CN107964835A - 一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，所述铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法的具体步骤如下：(1)得到所述铁路扣件系统垂向约束阻力F_x；(2)对扣件系统进行受力分析，得到静载荷下预埋件的垂向阻力F_s与垂向约束阻力F_x的关系F_s＝λF_x，λ为实际得到的参数值；(3)根据扣件系统预埋件的受力情况及工程实际需要，选择合适的安全系数n；(4)铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力确定为F_p＝nλF_x；根据本发明所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度的确定方法为铁路设计的确定提供了可靠的依据，为铁路运输的安全性提供了保障。

Description

一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法

技术领域

本发明涉及铁路轨道保护技术领域，尤其涉及一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法。

背景技术

现有在铁路运输中铁路扣件系统多样化，提高了铁路系统的稳定性，给铁路的发展提供了更大的可能性。轨道交通铁路轨道系统中扣件是连接及固定钢轨和道床或轨枕的关键部件，早在上个世纪六十年代，英国潘得路(Pandrol)开发的预埋式无螺栓扣件系统，包括单趾弹簧弹条扣件、“e”型弹条扣件及上世纪九十年代开发的快速弹条扣件系统，由于系统零部件少、安装维修简便、安全稳定可靠及成本低等优点一直在世界各国铁路轨道上被广泛应用。

另一种是福斯罗(Vossloh)等开发的有螺栓弹条扣件系统中，弹条通过锚固螺栓与预埋在轨枕的预埋螺栓套管连接固定。这种扣件系统的锚固螺栓由于和预埋在轨枕或道床中的尼龙套管连接，锚固螺栓系统多次的紧固、拆卸以及在运营载荷高动态力、高应力作用下，极易导致尼龙套管和轨枕的损坏，大大地增加了轨道维修工作量。

底板式扣件系统被大量使用，特别在无砟道床系统或木轨枕系统的应用，底板式扣件的应用例子DTVI2扣件、潘得路错列式SFC底板扣件和潘得路双弹性层SFC底板式扣件等。底板式扣件大大地提高了轨道扣件安全稳定性及扣件的安装精度，一般底板采用金属材料，其加工成型等精度高，能有效地保证各零部件的安装几何位置等，同时便于维修更换和轨距及轨高等的调节。底板式扣件也为多层弹性减振扣件提供了更多的选择。

扣件的基本功能是固定钢轨或约束钢轨在三个方向六个自由度，即垂向X，横向Y，纵向Z，水平面扭转纵向截面扭转横截面扭转的移动，同时提供钢轨到承轨面的弹性缓冲及电绝缘阻抗。在铁路运输中铁路扣件系统预埋件抗拔强度关系到扣件的稳定性，而扣件系统预埋件抗拔强度的大小对铁路系统提出了相应的要求。而铁路运输中扣件系统预埋件抗拔强度对整个铁路的运行周期及相应的运输效果有很大影响。铁路系统对扣件系统预埋件抗拔强度进行确定一直以来是个长期未解决的技术问题。

有鉴于此，提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的方法，以解决上述问题。

为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其特征在于：所述铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法的具体步骤如下：

(1)得到所述铁路扣件系统垂向约束阻力F_x；

(2)对扣件弹条系统进行受力分析，得到静载荷下预埋套管的垂向阻力F_s与垂向约束阻力F_x的关系F_s＝λF_x，λ为实际得到的参数值；

(3)根据扣件系统预埋件的受力情况及工程实际需要，选择合适的安全系数n；

(4)铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力确定为F_p＝nλF_x。

优选的，所述铁路扣件系统为潘得路预埋铁座式无螺栓扣件系统，所述步骤(3)中的安全系数n为4～6。

优选的，所述铁路扣件系统为福斯罗螺栓扣件系统，所述步骤(3)中的安全系数n为4～6。

优选的，所述铁路扣件系统为底板式扣件系统，所述步骤(3)中的安全系数n为2～3。

优选的，所述铁路扣件系统为潘得路预埋铁座式无螺栓扣件系统，所述步骤(2)中λ＝1。

优选的，所述铁路扣件系统为福斯罗螺栓扣件系统。所述步骤(2)中λ＝2。

优选的，所述铁路扣件系统为潘得路预埋铁座式无螺栓扣件系统，所述步骤(2)中λ＝1。

有益效果

本发明所述的一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法通过弹条扣压力的大小，经过对静载荷状态下扣压件受力分析得到抗拔强度阻力与弹条扣压力的关系，根据工程实际情况确定相应的安全系数，最终确定得到具有安全保障的抗拔强度。从而最大限度的保障安全性，并相应地延长所用构件的寿命。另外，通过本发明一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，一方面，对已确定的扣件系统可根据工程应用环境的选择；另一方面，根据不同的工程需要可进行新的扣件抗拔强度阻力确定，以确保安全性。根据本发明所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法为铁路设计提供了可靠的依据，为铁路的运输的安全性提供了保障。

