扣件力学分析与检算

混凝土轨枕、宽轨枕的应用,特别是无昨轨道的应用对扣件提出了很高的要求。扣件除了联结轨与枕、调整轨距和超高功能外,还要有足够的纵向阻力防止钢轨爬行、合理的弹性以降低轮轨系统的振动。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

混凝土轨枕、宽轨枕和无碓轨道扣件由弹性扣压件和轨下胶垫组成所示。弹性扣压件施加扣压力于钢轨轨底上表面,轨下垫层的弹性反力于轨底下面,形成双重弹性力扣紧钢轨,如图1所示。扣件横向也具有一定弹性,但一般都很小。扣件横向弹性有利于轨道横向减振并将横向力分散一部分给相邻扣件。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

在车轮竖向力和横向力作用下,钢轨发生竖向,横向变形和扭转。扣件不仅要牢固的把钢轨弹性扣压在轨枕上,还要对振动和冲击有缓冲作用,以达到减振降噪,改善钢轨受力条件、减缓道床下沉和残余变形积累的过程、延长轨道养护和修理周期的目的。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

图1 扣件力学模型

1 扣件刚度

一组扣件的弹性由扣压件弹性和轨下垫层弹性两部分组成。由于扣压件和轨下胶垫在荷载作用下的变形量相等,可看作两个并联弹簧。设一组扣件扣压件刚度为k_p(一般是0.51 kN/mm),轨下胶垫的等效刚度为k_c(一般是15~75 kN/mm),且主要取决于轨下胶垫的刚度。扣件刚度k为

$$k=k_p+k_c$$

扣件刚度影响到减振效果和轨枕动压力大小。刚度较小的扣件减振效果好,但刚度减会增大轨枕动压力。所以,扣件刚度的选择应兼顾这两种因素,有一个合理的取值。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2 初始扣压力

当安装扣件时,扣件施加给钢轨有一个初始扣压力。这个初始扣压力应能保证钢轨在列车作用下的稳定和防止钢轨相对轨枕纵向爬行。为了防止钢轨爬行,扣件的纵向阻力必须大于道床阻力。设一组扣件的扣压件前端对钢轨的扣压力为P_c，钢轨与扣压件之间的摩擦系数为ƒ₁钢轨与弹性垫层之间摩擦系数ƒ₂。则每组扣件提供的纵向阻力R为

$$R=P_c(f_1+f_2)$$

设轨枕间距为a,则每组扣件的单位长度爬行阻力R为󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

$$R=P_c(f_1+f_2)/a$$

上面两个公式算出的扣件阻力必须大于道床纵向阻力,由此可得到初始扣压力的下限。目前铁路运营情况下,用于无缝线路的每组扣件的初压力为8.8~9.8 kN,从而单位长度󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

爬行阻力值为13.9～15.5 kN/m。这个数值约为半根轨枕道床纵向阻力的两倍,因而是足够的。钢轨扣件初压力一般采用测力扳手把螺栓拧紧到一定程度的扭力矩加以保持。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

3 扣件弹程

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在扣压件初始扣压力作用下,轨下垫层和扣压件分别产生初始变形,其初始变形量是不相等的。当列车车轮通过该扣件处钢轨时,在轨枕动压力R_d作用下,扣件的轨下胶垫和扣压件会产生变形增量,二者的变形增量△y是相等的,同时引起扣压件和轨下胶垫压力变化。为了保证在列车荷载作用时钢轨扣压件不出现不密贴现象,轨下垫层的变形增量不应大于扣压件的初始变形量。设扣压件初始变形量为y_c,扣件弹程应满足的条件为

$$\Delta y\leq \Delta y_c$$

根据虎克定理,变形增量与动轮载有关系为󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

$$\Delta y=\frac{R_d}{k}=\frac{R_d}{k_p+k_c}$$

扣压件初始变形量为

$$y_c=\frac{P_c}{k_c}$$

将以上三个公式代入得式3.1和3.2󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

$$\frac{P_c}{k_c}\geq \frac{R_d}{k_p+k_c}$$

或

$$\frac{k_p}{k_c}\geq \frac{R_d-P_c}{P_c} $$

扣件刚度由两部分组成,扣压件的刚度一般较小,轨下胶垫的刚度大,两者之间应该有个合理比值,以免出现荷载作用下的钢轨、扣件与垫层不密贴的反常现象或扣压件扣压力损失太大的情况,影响扣件工作的可靠性。式(3.1)或式(3.2)是扣件弹程应该满足的条件,它给出了扣压件与轨下垫层刚度分配与初始扣压力和动轮载的关系。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄤󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

4 扣压力损失

当列车通过时在轨枕动压力作用下,轨下胶垫和扣压件产生向下的变形增量。此时,扣压件扣压力损失为

$$\Delta P_c=k_c\Delta y=R_d\frac{k_c}{k_p+k_c}$$

与轮载成正比。损失后的扣压力P_d为

$$P_d=P_c-R_d\frac{k_k}{k_p+k_k}$$

扣压力设计时应使初始扣压力在荷载作用导致扣压力损失△P_c后仍能保持无荷载时所需要的扣压力。

5 扣件的横向弹性

钢轨由于横向力作用发生横向位移和扭转,导致钢轨横向挤开,轨枕挡肩损坏。现有扣件横向刚度较大,主要通过刚性较大轨距挡板保持轨距。横向弹性来自轨下胶垫受摩擦力产生的剪切变形以及尼龙挡座,两部分的弹性也可看作是并联弹簧,相加而得总横向刚度。
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文章来源：

李成辉主编. 《铁路轨道》[M]. 2010