王钟苑

(中铁山桥集团有限公司, 河北秦皇岛　066205)



200 km/h无砟轨道道岔扣件系统设计

王钟苑

(中铁山桥集团有限公司, 河北秦皇岛066205)

摘要：以增加岔枕螺栓强度安全以及板下弹性垫层在有限空间内实现低刚度的两大技术关键为研究目的，通过吸收遂渝线结构形式和客运专线盖板形式结构优点,研究时速200 km无砟轨道道岔扣件系统设计原则、可供选择的方案以及采用的扣件各零件，使200 km/h无砟轨道道岔扣件系统充分利用Ⅱ型弹条的调距功能，轨下橡胶垫板和板下弹性垫板的缓冲功能，调高垫板对道床不均匀沉降的调整功能，结合高寿命的尼龙套管外预埋不锈钢外套结构和整体设计的复合定位套,将岔枕螺栓的薄弱部位远离受力点保证其强度安全。扣件系统既满足线路运营需要,也适当考虑制造成本。

关键词：无砟道岔；扣件系统；弹性；刚度；设计

1概述

目前无砟轨道设计理念、结构特征、技术水平体现了道岔发展水平。扣件系统是无砟轨道的重要组成部分，其具有两大技术关键[1]：岔枕螺栓强度安全和板下弹性垫层在有限空间内实现低刚度。

(1)岔枕螺栓强度安全

随着弹性垫层厚度和调高量的增加，由垫板传递至岔枕螺栓的横向力作用点高度也随之上升，使岔枕螺栓的受力状态不断恶化。改善岔枕螺栓受力状态，防止出现断裂是技术关键。主要优化对策：对结构进行优化，降低横向力作用点高度；避免垫板螺栓孔壁与岔枕螺栓直接接触，通过中间介质实现软接触，以缓冲横向作用力；延长螺栓光杆长度，降低光杆与螺栓交界面高度，以增强岔枕螺栓自身承载能力。

(2)板下弹性垫层在有限空间内实现低刚度

降低岔区轨道刚度[2]，是无砟道岔满足旅客舒适度要求必不可少的前提，要在有限的厚度范围内实现板下弹性垫层低刚度及刚度保持是技术关键[3]。主要优化对策：改变橡胶垫层结构形式，包括单向沟槽、双向沟槽、圆柱体、空心圆柱体等形式；采用新型材料(主要指聚胺脂等)替代橡胶。岔枕与垫板的连接机构既要保持稳定的轴向力，同时保持弹性垫层的正常工作。

两大技术关键是彼此关联的，在扣件系统结构优化时，二者需相互联动。本文基于以上技术关键对无砟轨道扣件系统进行研究。

2研究内容

针对时速200 km线路无砟轨道道岔扣件系统[4]，包括弹条、普通垫板、轨下橡胶垫板、板下弹性垫板、调高垫板、岔枕螺栓、预埋套管、复合定位套等零件。扣件系统总的设计原则是：满足线路运营需要，适当考虑制造成本。

该套扣件系统是在吸收了遂渝线结构形式和客运专线盖板形式[5]，结合目前加工技术的进步，实现了整体性设计，采用橡胶弹性体分体式扣件系统结构。扣件系统集成如图1所示。

图1　扣件系统集成(单位：mm)

2.1采用Ⅱ型弹条

Ⅱ型弹条(有螺栓扣件)，具有调距功能[6]。该弹条在国内应用普遍，是成熟的技术。

2.2普通垫板

普通垫板采用整铸或焊接形式：其承轨槽中心厚度27 mm，宽度180 mm，为减少复合定位套规格，便于安装调配，垫板在岔枕螺栓部位厚度均采用25 mm；在客运专线系列道岔及GLC系列道岔中均选用了该种垫板厚度和规格。在垫板下部设置了下凸台，可降低垫板所受岔枕螺栓横向力的传递位置，从而提高岔枕螺栓抵抗横向力的能力。这是无砟道岔与有砟道岔垫板的主要区别。为了提高板下弹性体的强度，垫板长度较有砟垫板单侧加长8 mm，总计加长16 mm。

2.3板下弹性垫板

依据现代道岔设计理论，轨下橡胶垫板仅起缓冲作用[7]。本设计刚度的选择[8]与客运专线道岔一致，为300 kN/mm。

板下弹性垫板是扣件系统组件对轨道提供弹性的主体。经过理论分析，无砟道岔节点刚度选择为25 kN/mm，板下则需提供27 kN/mm的刚度[9]。

为较好实现低刚度的需求[10]，弹性垫层厚度增加到20 mm，且采用新型弹性方式实现。目前橡胶垫板实现刚度调整一般有以下几种方式。

(1)沟槽结构：这是最为常见的方式，制造工艺成熟，成本较低，应用较为普遍。但是该种结构受橡胶材料本身性能的影响，刚度的实现受到的限制较大，同时受沟槽方向影响，胶垫纵横向变形及剪切存在较大差异。在遂渝线道岔中采用分级提供弹性的方式使轨道获得较低刚度。在实现合理刚度值的情况下，可有效提高橡胶垫板自身强度，提高使用寿命。该方式可方便实现组合刚度目标值。但是遂渝线为客货共线线路，所需刚度不算很低(40～50 kN/mm)，较为方便实现，但是在弹性垫层20 mm厚度的条件下，实现20 kN/mm的刚度还有待进一步研究。