附图说明

图1潘得路快速弹条(FASTCLIP)受力示意图一；

图2潘得路快速弹条(FASTCLIP)受力示意图二；

图3潘得路快速弹条(FASTCLIP)预埋铁座受力示意图一；

图4潘得路快速弹条(FASTCLIP)预埋铁座受力示意图二；

图5福斯罗(Vossloh)弹条扣件；

图6无挡肩预埋铁座螺栓扣件。

具体实施方式

实施例一

本实施例一主要说明的是潘得路(PANDROL)预埋铁座式无螺栓扣件抗拔强度阻力的确定方法。

(1)对弹条进行受力分析：

潘得路快速弹条扣件系统每套扣件由两个弹条分别扣压在钢轨轨脚两侧，每个弹条扣压力记为F_c，则扣件系统垂向约束阻力F_x是单个弹条扣压力F_c的2倍，即：

F_x＝2F_c (1)

弹条的受力如图1及图2所示，弹条扣压点受向上的顶力与扣压力为F_c大小相等方向相反，弹条后跟受弹条座支承力N_c/2，弹条外枝的约束力F/2，在受力平衡状态下F_c、N_c及F的关系是：

F_c+2N_c/2＝2F/2 (2)

F_c·l₁＝N_c·l₂ (3)

F_c–单个弹条扣压力

N_c–弹条座弹条后跟总支承力

F–弹条外枝总的约束力

l₁–弹条扣压点到弹条外枝约束点横向距离

l₂–弹条后跟支承点到弹条外枝约束点横向距离

可得到弹条外枝总的约束力F为

F＝F_c+N_c＝F_c(1+l₁/l₂) (4)

(2)对弹条座进行受力分析：

弹条座的受力如图3和图4所示，弹条座受弹条后跟压力N_c/2，弹条外枝的约束力F/2，假设每个预埋弹条铁座总的垂向阻力为F_s/2，在受力平衡状态下F_s/2、N_c及F的关系是：

F_s/2+2N_c/2＝2F/2 (5)

则得每个弹条座总的垂向阻力F_s/2为：

F_s/2＝F–N_c＝F_c (6)

即计算得出每个预埋弹条铁座总的垂向阻力F_s/2的大小等于单个弹条的扣压力F_c。同样对于潘得路快速弹条(FASTCLIP)预埋套管式铁座扣件系统(FCA)所示的系统其每个预埋件的总垂向阻力F_s/2的大小也等于单个弹条的扣压力F_c。则得每套扣件系统弹条座总的垂向阻力F_s为：

F_s＝2F_c＝F_x (7)

即潘得路扣件系统预埋件的抗拔强度阻力确定需大于扣件的扣压力。例如：对于每组扣件F_x＝20kN钢轨垂向约束阻力的轨道系统，一般每组扣件上抗拔强度阻力F_p要求大于80kN。通常潘得路扣件的确定考虑到预埋件同时受横向力及扭矩载荷的影响，增加额外安全系数，即扣件的抗拔强度阻力确定值至少是钢轨垂向约束阻力的4～6倍以上，通常对于扣件组件扣压力2F_c＝20kN的预埋件总的抗拔强度阻力F_p要求大于120kN(或每个预埋件上抗拔强度阻力F_p/2大于60kN)。即潘得路预埋座的抗拔强度阻力安全系数大于6。

对于预埋铁座式无螺栓扣件抗拔强度阻力的确定方法，其具体步骤如下：

1)得到扣件系统垂向约束阻力F_x是2倍的单个弹条扣压力F_c，即F_x＝2F_c；

2)对弹条系统进行受力分析，得到静载荷下预埋弹条铁座总的垂向阻力F_s与扣件系统垂向约束阻力F_x的关系F_s＝F_x；

3)根据预埋件的受力情况及工程实际需要，选取合适的安全系数n，通常n为4～6；

4)预埋弹条铁座抗拔强度阻力确定为F_p＝n F_x。

实施例二

本实施例二是对福斯罗(Vossloh)螺栓扣件抗拔强度阻力的确定方法。

与实施例一对所述扣件进行受力分析的方法相同，钢轨轨脚两侧每个弹条扣压力为F_c，弹条的受力如图5所示，弹条扣压点受向上的顶力与扣压力为F_c大小相等方向相反，弹条后跟受弹条座支承力N_c/2，弹条外枝的约束力F/2，每个预埋套管上拔力F_s/2，在受力平衡状态下F_c、N_c及F的关系是：

