CN108570891A - 一种高速铁路钢轨专用扣件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁路钢轨技术领域。目的在于提供一种能够改善轨道应力性能的高速铁路钢轨专用扣件。所采用的技术方案是：一种高速铁路钢轨专用扣件，包括位于轨道内侧的内支撑组件和位于轨道外侧的外支撑组件。内支撑组件和外支撑组件均通过第二螺栓和第三螺栓与轨枕固定，第二螺栓位于靠近轨道的一侧，第三螺栓位于远离轨道的一侧。外支撑组件的第三螺栓由上至下依次穿过垫高板、第二钢垫板、第一钢垫板和柔性层旋入轨枕中，且该第三螺栓处设置有Z形弹条，Z形弹条的一端抵靠在轨道外侧的中部，另一端卡设在第三螺栓的头部与垫高板之间。本发明从而使得轨道整体的应力性能得到极大的改善和提升。

Description

一种高速铁路钢轨专用扣件

技术领域

本发明涉及铁路钢轨技术领域,具体涉及一种高速铁路钢轨专用扣件。

背景技术

钢轨扣件，就是轨道上用以联结钢轨和轨枕的零件，作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵横向移动。钢轨扣件通常包括道钉、轨下垫板以及弹性或刚性的扣压件等。扣件应能长期、有效地保持钢轨与轨枕的可靠联结，并能在动力作用下充分发挥其缓冲减震性能，延缓轨道残余变形积累。因此要求其应具有足够的强度、耐久性和一定的弹性。此外，针对高速铁路专用的扣件，由于行车速度较快，钢轨的应力变大，对扣件的减震、缓冲等效果要求更高。

现有的扣件，是安装在轨枕上，通过对轨道下部的横向挤压实现轨道横向的限位，通过e形或马蹄形的弹条压在轨道下部的上表面，实现对轨道纵向的限位。在轨道应力发生跳动时，弹条可缓冲轨道应力，起到降低噪声和震动的作用。车辆在高速运行的过程中，其车轮主要是对轨道施加朝向轨道外侧的横向的张力，而现有的扣件均缺乏对轨道上部的有效支撑和针对轨道上部的减震结构，导致轨道上部的应力只能沿着轨道自身传递至轨道下部，导致轨道下部的局部应力明显增大。由于无法得到有效的释放，这就对轨道自身材料性能提出了极高的要求，或是在使用过程中需要频繁的维护、检修。尤其是高速铁路，该现象更为明显。因此，目前急需提供一种能够改善轨道应力性能的高速铁路钢轨专用扣件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够改善轨道应力性能的高速铁路钢轨专用扣件。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种高速铁路钢轨专用扣件，包括位于轨道内侧的内支撑组件和位于轨道外侧的外支撑组件；所述内支撑组件和外支撑组件远离轨道的一侧均设置挡块，第一螺栓由上至下穿过挡块旋入轨枕中；

所述内支撑组件和外支撑组件均包括由下至上依次设置的柔性层、第一钢垫板和第二钢垫板；所述第一钢垫板和第二钢垫板的一侧抵靠在轨道上，另一侧抵靠在挡块上；所述外支撑组件还包括垫高板，所述垫高板平铺在第二钢垫板上表面远离轨道的一侧；

所述内支撑组件和外支撑组件均通过第二螺栓和第三螺栓与轨枕固定，所述第二螺栓位于靠近轨道的一侧，第三螺栓位于远离轨道的一侧；所述第二螺栓及内支撑组件的第三螺栓由上至下依次穿过第二钢垫板、第一钢垫板和柔性层旋入轨枕中，且所述第二螺栓处设置马蹄形弹条，所述马蹄形弹条一侧按压在轨道上，另一侧卡设在第二螺栓的头部与第二钢垫板之间；所述外支撑组件的第三螺栓由上至下依次穿过垫高板、第二钢垫板、第一钢垫板和柔性层旋入轨枕中，且该第三螺栓处设置有Z形弹条，所述Z形弹条的一端抵靠在轨道外侧的中部，另一端卡设在第三螺栓的头部与垫高板之间。