(2)柱形结构：这种结构在地铁道岔中应用较多，在铁路正线轨下也有应用。由于柱形橡胶垫板变形能力不足，提供低刚度更为困难。

(3)块式结构：这是客运专线道岔初期研发的一种结构形式，主要是针对客运专线道岔低刚度要求。通过弹性垫板中块的大小、高低实现刚度的调整。缺点是模具制作成本较大。由于块式结构属于非均衡提供弹性，各部位抗剪能力相差较大。在前期客运专线道岔使用中出现了边部鼓曲、拉筋破裂的现象。

针对上述结构的优缺点，研发了空心钉式橡胶垫板结构，如图2所示。该种结构基于柱形橡胶垫板，进行特殊设计形成的新型结构，改进柱形垫板难以提供较低刚度的不足，其理论分析如图3所示。

图2　空心钉式板下橡胶垫板

图3　空心钉式板下橡胶垫板理论分析

2.4调高垫板

调高垫板是无砟整体道床必备零件，用于道床不均匀沉降的调整。根据遂渝线道岔设计经验，采用了-4～26 mm的调高配置，初始状态设置厚6 mm调高垫板；备用调高垫板厚度规格为2、3、5 mm三种。

2.5岔枕螺栓

岔枕螺栓是连接垫板与岔枕不可缺少的零件，在无砟道岔中由于需要调高，螺栓受力点不易控制，无砟道岔节点刚度低，垫板在横向力作用下的横向位移相对较大，因此螺栓的强度设计非常重要。结合预埋套管、复合定位套，对岔枕螺栓结构进行合理设计，使受力点远离岔枕螺栓的薄弱部位，提高岔枕螺栓的使用寿命。

岔枕螺栓需与预埋套管配合设计，调高量在-6～15 mm时选择一种螺栓(图4)，正常情况下可以满足使用；调高量在10～30 mm时，选择另一种长度规格的螺栓(备用)，这样可以简化套管的设计。

图4　岔枕螺栓选择(单位：mm)

2.6预埋套管

预埋套管为尼龙套管外预埋不锈钢外套结构(图5)，可以提高预埋件使用寿命。尼龙套管外预埋不锈钢外套结构是针对现场预埋套管损坏后修复困难问题的改进设计，在大秦线道岔、GLC系列道岔中均得到成功应用。

图5　预埋套管及不锈钢外套(单位：mm)

由于无砟轨道岔枕与基床为整体连接，套管破坏后更换岔枕是不可能的，加之螺栓受力点提高对套管的不利影响更大，套管更易被破坏。预埋时钢套与岔枕结合，尼龙套管在钢套内可旋入旋出，当尼龙套管破坏后，可直接卸下既有套管，更换新的套管，操作简单方便，快速。

另一方面钢套埋置于混凝土中可与混凝土同寿命。尼龙套外加钢套后，可改善尼龙套管受力条件，减少开裂、破损等病害。混凝土岔枕螺栓孔外加钢套，相当于在螺栓孔周围设置了一层箍筋，提高岔枕抗孔裂能力。

现对所选形式的适用性分析如下。

(1)光杆长度。从使用性能分析可以得出，预埋套管的光杆部分是提高横向受力能力的关键，在充分考虑调高量的基础上对其光杆部分长度进行合理配置。

(2)螺纹长度。螺纹长度是保证螺纹锁紧力与适应轴向力的关键，同时需要考虑调高量对螺纹实际配合长度的影响。假设一种螺栓的调高按最大20 mm考虑，就必须在最小螺纹长度的基础上，增加20 mm的长度，使得在螺栓达到最大调高量的状况下，满足螺纹最小配合长度。

根据上述因素分析以及调高量的分配，设计套管结构。保证如下技术指标：螺纹最小配合长度70 mm，最小光杆部分贴合长度25 mm。

2.7复合定位套

对复合定位套[11]进行整体性设计(图6)，使其具备如下功能。

图6　复合定位套

(1)扣压垫板功能，复合定位套盖板下的弹性体采用了低刚度设计(总体刚度3～5 kN/mm)，理论变形量为4 mm，可实现任何状况下复合定位套均对垫板进行扣压。

(2)降低岔枕螺栓受力点作用，通过控制岔枕螺栓与定位套的接触点位置得以实现。复合套管的内阶梯可使岔枕螺栓实际受力点降低。垫板下部增设的下凸台是为了降低垫板横向传力点的位置，为钢套与岔枕螺栓接触部位下移创造有利条件。

