地铁地下线及高架线路轨道E型弹条

根据地铁扣件弹条的技术应用及发展趋势，以国内应用成熟的两种无螺栓e型弹条为基础，采用有限元分析方法，设计一种可同时用于地铁工程地下线及高架线的Φ16无螺栓e型小阻力弹条。结果表明，不仅可减少地铁工程的扣件设备类型，而且弹条的材料用量及最大应力水平比现有产品均有所降低。目前该弹条已进行试制，并通过 500万次疲劳试验的检验。

在钢轨扣件系统中，弹条是最关键的部件之一，也是扣件中相对最为薄弱的部件，一旦弹条失效，会危及行车安全。

1、地铁用弹条的主要类型及应用特点

国内地铁目前采用的弹条主要有两大类: 有螺栓弹条及无螺栓弹条

有螺栓弹条主要有国铁Ⅰ、Ⅱ型弹条及桥上小阻力弹条等，均为ω型； 无螺栓弹条主要有国铁Ⅲ型弹条及地铁DⅠ弹条等，均源自第二代Pandrol的e型弹条。有螺栓ω弹条扣件的扣压力可通过螺栓扭矩进行调整，但零部件较多，安装及维修工作量大，螺栓松动会导致扣压力不均匀；无螺栓e型弹条扣件零部件少，扣压力均匀，养护维修量小。目前的设计中，同一条地铁铺设若既有地下线又有高架线，则一般在地下线采用简单少维护的无螺栓弹条扣件，高架线采用有螺栓小阻力弹条，弹条及扣件类型不统一。

表1 国内常用弹条的主要技术规格

Pandrol公司的无螺栓e型弹条包含直径Φ12~ Φ20、扣压力2~14kN的全系列产品，但国内常用的几种弹条中(见表1)，无螺栓弹条最小扣压力为8.2kN，不适用于高架线无缝线路的情况，只能在地下线、地面线采用。

为实现地下线及高架线的弹条及扣件类型统一，最大限度地减少轨道设备类型，最近在部分工程中成功尝试了减少弹条弹程的方式。虽然实现了较低的扣压力，但相应出现了对扣件制造精度的依赖性增加、弹条的材料性能未得到充分利用等问题。因此，有必要针对国内地铁工程的特点，研究设计一种新型的地铁专用小阻力无螺栓弹条，既可用于高架线，也可用于地下线。

1、通用无螺栓弹条的研制思路

主要研制思路是以应用成熟的弹条为基础，先确定弹条类型及材料，然后提出扣压力、弹程及残余变形等参数，以原型弹条为基础，建立有限元模型，根据最大应力水平、疲劳强度及弹性能等做优化分析，确定弹条的直径及设计几何尺寸。

2.1确定弹条类型及材料

Pandrol无螺栓弹条先后有3代产品(见图2):第一代PR弹条，材料性能利用欠佳，现基本淘汰，已从 Pandrol官方网站产品清单中删除；第二代e型弹条，在国内外正大量采用；第三代 Fast弹条的性能更好，但专利保护期长，且配件结构复杂，国内还未有成熟的应用。

根据上述情况，结合国内地铁扣件发展的特点，这次研制的通用无螺栓弹条仍基于e型弹条的外形，材料也采用成熟的60Si2Mn热轧弹簧钢。

2.2提出主要技术参数

2.2.1扣压力 P

现有高架线用小阻力ω弹条的扣压力P=4kN，该值已经过大量工程多年的实际运营考验，既能满足轨道结构的稳定性和安全性，又使梁轨作用力不成为桥梁设计的控制因素。

考虑到无螺栓弹条在长期使用后存在一定衰减的特性，故小阻力无螺栓弹条扣压力宜适当提高，P=5kN左右较为合适，此时无缝线路纵向力基本不控制桥梁结构的设计。

传统观念认为，地下线扣件的弹条扣压力越大，越能保持线路的稳定性。但实际上，地下线在温度差、隧道结构变形等方面的条件均比高架线优越得多，故扣压力P=5kN 在地下线使用不存在安全问题，且相对原来较小的扣压力还可减少扣件轨下垫板的弹性损失，对减振降噪更为有利，并可延长轨下垫板的使用寿命。

2.2.2弹程

无螺栓弹条的弹程宜控制在10~14mm范围之内。弹程太小，则扣压力易受扣件零部件加工及组装误差的影响；弹程太大，则使弹条及扣件的材料用量增加，成本增加。

2.2.3残余变形及扣压力损失

弹簧钢为弹塑性材料，弹条在安装及使用工况中，若最大应力水平超过屈服强度，则产生残余变形，相应扣压力也有所损失。根据弹簧钢σ-ε曲线，可对残余变形进行理论分析。

2.3建立有限元分析模型

这次设计采用大型通用ANSYS有限元分析软件。ANSYS含有多种有限元分析的能力，可进行简单线性静态分析及复杂非线性动态分析。针对e型弹条复杂的空间弯曲结构的特点，采用ANSYS中的3D有限梁单元Beam188来建立实体模型，可以简捷地分析模型的单元应力、转动自由度等问题。以D 弹条为例，采用Beam188单元建立ANSYS有限元模型，见图3。弹条截面划分为16块，沿轴向以1mm为单元长度建立模型，整个弹条划分为364个单元。

2.4进行强度及弹性能指标校核

2.4.1最大复合应力σmax

根据弹条结构及材料的特性，采用第四强度理论(畸变能理论)应力σ_xd4来评价弹条的复合应力水平。

为提高新弹条设计的可靠性、避免在使用中发生失效风险，复合应力水平的评价将以弹条第四强度应力最大值σ_xd4，max不超过或适当低于现有成熟型弹条、D弹条及60Si2Mn弹簧钢屈服强度(1200MPa)三者中的最小值为原则。