优选的，所述内支撑组件和外支撑组件的柔性层由同一张橡胶垫构成，所述橡胶垫的中部位于轨道的底面与轨枕之间。

优选的，所述橡胶垫为内部复合有钢丝网的橡胶垫。

优选的，所述第一螺栓、第二螺栓和第三螺栓的颈部均套设有弹簧垫圈和平垫圈。

优选的，所述马蹄形弹条和Z形弹条由弹簧钢制成，所述弹簧钢的成分质量百分比为：C 0.15～0.20％、Si 3.2～3.6％、Mn 0.80～0.95％、Cr 0.12～0.16％、Ni0.01～0.06％、Sn 0.10～0.22％、Co0.04～0.08％、Cu 0.15-0.18％、P≤0.008％、S≤0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。

优选的，所述弹簧钢由如下方法加工制成：

a、初炼、精炼和连铸浇注；

所述初炼在电弧炉中进行，出钢条件为T≥1650℃、[P]≤0.008％和[C]≥0.03％；

所述精炼为钢包精炼，其中加入SiFe粉和SiC粉脱氧，所有成分满足要求后开始吊包；

所述连铸浇注是浇注出160×160mm²～320×425mm²断面尺寸的连铸坯，浇注速度为1.2～2.80m/min，连铸坯在冷床上快冷至980℃，然后缓冷，缓冷时间30～32小时；

b、加热、控制轧制和控制冷却；

所述加热的均热温度1100～1250℃，保温时间2.5～3.5小时，钢坯出炉温度1000～1050℃，阴阳面温差≤45℃，

所述控制轧制中轧机进口温度为950～1000℃，轧制成盘条；

所述控制冷却的冷却速度为60～80℃/h；

c、盘条料下料、冷成型和热处理；

将钢材定尺落料后，冷成型，然后进行热处理。

优选的，在步骤b的控制轧制前高压除鳞步骤。

优选的，热处理步骤包括：在920～1000℃水淬和600～720℃回火；淬火以200～300℃/min的速度冷却至20～30℃；回火以50～80℃/min的速度冷却至20～30℃。

本发明的有益效果集中体现在：

1.Z形弹条结构简单、安装方便，通过Z形弹条对轨道外侧的中部进行支撑，不仅可极大的降低轨道倾覆的风险，同时拓宽了应力传递路线，应力通过与轨道中部构成支撑的Z形弹条及轨道的下部进行传递，避免了局部应力过大，提高了铁轨的使用寿命。另外Z形弹条具备的弹性能够有效的缓冲轨道上部的横向震动，达到应力释放的目的。从而使得轨道整体的应力性能得到极大的改善和提升。

2.垫高板的设置起到抬高Z形弹条的作用，避免了Z形弹条与其他部件之间相互干扰。通过更换不同尺寸的垫高板还可适应不同规格尺寸的轨道，灵活方便，通用性强。

3.轨道的下部通过第一钢垫板和第二钢垫板与挡块相互配合，实现轨道横向的限位，第一钢垫板和第二钢垫板之间存在的微小的缝隙，为部件热胀冷缩变形留下了足够的空间裕度，变形风险低，安全稳定。

4.柔性层起到缓冲作用，能够降低铁轨振动及降低噪声污染，尤其是柔性层由内部复合有钢丝网的橡胶垫构成时，极大的提升了橡胶垫的变形复原性能和耐磨损性能，具有极长的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A部放大图；

图3为图1中B部放大图；

图4为Z形弹性条的结构示意图。

具体实施方式

结合图1-4所示的一种高速铁路钢轨专用扣件，包括位于轨道1内侧的内支撑组件2和位于轨道1外侧的外支撑组件3。车轮20卡设在两根轨道1之间，轨道1的内侧通过内支撑组件2进行限位，轨道1外侧通过外支撑组件3进行限位。所述内支撑组件2和外支撑组件3远离轨道1的一侧均设置挡块4，第一螺栓5由上至下穿过挡块4旋入轨枕6中。通常轨枕6为混凝土轨枕，在轨枕6内部与螺栓对应位置设置有尼龙螺纹套管，螺栓与尼龙螺纹套管螺纹配合。