F_c+N_c＝F_b (8)

F_c·s₁＝N_c·s₂ (9)

N_c–弹条座弹条后跟总支承力；

F_b–弹条螺栓压紧力；

s₁–弹条扣压点到弹条螺栓压紧力点横向距离；

s₂–弹条后跟支承点到弹条螺栓压紧力点横向距离；

可得到弹条螺栓压紧力F_b为

F_b＝F_c+N_c＝(1+s₁/s₂)F_c (10)

由于弹条螺栓直接安装在预埋套管中，而弹条后跟支承力承载件又直接由水泥轨枕承轨台上，弹条螺栓压紧力F_b直接通过螺栓作用到预埋套管上，每个预埋套管的垂向阻力F_s/2大小则等于弹条螺栓压紧力F_b。通常s₁大约等于s₂，根据公式(10)预埋套管的抗拔强度阻力F_p/2确定值需大于弹条的扣压力的2倍。对于每套扣件系统扣压力为20kN的扣件系统，预埋套管上拔力F_s大约为40kN，安全系数n为4～6，其安全系数取6，则预埋套管的抗拔强度阻力F_p确定值为240kN，是潘得路扣件系统的两倍。

对于福斯罗(Vossloh)螺栓扣件抗拔强度阻力的确定方法，其具体步骤如下：

1)得到扣件系统垂向约束阻力F_x是2倍的单个弹条扣压力F_c，即F_x＝2F_c；

2)对弹条系统进行受力分析，得到静载荷下预埋套管的垂向阻力F_s与垂向约束阻力F_x的关系F_s＝(1+s₁/s₂)F_x≈2F_x；

3)根据预埋件的受力情况及工程实际需要，选择合适的安全系数n；

4)福斯罗(Vossloh)螺栓扣件抗拔强度阻力确定为

F_p＝n(1+s₁/s₂)F_x≈2n F_x＝4nF_c

与实施例一进行对比，在选择相同的安全系数n时，福斯罗(Vossloh)螺栓扣件抗拔强度阻力确定值是潘得路(PANDROL)预埋铁座式无螺栓扣件抗拔强度阻力确定值的2倍。

对预埋铁座螺栓扣件抗拔强度阻力进行分析及优化。如图6所示，一种无挡肩预埋铁座螺栓扣件系统使用一个预埋铁座代替尼龙套管，使用时，先将T型螺栓滑入预埋铁座上部的T型槽内，螺栓圆柱部分穿过轨距挡板件、弹条件，用螺母件固紧。然则，预埋铁座两侧的定位耳为对称设计，实际使用中轨距挡板内侧能够压到定位耳，而外侧压不倒定位耳，受力不均匀，致使该预埋件对水泥轨枕的上拔力比弹条的扣压力大得多，大约为扣压力的2倍，因此在正常运载下，预埋座与水泥轨枕结合处产生裂纹的现象非常严重，甚至预埋座从轨枕内被整体拉出，轨枕破坏问题依然没有得到根本性改变。

实施例三

1)本实施例三对底板式扣件预埋件抗拔强度阻力的确定方法。

由于底板把钢轨两侧的扣压系统刚性连接，有效地平衡了扣压力及各种约束阻力，例如弹条扣压力及通过轨下垫到承轨面的反作用力；弹条底座支承力与弹条限位约束力等。底板式扣件的抗拔强度阻力通常由两部分串联，弹条系统和锚固螺栓系统，锚固螺栓系统的设计需要保证扣件系统三个方向六个自由度的约束及强度要求。为了保证垂向阻力通常不小于弹条的扣压力，锚固螺栓预紧力的设计大于扣压力，一般选择2～3倍。预紧力的大小也直接影响到爬行约束阻力及横向约束阻力，合理的扣件底板设计应提高扣件底板摩擦阻力来降低锚固螺栓的剪切载荷，对于分离式扣件的设计锚固螺栓预埋件仅受预紧静态载荷，对抗拔强度阻力的要求比直接式如图3的扣件系统要小得多，通常安全系数选择2～3已足够，也就是说，如果每个预埋套管的抗拔阻力设计为60kN的话，锚固螺栓的预紧力可设计到30kN，这个预紧力是弹条扣压力的3倍。对于有两套锚固螺栓的底板式扣件系统，总的横向及纵向摩擦阻力大约可达总的预紧力的1/3以上。

