 CATIA 中建立新型扣件实体模型，如图 4 所示。零部件包括新型弹条、铁垫板、调高垫板、轨距块、轨下橡胶垫、板下橡胶垫板、螺旋道钉和短轨枕组成。
由于弹条为一较复杂的空间曲线结构，在工作状态下承受弯、扭、剪相互作用，还会与铁垫板插孔、轨距块发生挤压作用，因此，采用梁单元来进行分析计算显然无法综合考虑这些因素对弹条结构的影响，需要采用三维实体有限单元法来对其进行分析。
图 5 为普通 e 型弹条，图 6 为优化后的弹条的三维模型，可直观地观察优化前后弹条结构的异同。
4． 2 新型扣件仿真分析
通过对以上两种弹条结构的有限元计算，分析在不同扣压力下弹条的应变和应力大小。选取扣压力为8 kN、9 kN、10 kN、12 kN 四个工况，如图 7、图 8 所示。
由图 7、图 8 可知，新型弹条的变形量和等效应力的增量均小于普通弹条结构，随着荷载的增加，两者的差值小幅增大。在扣压力为 12 kN 时，普通弹条变形量 13． 219 mm，等效应力 2 243． 7 MPa，新型弹条变形量 12． 739 mm，较普通弹条减小 3． 63%; 等效应力2 161 MPa，较之减小约 3． 8% 。
可以从某种程度说明在发生相同变形量的情况下，优化后的新型弹条可以提供更大的扣压力; 同时由于扣压铁垫板处由线接触变为两处面接触，增大了跟端的弹性，也减小了结构内部应力，有助于延长弹条的寿命。
综上所述，尽管在有限元建模过程中对边界条件和模型进行了简化处理，但计算结果基本能反映优化前后弹条的变形和应力变化规律，新型弹条在跟端的弯折处理，增大了与铁垫板扣压部位的弹性，从而可达到增大弹条弹程，减小内部等效应力的目的。
5 新型扣件结构特性及实验结果
5． 1 新型扣件结构特性
新型扣件较既有的同类型扣件相比具有如下特性:
( 1) 结构简单、零部件少;
( 2) 铁垫板原材料为球墨铸铁用生铁，调整厚度，弹条穿入孔改为长圆孔;
( 3) 新型弹条的调整外形尺寸，且加大了弹条尾部圆弧，增加与铁垫板的接触弹性，同时可减缓钢轨对弹条的反作用力，使弹条不容易折断和滑脱，使用寿命更长；
( 4) 将锚固螺栓的头部制成帽沿型，即螺栓的头部兼起到平垫圈的作用又减少了零部件;
( 5) 轨距块两端设有斜坡，弹条更容易安装，轨距块与铁垫板挡肩配合间隙小，防止轨距块和弹条的纵向窜动;
( 6) 铁垫板下弹性垫板厚度加厚，弹性增加，设有上下面横向沟槽，有防止水进入套管的功能，利于排水、增加乘车舒适度。
5． 2 新型扣件室内实验
通过对新型扣件弹条的试制与试验，其产品:
( 1) 弹条经过检测: 外观、几何尺寸全部合格;
( 2) 弹条机械性能符合要求;
( 3) 中性盐雾试验合格;
( 4) 扣件组装疲劳实验结果表明，荷载竖向取45 kN，横向取 25 kN，能承受 300 万次疲劳荷载的循环试验，各部件不损坏。
6 结论
新型扣件为弹性分开式扣件，无 T 型螺栓，采用 e型弹条，适用于地铁及轻轨铺设 60 kg/m 钢轨的地段。通过仿真计算分析、试制及室内试验，可以验证新型扣件具有足够的强度、耐久性及适量弹性，并具有良好的绝缘性能; 新型扣件结构简单，养护维修工作量少，主要部件的使用寿命长，整体性能较同类型扣件具有一定优越性，经过铺设试验段验证后可以在城轨交通工程中应用并推广。
参考文献:
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