所述内支撑组件2和外支撑组件3均包括由下至上依次设置的柔性层7、第一钢垫板8和第二钢垫板9，柔性层7通常由橡胶板或其他具有一定柔性的板体构成，所述柔性层7、第一钢垫板8和第二钢垫板9依次重叠。所述第一钢垫板8和第二钢垫板9的一侧抵靠在轨道1上，另一侧抵靠在挡块4上，从而实现对轨道1横向的限位。如图2所示，所述外支撑组件3还包括垫高板10，所述垫高板10平铺在第二钢垫板9上表面远离轨道1的一侧，图2中轨道1位于左侧，则垫高板10位于第二钢垫板9上表面的右侧。所述第一钢垫板8和第二钢垫板9的厚度通常在1-2CM之间，也可以根据轨道1底部的具体厚度进行设置，也就是第一钢垫板8和第二钢垫板9加起来的厚度与轨道1底部的厚度相当，实现对轨道1有效的支撑。

如图1所示，所述内支撑组件2和外支撑组件3均通过第二螺栓11和第三螺栓12与轨枕6固定，所述第二螺栓11位于靠近轨道1的一侧，第三螺栓12位于远离轨道1的一侧。所述第二螺栓11及内支撑组件2的第三螺栓12由上至下依次穿过第二钢垫板9、第一钢垫板8和柔性层7旋入轨枕6中，且所述第二螺栓11处设置马蹄形弹条13，所述马蹄形弹条13也就是ω形弹条，所述马蹄形弹条13一侧按压在轨道1上，另一侧卡设在第二螺栓11的头部与第二钢垫板9之间。马蹄形弹条13的具体结构及其安装为本领域的常规技术，此处不再赘述。所述外支撑组件3的第三螺栓12由上至下依次穿过垫高板10、第二钢垫板9、第一钢垫板8和柔性层7旋入轨枕6中，且该第三螺栓12处设置有Z形弹条14，所述Z形弹条14的一端抵靠在轨道1外侧的中部，另一端卡设在第三螺栓12的头部与垫高板10之间。结合图2和4所示，所述的Z形弹条14就是由两根平行的Z字形的由弹性钢制成的条体构成，两根Z字形条体的一端通过连接条相接并按压在轨道1外侧的中部，另一端通过另一根中部弯折呈U形的连接条相接，并将U形的部位卡设在第三螺栓12的头部与垫高板10之间。

本发明Z形弹条14结构简单、安装方便，通过Z形弹条14对轨道1外侧的中部进行支撑，不仅可极大的降低轨道1倾覆的风险，同时拓宽了应力传递路线，应力通过与轨道1中部构成支撑的Z形弹条14及轨道1的下部进行传递，避免了局部应力过大，提高了铁轨的使用寿命。另外Z形弹条14具备的弹性能够有效的缓冲轨道1上部的横向震动，达到应力释放的目的。从而使得轨道1整体的应力性能得到极大的改善和提升。垫高板10的设置起到抬高Z形弹条14的作用，避免了Z形弹条14与其他部件之间相互干扰。通过更换不同尺寸的垫高板10还可适应不同规格尺寸的轨道1，灵活方便，通用性强。轨道1的下部通过第一钢垫板8和第二钢垫板9与挡块4相互配合，实现轨道1横向的限位，第一钢垫板8和第二钢垫板9之间存在的微小的缝隙，为部件热胀冷缩变形留下了足够的空间裕度，变形风险低，安全稳定。柔性层7起到缓冲作用，能够降低铁轨振动及降低噪声污染。更好的做法还可以是，所述内支撑组件2和外支撑组件3的柔性层7由同一张橡胶垫构成，所述橡胶垫的中部位于轨道1的底面与轨枕6之间。也就是说轨道1底面也设置有柔性层7，柔性层7可缓冲轨道1与轨枕6之间的摩擦和挤压，提高了轨道1和轨枕6的使用寿命。尤其是柔性层7由内部复合有钢丝网的橡胶垫构成时，又进一步极大的提升了橡胶垫的变形复原性能和耐磨损性能，具有极长的使用寿命。另外，为了提高螺栓连接的紧固程度，更好的做法还可以是所述第一螺栓5、第二螺栓11和第三螺栓12的颈部均套设有弹簧垫圈和平垫圈。