2)对底板式扣件锚固螺栓预紧力确定方法

锚固螺栓的扭矩T与锚固螺栓的预紧力F₀(轴向拉力)之间存在一定关系：锚固螺栓扭矩T等于螺旋副(锚固螺栓螺纹与预埋尼龙套管螺纹)间的摩擦阻力矩T₁和螺栓头环形端面与被连接件支撑面之间的摩擦阻力矩T₂之和。即：

T＝T₁+T₂ (11)

根据理论力学，螺旋副之间摩擦力矩为：

螺母与支撑面间的摩擦力矩为：

其中：

F₀为预紧力；

T锚固螺栓扭矩；

T₁锚固螺栓螺纹与预埋尼龙套管螺纹间摩擦阻力矩；

T₂螺栓头环形端面与被连接件支撑面之间摩擦阻力矩；

d₂为螺纹中径，对于T30锚固螺栓，d₂＝0.9d＝27(d为螺栓大径，30mm)；

α为螺纹升角，α＝arctan(H/πd₂)对于T30锚固螺栓，α＝4.05°；H为螺距，对于T30锚固螺栓，H＝6；

β为螺旋副的当量摩擦角，β＝arctan(f₂/cos(γ))；f₂为锚固螺栓螺纹与尼龙套管之间的摩擦系数，(无润滑0.3～0.5，有润滑0.05～0.1)取0.075计算，为梯形螺纹牙型角30°，则：β＝4.44°；

μ为螺栓头与支撑面之间的摩擦系数0.15；

D₀为螺栓头环形支撑面的外径＝1.5d；

d₀为螺栓孔直径＝1.1d；

由以上计算得到锚固螺栓扭矩T与锚固螺栓预紧力(轴向拉力)之间的关系为：

即：当扭矩为100Nm时，锚固螺栓预紧力(轴向拉力)为：F₀＝20KN。

对于底板式扣件预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其具体步骤如下：

1)计算底板式扣件锚固螺栓预紧力F₀；

2)对弹条系统进行受力分析，得到静载荷下底板式扣件上的垂向阻力F_s＝F₀；

3)根据预埋件的受力情况及工程实际需要，选取合适的安全系数n，通常n为2～3；

4)预埋弹条铁座抗拔强度阻力确定为F_p＝n F₀。

本发明所述的一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法通过弹条扣压力的大小，经过对静载荷状态下扣压件受力分析得到抗拔强度阻力与弹条扣压力的关系，根据工程实际情况确定相应的安全系数，最终确定得到具有安全保障的抗拔强度。从而最在限度的保障安全性，并相应地延长所用构件的寿命。另外，通过本发明一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，一方面，对已确定的扣件系统可根据工程应用环境的选择；另一方面，根据不同的工程需要可进行新的扣件抗拔强度阻力确定，以确保安全性。根据本发明所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法为铁路设计提供了可靠的依据，为铁路的运输的安全性提供了保障。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其特征在于：所述铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法的具体步骤如下：

(1)得到所述铁路扣件系统垂向约束阻力F_x；

(2)对扣件系统进行受力分析，得到静载荷下预埋件的垂向阻力F_s与垂向约束阻力F_x的关系F_s＝λF_x，λ为实际得到的参数值；

(3)根据扣件系统预埋件的受力情况及工程实际需要，选择合适的安全系数n；

(4)铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力确定为F_p＝nλF_x。

2.根据权利要求1所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其特征在于：所述铁路扣件系统为潘得路预埋铁座式无螺栓扣件系统，步骤(3)中的安全系数n为4～6。

3.根据权利要求1所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其特征在于：所述铁路扣件系统为福斯罗螺栓扣件系统，步骤(3)中的安全系数n为4～6。

4.根据权利要求1所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其特征在于：所述铁路扣件系统为底板式扣件系统，步骤(3)中的安全系数n为2～3。

5.根据权利要求2所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其特征在于：步骤(2)中λ＝1。

6.根据权利要求3所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其特征在于：步骤(2)中λ＝2。

7.根据权利要求4所述的铁路扣件系统预埋件抗拔强度阻力的确定方法，其特征在于：步骤(2)中λ＝1。