广州地铁轨道单趾弹簧扣件锚固螺栓的研制

钟文文　

(深圳地铁有限公司)

万今仪　

(铁道部第二勘测设计院)

【提要】阐述用于广州地铁一号线轨道的单趾弹簧扣件锚固螺栓的设计思路,针对疲劳试验中出现的问题改进制造工艺。锚固螺栓现已用于短轨枕整体道床和浮置板式道床的轨道上,经受了运营的考验。

【关键词】地铁　轨道扣件　锚固螺栓　设计　制造

正线线路条件为:曲线最小半径R=300m,车

辆轴重16t,轴距215m,转向架中心销距1517m。在这种线路条件下,按轨道不出现危及行车安全的状态进行计算,一组扣件可能承受的最大横向水平荷载超过30kN,因此确定扣件按承受35kN的横向水平力设计。

其次,扣件的设计考虑了使用的通用性,既能使用于短混凝土枕整体道床,也能用于减振道床。国外同类扣件用于连续支承的整体道床时,用2根锚固螺栓;用于减振道床时,用4根锚固螺栓,螺栓直径为M24,强度等级相当于GB3098的1019级。

再次,为使扣件相对于不分开式刚性扣件具有3～5dB的减振效果,设计考虑在单趾弹簧扣件铁垫板下橡胶垫板采用了刚性相对较小的静刚度40～60kN/mm。在此条件下列车在曲线上运行产生的横向水平力,约80%由锚固螺栓承受,通过橡胶垫板剪切变形传给混凝土基础的仅是小部分。

根据上述设计要求,单趾弹簧扣件的结构设计如图1所示。锚固螺栓选用M27×220mm,强度等级为1019级,螺母选用GB6170标准产品,强度等级为10级,扣紧螺母选用GB8052M27。

1　引言

有挡肩分开式扣件是靠混凝土挡肩承受列车在曲线上运行时产生的横向水平力。国内外无挡肩分开式扣件的设计,大多采用减薄铁垫板下弹性垫片的厚度(一般为2～5mm),提高弹性垫片的刚度(大于110kN/mm),加大锚固螺栓拧紧力矩至300N・m,并增加传递给混凝土枕的横向水平力。而单趾弹簧扣件铁垫板下橡胶垫厚12mm,刚度仅为40～60kN/mm,锚固螺栓拧紧力矩也只有100N・m,这就决定了锚固螺栓将承受列车运行时产生的大部分横向水平力,因此锚固螺栓的研究是研制单趾弹簧扣件的关键问题之一。随着运营速度的提高,或某些区域条件限制,如轨道曲率半径过小及坡度过大等,对螺栓的技术要求也相应提高。香港地铁选用英国潘得罗尔扣件,锚固螺栓的性能等级相当于GB3098[1]的1019级,而广州地铁1号线最终也选用了同样等级的锚固螺栓,由此提出了单趾弹簧扣件锚固螺栓的研制任务。

2　锚固螺栓的设计

首先是设计荷载的确定。根据北京地铁动载试验统计结果,地铁列车以60km/h的速度在R=250m的曲线上行驶时,一组扣件承受的最大横向水平力约35kN。广州地铁一号线—10

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3　螺栓制造工艺的改进

311　疲劳试验中暴露的问题

高强度螺栓的常规生产工艺为:热轧圆钢

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退火→下料→粗加工→精加工→滚轧螺纹→调质处理→发黑→成品包装。根据试验统计,按此工艺生产的锚固螺栓,无论选用40Cr、35CrMoA还是超高强度钢,即使达到了设计要

不同程度的氧化脱碳,脱碳会降低表层组织的强度,导致疲劳寿命的降低。同时由于表层与基体马氏体比容的差异,淬火时造成表层拉应力,尽管随后的回火过程中有所改善,但疲劳强度仍会大大降低。

(4)个别试样存在淬不透、软点等缺陷。对上述问题进行分析研究,决定选用工艺及机械性能良好、原材料价格适宜,且广泛应用于工业领域的35CrMoA钢号进行试制,并对主要生产工艺进行了调整和改进:

(1)硬度值范围选取GB3098中的上限。疲劳强度σ-1与静强度σb之间存在着线性关

[2]系:σ-1=0125(1+1135Ψ)σ,硬度随静强b度和疲劳强度的提高而提高。

(2)采用调质处理后再精加工及滚轧螺纹求的单项性能指标,但在疲劳试验进行到20～80万次时锚固螺栓发生断裂,与设计要求300万次存在较大差距。为此对断裂样品进行化学成分、机械性能、尺寸精度和疲劳断口的金相分析,发现存在以下不利于疲劳强度的因素:

的生产工艺。这种工序安排完全避免了变形和脱碳的不利影响,螺纹成型过程中不仅使表层组织在加工中硬化,提高了疲劳强度,而且因形变表层还会形成残留压应力,这大大提高了整体疲劳强度。对硬度峰值达HRC39的毛胚进行大批量滚轧螺纹,这在国内外都是不易解决的问题,核心在于如何提高模具寿命,降低生产成本。采取改善润滑以及多次翻新使用同套模具等措施,可使滚轧成本降低2/3。

