60kg/m鋼軌伸縮量420mm鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的研究設(shè)計

摘要：本文在認真分析了目前我國城市軌道交通使用的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器存在的問題的基礎(chǔ)上，詳細介紹了專為城市軌道交通設(shè)計的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)特點。可為使用單位的選型提供依據(jù)，也可對制造、鋪設(shè)單位起指導作用。
鋪設(shè)無縫線路是軌道現(xiàn)代化的一項重要技術(shù)措施，具有行車平穩(wěn)、減少養(yǎng)護維修工作量、延長設(shè)備使用壽命、提高旅客舒適度等優(yōu)點。應(yīng)用于城市軌道交通，可以大大降低輪軌撞擊所產(chǎn)生的振動、噪聲等環(huán)境污染。當在溫度跨超過120m的連續(xù)梁上鋪設(shè)無縫線路時，由于梁、軌的材質(zhì)不同，在溫度變化因素作用下的縱向變形也不同，縱向變形受到限制時就會轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力。如果鋼軌所承受的內(nèi)應(yīng)力與其他各種應(yīng)力疊加后超過鋼軌的容許應(yīng)力，將會影響到軌道的安全性、穩(wěn)定性，危及行車安全。解決這一問題的措施之一是鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。另外，在高架無縫線路中的道岔前后，一般也需要鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，以阻斷無縫線路鋼軌伸縮對道岔狀態(tài)的影響，確保行車安全。我國修建的高架城市快速軌道結(jié)構(gòu)中，均設(shè)置了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。其結(jié)構(gòu)基本按國鐵的通用圖，經(jīng)過一段時間的運營實踐，發(fā)現(xiàn)目前的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器并不完全適應(yīng)城市軌道交通的特點。有必要研究設(shè)計專門應(yīng)用于城市軌道交通的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。
一.目前鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器存在的問題
1.伸縮量
目前鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)計伸縮量名義上為1000mm，但按圖紙結(jié)構(gòu)檢算發(fā)現(xiàn)，伸縮量無法實現(xiàn)。原因是鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌在伸縮時與相鄰的扣件發(fā)生干涉，所允許的自由伸縮量不足600mm。
2.平面線型
目前的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器平面線型采用的是緩和曲線型。緩和曲線在用于高速鐵路時是非常必要的，它可以降低車輪對縱坡的沖擊，減小軌道的幾何不平順。對于城市軌道交通來講，則沒有意義。城市軌道交通列車一般行駛速度是80km/h，根據(jù)國際上的一般經(jīng)驗，在最高行駛速度小于或等于200km/h的地段，均可以鋪設(shè)圓曲線型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。根據(jù)實測，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌的伸縮阻力只有2～5t，沒有采用緩和曲線的必要，圓曲線型完全滿足其要求。其次，由于緩和曲線的設(shè)置使得尖軌軌頭薄弱段較圓曲線型長許多，對尖軌延長使用壽命不利。同時，緩和曲線的設(shè)置，使得鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)計、生產(chǎn)、鋪設(shè)均變得復雜化。
3.基本軌預(yù)彎
基本軌的伸縮阻力與端部導曲線線型和曲線半徑有關(guān)，也與是否按預(yù)頂彎設(shè)計有關(guān)。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器基本軌可按兩種狀態(tài)設(shè)計：一. 基本軌不預(yù)頂彎，基本軌靠導向軌撐和尖軌的共同作用使基本軌在尖軌刨切范圍內(nèi)產(chǎn)生彈性變形，正因為基本軌的變形是彈性的，基本軌與尖軌在刨切范圍的正壓力也大，伸縮阻力也大；二. 基本軌預(yù)頂彎，頂彎的范圍是取鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器發(fā)生最大伸長時尖軌實際尖端處為始點至軌端。目前的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器采用的是第一種狀態(tài)設(shè)計，較大的伸縮阻力會使鋼軌應(yīng)力得不到有效釋放。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表明：基本軌預(yù)頂彎后其伸縮阻力約下降40％左右。
4.尖軌定位
尖軌一般與短軌相連，而列車一般也是單方向行駛，易造成尖軌的爬行，因此尖軌必須有定位的措施。目前的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器尖軌僅依靠軌撐的扣壓力難以確保尖軌與基本軌的相對位置。
5.軌底坡
在GB50157《地下鐵道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，道岔不應(yīng)設(shè)置軌底坡，沒有對鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器提出要求。正常的軌道均設(shè)有1：40的軌底坡，因此鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器有必要也有條件設(shè)置軌底坡。目前的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器沒有設(shè)置。
6.結(jié)構(gòu)設(shè)計采用值
鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的尖軌，使用條件與道岔中的直線尖軌基本相同，因此尖軌的降低值、水平刨切坡度等與道岔中的直線尖軌也應(yīng)相同。但目前的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與現(xiàn)行的國鐵采用值不同。
二.新型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)計
1. 平面線型及結(jié)構(gòu)的確定
1). 平面線型
曲線型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器六十年代首先在日本應(yīng)用，由于其具有軌距線連續(xù)、軌距變化小、尖軌與基本軌始終保持密貼等優(yōu)點，很快在世界上得以推廣。像德國、美國等原采用短軌調(diào)節(jié)的國家，也已在無縫線路上采用了鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。曲線型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器又分為圓曲線、反向復曲線和緩和曲線。這三種線型的共同點是伸縮阻力隨曲線半徑的增大而減小。而在相同半徑下，反向復曲線鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的伸縮阻力遠遠大于圓曲線型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，而且在長度上也長于圓曲線型鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器約50％；采用緩和曲線無必要（理由前述），因此本設(shè)計采用曲率一致的單圓曲線型。雖然按理論計算圓曲線半徑大于180m即可滿足伸縮要求，但考慮在線型、平面布置等方面合理的前提下，伸縮阻力盡可能小些，最終決定圓曲線半徑采用280m。
2). 伸縮量的確定
鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的伸縮量是由無縫線路伸縮區(qū)自由伸縮量、線路的允許爬行量、橋梁因活載作用而產(chǎn)生的撓曲變形引起的鋼軌伸縮量、各種誤差積累構(gòu)成的。通過計算：
鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與無縫線路長鋼軌連接的伸縮區(qū)伸縮量一般小于±50mm；
線路的允許爬行量按《鐵路工務(wù)規(guī)則》規(guī)定不大于±20mm；
總伸縮量不大，最終按結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠達到的最大值±210mm作為伸縮量。
3). 平面尺寸
尖軌實際尖端位置軌頭寬取1mm，減短尖軌前部軌頭薄弱斷面長度。短軌枕間距按600mm布置，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器全長為10800mm（見圖1）。全長較目前