(3)保持板下弹性有效性。在提速系列道岔对有效保持板下弹性的重视程度不够，岔枕螺栓的轴向力直接作用于垫板，导致板下弹性大幅度降低，影响弹性的实现。遂渝线道岔和客运专线道岔对保持板下弹性的有效性引起了足够的重视，也出现了不同的结构形式。德国BWG道岔和国产客运专线道岔采用整体硫化技术，实现较为方便。复合定位套结构对此项点充分进行了考虑，并得以良好实现。盖板下低刚度弹性体设置，使得扣压力在12～20 kN，对板下弹性影响可以忽略(弹性垫层弹性测定最低压力为20 kN)。

(4)垫板位置的稳定性。尽量减少间隙产生，使垫板横向位移降到最低。采用复合定位套，使得岔枕螺栓与垫板仅存在两层间隙，优于前期客运专线道岔，与整体硫化垫板间隙水平相当。

(5)保证岔枕螺栓具有稳定的轴向力，具有良好防松效果[12]。由于复合套管从盖板上面到与调高垫板接触的钢套底面采用聚酰胺66硫化而成，在岔枕螺栓达到规定扭矩，完成盖板下低弹性体4 mm变形后近似于刚体，可完全实现轴向力的要求，以确保防松效果。

(6)具备良好的绝缘性能。复合套管与垫板接触部位都采用了橡胶体或聚酰胺66进行隔离，保证了岔枕螺栓与垫板间的绝缘。

(7)缓冲垫板传递到岔枕螺栓上的冲击力，提高岔枕螺栓使用寿命的有效措施是有效缓冲垫板传递的横向冲击力。但是这种缓冲程度需对轨距动态扩张进行综合考虑，疲劳试验结果表明采用聚酰胺66材质具备一定的缓冲能力，能够满足扣件组合状态下岔枕螺栓的寿命要求，因此本设计采用了聚酰胺66材质实现横向缓冲。

(8)复合套管采用硫化偏心和不偏心两种，硫化后复合套管均为圆柱形，有利于所有垫板螺栓孔径统一，并保证盖板在安装时可较好控制方向，避免了客运专线道岔非硫化垫板为保持安装方向，在垫板和套管上采取的措施而带来的成本增加，简化垫板及套管的加工工艺。

(9)复合套管金属部分采用通用设计，其偏心在聚酰胺66硫化时实现，简化复合套管制造工艺，降低了生产成本。

(10)由于采用轨距块调整轨距较为方便，也被现场施工人员普遍接受，因此本设计仍以轨距块调整为轨距调整主要方式(滑床垫板除外)。同时偏心复合套管也具备调整轨距的能力，现场可进行联合调整。

3结论

时速200 km无砟轨道道岔扣件系统设计，采用普通垫板，板下弹性垫板，调高垫板，岔枕螺栓，复合定位套等结构，实现了对道岔钢轨扣压，道岔轨距调整，轨下缓冲，调整刚度，适应不均匀沉降，改善岔枕螺栓受力情况等功能，既满足线路运营需要，也适当考虑制造成本。运营实践表明，该套扣件系统能够满足高速铁路的运营需求。

参考文献：

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Design of Fastening System for 200km/h Ballastless Track TurnoutWang Zhong-yuan

(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co., Ltd., Qinhuangdao 066205, China)

Abstract：This paper focuses on improving the strength of the concrete bolt and obtaining lower stiffness of the elastic layer under the plate within a limited space and studies the principles for the guiding the design of the fastening system for 200 km/h ballastless track with reference to SuiNing～ChongQing passenger dedicated line fastening structure, addresses the alternatives and components of fastening system to allow better utilization of II type clip adjustability and the cushioning capability of the pad under rail and plate, to improve the adjustability of the pad for the uneven settlement of the track bed. In combination with the long service embedded stainless bushing and composite sleeve, the weak part of the switch sleeper bolt is separated as far as possible from the load point for the sake of safety. The fastening system shall satisfy the requirements for operation and take account of the fabricating cost.

Key words：Ballastless track; Fastening system; Elasticity; Stiffness; Design

中图分类号：U213.5+3

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.007

文章编号：1004-2954(2015)02-0027-04

作者简介：王钟苑(1982—)，女，工程师，2007年毕业于哈尔滨工业大学，工学硕士，E-mail:147789258@qq.com。

收稿日期：2014-08-14； 修回日期：2014-09-15