(3)精加工改用无心磨床对滚胚进行压磨,

图1　单趾弹簧扣件立、平面图

(1)锚固螺栓有严重变形,变形是调质处理

磨量0125mm,粗糙度012mm,可彻底消除刀

痕的不良影响。压磨生产效率高、成本低且精度高,它是批量生产的首选工艺。

(4)精加工后100%磁粉探伤。发纹是冶金不可避免的缺陷,轧制和拉拔加工可能造成折叠,调质处理也可能造成开裂,因此通过磁粉探伤根除表面缺陷是很有必要的。

(5)使用无损检测技术对滚轧螺纹前的半成品进行全检,这是确保产品质量的重要手段之一。SWGY—Ⅱ型硬度分选仪是哈尔滨科技大学开发的新型无损检测仪,其基本原理是根据化学成分、相组织或同一组织中合金固溶度对导磁率的不同影响来对钢铁产品进行检测,通过与标准试样对比,可以将因管理不善而混入的其它钢号分选出来,也可以把硬度偏高偏

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中相变的结果。变形造成锚固螺栓受力不均,严重时产生附加弯矩,对锚固螺栓受力极为不利。

(2)螺纹根部留有刀痕,刀痕产生于车滚胚

工序。当滚胚的精加工粗糙度不足或偏心时,刀痕就在螺纹的塑性成型中保留下来,形成了应力集中的部位。疲劳试验中多数螺栓断裂出现在这一部位。

(3)螺纹脱碳。尽管成型加工后再调质处理有利于提高滚丝模的寿命,能降低生产成本,但基于调质处理生产线的技术水平,总会存在

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低或冷却不均匀造成软点的产品分选出来,从而确保批量产品的成分和机械性能均匀一致。对于中小型批量零件,该产品检测速度快(1500件/h)、设备投入低、检测成本低,是较理想的无损检测手段。

35kN的横向力,频次300万。

试验结果表明,经过300万次整体组装的

疲劳试验,锚固螺栓完整无损,轨距扩大1175mm,可达设计寿命要求。目前这一设计

及加工工艺已应用于生产领域,并在广州地铁1号线全线应用,经受了运营的考验。

参

考

文

献

4　试验及其结果

经改进工艺后的锚固螺栓于1996年在铁道部科学研究院铁道建筑研究所进行了整体组装试验。试验条件:螺母预紧力矩100N・m,疲劳荷载15～70kN,相当于每股钢轨承受715～

1　GB3098292,紧固件机械性能,中国标准出版社出版2　金属机械性能,机械工业出版社,1982年

改回日期:2000-11-17

(责任审编　王天威)

动、噪声、废弃物等环境问题,如使用柴油打桩机打混钢管混凝土高桥墩

第二名古屋—神户高速公路的池山高架桥,设计为长941m(上行线)的预应力混凝土连续刚构桥,墩高4510～7315m。为改善桥墩的耐震性并提高施工速凝土桩产生的噪声级可超过100dB。随着1968年噪声限制法、1976年振动限制法的颁布,埋入式桩、现场灌注桩等工法迅速发展并被广泛采用。但这些新工法又产生了大量的弃土和建筑污泥,遵照“废弃物处理法”规定应按产业废弃物办理(保管、收集运输、再生利用)。在此背景下,日本先端建设技术中心于1999年11月发布了“建筑污泥重复利用指南”,包括总论、制度篇、技术篇三部分。“指南”称因开挖工程生成的泥状渣料及泥水,其圆锥贯入指数<200kN/m2和轴压强度<

50kN/m2者为建筑污泥,它是由钻孔桩、泥水式盾构、地

度,桥墩采用钢管混凝土结构。即在墩身断面516m×

514m范围内对称布置外径1400mm的钢管9根,为增

加钢管与混凝土的粘结力,在钢管外侧设环向钢筋。桥墩除设钢管外仍配置普通钢筋,所采用的箍筋为高强度钢绞线,目的是增加墩柱的螺旋箍作用,以提高桥墩的耐震性。桥墩的施工顺序为浇注大直径桩基础混凝土、固定钢管———钢管焊接和架立、绑扎钢筋———用滑升模板浇注墩身混凝土。在施工中由于4#、5#、

20#墩的钢管直立高度为76m,顶端风速达40m/s,以4#墩为例,其一阶自振周期为3134s,阵风影响系数2162,钢管应力超过允许值。经在距钢管底端5715m

下连续墙等工法产生的。“指南”要求建设、设计、施工三方在设计施工中减少建筑污泥的产生,对产生的污泥规定了自利用、有偿转让、再生利用的制度。“指南”提出的建筑污泥再生资源化方法和利用途径见表1。

表1　再生资源化方法及用途

再生资源化方法烧成处理高度稳定处理熔融处理

形状等粒状粒状、块状粒状、块状脱水饼改良土土～粉体

主　要　用　途骨料、排水沟材料碎石、砂的代用品碎石、石材代用品填土、回埋材料填土、回埋材料填土材料

处设置6m高的竖向风撑后,钢管一阶自振周期降至

2115s,阵风影响系数降为2134,钢管应力减小到允许

值以内。

(孟庆伶　供稿)

高度脱水处理稳定处理干燥处理

建筑污泥再生资源化及其利用

在各类桥梁基础中,桩的使用率呈上升趋势。

1995年,日本的桩基础约占59%。桩的施工会产生振

(孟庆伶　供稿)

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