圖1：鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器平面

的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器縮短了1700mm，既可降低造價，在較小跨度的高架橋上又可靈活布置。尖軌尖端前尺寸2600mm，是工廠組裝控制尺寸，也是鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)計伸縮量為零的位置，鋪設(shè)時應(yīng)根據(jù)實際軌溫進行調(diào)整。
2.結(jié)構(gòu)設(shè)計
1). 尖軌采用60AT鋼軌制造，用于單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時，跟端熱加工過渡到相應(yīng)的普通鋼軌斷面；用于雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器時，可用一根60AT鋼軌按對稱中心線加工，刨切段分別與兩側(cè)基本軌貼合；為防止尖軌爬行，尖軌設(shè)置軌撐、水平螺栓定位；尖軌降低值按國鐵現(xiàn)行標準設(shè)置，軌頭水平刨切按更符合輪軌關(guān)系的1：4坡度加工。
2). 基本軌一側(cè)靠導向軌撐導向，另一側(cè)靠尖軌的軌頭、軌底導向（見圖2）。基本軌在有最大伸長時尖軌軌頭寬50mm對應(yīng)位置向外作1：3的軌頂刨切，延續(xù)至基本軌端部，端部軌頭頂面降低10mm，避免磨耗輪對假輪緣對基本輪的沖擊。為降低伸縮阻力，基本軌由制造工廠做預(yù)頂彎。
3). 墊板采用560x170x18mm的扁鋼制造，加工、運輸、鋪設(shè)、養(yǎng)護維修均較方便。墊板長度尺寸統(tǒng)一，可以簡化短軌枕的類型。墊板按軌道中心線分上、下股鋼軌用，對稱制造。

圖2：鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

4). 扣件采用分開式彈性可調(diào)扣件，扣壓件為橋上無碴軌道用小扣壓力彈條。用扭力矩調(diào)整基本軌、尖軌對扣壓力的不同需要。鐵墊板與短軌枕的聯(lián)結(jié)采用T30的螺旋道釘，施以150～200N·m的扭力矩。軌距的調(diào)整采用軌距塊，由不同號數(shù)軌距塊的組合，可實現(xiàn)+8、-16mm的軌距調(diào)整量。軌道高度的調(diào)整采用調(diào)高墊板，軌下最大墊10mm，鐵墊板下最大墊30mm，基本軌與尖軌貼合段只在鐵墊板下調(diào)高。
5)設(shè)計上在鋼軌軌下、鐵墊板下均設(shè)有彈性墊層，鋼軌軌下設(shè)置溝槽形式橡膠墊板，理論靜剛度約為40kN/mm，鐵墊板下設(shè)置圓柱粒子形式橡膠墊板，理論靜剛度約為60～70kN/mm。這種雙層彈性墊層的設(shè)置，可以滿足城市軌道交通旅客舒適度和一般地段減振降噪的要求?；拒壴谂c尖軌貼合范圍內(nèi)的軌下不設(shè)橡膠墊板，以利于伸縮。
6) 軌下基礎(chǔ)采用無擋肩短軌枕、整體道床，短軌枕設(shè)計為同一尺寸。
7)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器按有軌底坡設(shè)計，軌底坡由施工時實現(xiàn)。施工時鋼軌、扣件、短軌枕吊裝在支架上，按1：40坡度內(nèi)傾，軌道幾何狀態(tài)檢查無誤后澆注道床砼固化。
三．結(jié)語
結(jié)合城市軌道交通特點設(shè)計的《60kg/m鋼軌伸縮量420mm單（雙）向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器》充分吸收了國內(nèi)、外鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的優(yōu)點，技術(shù)上更加先進、可靠，是我院開發(fā)的新一代軌道設(shè)備，可滿足城市高架無縫線路鋪設(shè)的要求。
原文作者：高曉新