2.4.2疲劳强度

弹条在工作状态下承受往复荷载作用，故疲劳强度也是设计考虑之一。参照参考文献[ 2]，

采用疲劳失效畸变能理论来评价弹条的疲劳强度，弹 条的应力状态应满足以下关系 式，即

σxd4，m _ax- 2σxd4，m < σN

σxd4，m _ax-σxd4，m< σN

式中: σb ———弹簧钢的极限强度；

     σN ———弹簧钢的疲劳强度；

σ_xd4，m ———第四强度理论应力的平均值。

在使用过程中，弹条往复荷载幅值变化较小，特征值ρ≈0.8，故只要最大复合应力水平满足要求，理论上的疲劳强度检算一般都能通过，因此疲劳强度实际上是对制造工艺及精度提出了严格的要求。

2.4.3单位质量的弹性能

由于弹条的设计参数较多，在满足设计要求的扣压力、弹程、最大复合应力、疲劳强度及残余变形的前提下，弹条组装后相同应力水平下单位质量所储存的能量W可作为评价弹条设计合理性、 经济性的指标，即

式中: P ———扣压力，kN；

     △———弹程，mm；

m ———弹条质量，kg；

———弹条组装后最大复合应力，MPa。

由于对W的评价需以满足一系列参数为前提，弹条设计条件不同、W也不同，故在设计中仅作为辅助性评价指标。

2.5确定弹条直径及外形尺寸

e型弹条的控制性外形尺寸主要包括图4所示的Φ、e₁~e₁₁、R₁~R₃等，不同的尺寸对弹条性能均有影响，且相互间的关系很复杂。为此，设计以Ⅲ型弹条及DⅠ弹条的外形尺寸进行计算，在此基础上再分析各尺寸优化的可能。

1、基于Ⅲ型弹条及DⅠ弹条的有限元分析

在有限元分析中，为确保计算结果的可靠性，首先对已经成熟应用的Ⅲ型弹条及DⅠ弹条进行验证性计算，然后改变两种弹条的直径Φ，得到不同直径Φ时的扣压力、最大应力等数值，见表 2。

表2不同直径时Ⅲ型弹条及DⅠ弹条有限元分析结果

(1)Φ20的Ⅲ型弹条在弹程13mm时，最大应力超过60Si2Mn弹簧钢屈服强度，由于弹簧钢的屈服硬化特性，弹条仍可正常使用，但若最大应力处存在制造缺陷，则使用过程中失效的可能性增大，且长期使用会产生一定的性能衰减；DⅠ弹条在弹程10.5mm时，最大应力基本与屈服强度持平。图5为两种弹条表面应力分布云图。

(1) 在相同弹程情况下，弹条直径越小，最大应力值越小，弹条的使用越安全，而弹性能则随直径的减小而降低。

(2) Φ≤16 mm时，弹条应力水平小于屈服强度，可认为弹条变形处于完全弹性状态，弹条的残余变形及扣压力损失可以忽略。

1、  通用无螺栓e型弹条的设计特点

从表2看，在Ⅲ型弹条及DⅠ弹条分别达到各自的额定弹程时，直径Φ16扣压力分别为4 .80 、5.07kN，与弹条设计要求相符，此时Ⅲ型弹条的弹性能指标稍好，但最大应力值较大、材料用量也较大，故本次弹条设计采用DⅠ弹条的控制性外形尺寸，考虑与地铁系统应用广泛的 DⅠ弹条的互换性。对新设计弹条的部分细节尺寸进行优化性调整，主要技术参数为:扣压力P=5.1kN，弹程△=10.5mm，直径Φ=16m，单个质量0.51kg。与原DⅠ弹条相比，Φ16弹条有以下特点。

(1)扣压力既满足轨道稳定性要求，又不使梁轨作用力成为桥梁设计的控制力，可同时用于地下线和高架线，从而实现全线弹条及扣件类型统一，最大限度地减少轨道设备种类，对降低轨道系统造价及运营维护成本有积极意义。

(2)最大应力水平稍低于弹簧钢的屈服强度，且比原DⅠ弹条降低11%，有利于克服弹条长期使用产生残余变形及扣压力损失，提高了稳定性及可靠性。

(3)材料用量比地铁专用的原DⅠ弹条、小阻力ω弹条分别节约20%、23%，经济性更好。

5、试制试验及应用前景

2008年初，新设计的通用无螺栓e型弹条(Φ16)已完成了试制(见图6)，并通过了500万次疲劳试验的检验。下一步将根据地铁扣件系统综合技术要求，采用本通用无螺栓 e型弹条进行扣件设计；在通过扣件组装试验的检验和相关审查后，可在工程中应用。  

采用本设计的Φ16通用无螺栓e型弹条扣件，可有更好的扣件性能及经济性，在国内地铁新一轮的建设高潮中发挥其优越性。此外，Φ16的60Si2Mn热轧弹簧钢在国内虽使用不多，但每年有一定批量的出口供货，批量供货有保障。

参考文献

[1] 杨杰章，糜若虚.材料与设计:工程材料中材料失效的分析、预测和预防 [M ] .北京:机械工业出版社，1990.

[2] 肖俊恒.弹条扣件的优化设计与研究 [D] .北京:铁道部 科学研究院，1994.

[3] 赵汝康.弹条Ⅱ型扣件设计研究报告 [R] .北京:铁道部 科学研究院，1995.

[4] 罗晓勇.型弹条扣压力的研究及应用 [J]. 铁道标准 设计，2002( 6).

[5] 吴建忠，李腾万，李湘久.城市轨道交通钢轨扣件的研究与设计 [J]. 都市快轨交通，2005，18(3).