由于马蹄形弹条13和Z形弹条14不仅需要具备足够的刚度来对轨道1进行限位，同时还需要具备一定的弹力来对轨道1的应力进行缓冲，因此，本发明所述马蹄形弹条13和Z形弹条14由弹簧钢制成，最好是所述弹簧钢的成分质量百分比为：C 0.15～0.20％、Si 3.2～3.6％、Mn 0.80～0.95％、Cr 0.12～0.16％、Ni0.01～0.06％、Sn 0.10～0.22％、Co0.04～0.08％、Cu 0.15-0.18％、P≤0.008％、S≤0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。

下面通过实施例进行说明，应当注意的是，这些实施例仅仅是示范性的，不对本发明构成任何限制。

第一步，弹簧钢的制备

实施例和对比例化学成分见表1，其制备过程如下：

步骤a、电弧炉冶炼—钢包精炼—连铸浇注

在30吨的电弧炉中进行钢液初炼；30吨的钢包精炼；连铸浇注；生产出90×90mm²～360×360mm²断面尺寸的合格连铸坯：

(1)初炼：炉料选用低P、S废钢及优质生铁；合金需准备低碳铬、低碳钴、纯度大于99.99％的锡、低碳锰等；还原剂：电石、碳粉、结晶硅等；氧化期：勤流渣去P，脱碳量≥0.30％；出钢条件：

T≥1650℃，[P]≤0.008％，[C]≥0.03％。出钢后期加入适量的石灰或合成渣。

(2)精炼：电炉出钢1/3时，钢包加入渣料，渣料配比按渣碱度2.5～3控制。根据实际脱硫情况，可均情调整渣碱度。加热工位采用Si-Fe粉及SiC粉脱氧，分批加入，根据渣况及钢中硅含量情况调整加入量及加入批次，一般每间隔15分钟加入一批，用量0.5～1.2kg/t，使精炼过程要始终保持脱氧良好。在钢包进入真空脱气前定氧，根据氧活度情况加入硅铁，加入量按成品硅含量要求中限配加，并结合定氧值，判断脱氧效果，决定是否再进行硅量调整。保证[O]≤0.0025％、[H]≤0.00015％；所有成分进入优化要求的范围内开始吊包。

(3)连铸浇注：钢包内高温钢液通过保护套管，浇进中间包，中间包过热度≤35℃。中间包使用前完全清理、内表面为耐火涂层且不得有裂缝；中间包内的钢液经连铸结晶器，以合理的速度，浇注出160×160mm²～320×425mm²断面尺寸的合格连铸坯，依据不同的锭型尺寸浇注速度为1.2～2.80m/min。合格连铸坯在冷床上快冷至980℃，进缓冷坑缓冷，缓冷时间为30～32小时。

步骤b、加热、控制轧制盘条和控制冷却

采用轧钢机热加工轧制方法，先将合格的连铸坯表面进行清理，再将其热加工轧制至成品盘条，工艺要点：

(1)加热炉加热工艺：所述加热的均热温度1100～1250℃，保温时间2.5～3.5小时，钢坯出炉温度1000～1050℃，阴阳面温差≤45℃；

(2)控制轧制工艺：加热均匀的钢坯出炉后，正常开启高压除鳞机，轧机进口温度：950～1000℃；

(3)控冷工艺：轧成盘条后在线缓冷，保温罩全部关闭，冷却速度60～80℃/h。

实施例和对比例的力学性能见表2，其中力学性能根据GB/T228(金属材料室温拉伸试验方法)检测。

钢轨扣件弹条的成型及热处理

将钢材定尺落料后，冷成型，在920～1000℃水淬和600～720℃回火；淬火以200～300℃/min的速度冷却至20～30℃；回火以50～80℃/min的速度冷却至20～30℃。实施例和对比例的热处理工艺和力学性能详见表3，其中力学性能根据GB/T228(金属材料室温拉伸试验方法)检测。

疲劳寿命的检测

根据《高速铁路扣件零部件制造验收暂行技术条件》的要求，在疲劳实验机上，采用振幅2.5mm，进行疲劳实验，实施例和对比例的检测结果见表4。

表1实施例和对比例的化学成分

表2实施例和对比例弹簧钢的力学性能

表3实施例和对比例的热处理后机械性能

表4实施例和对比例的疲劳寿命

将六个产品放入恒温恒湿箱中，设定湿度为80％、温度为60℃，并将弹簧钢的拉直截断成100mm长的钢棒水平放置在玻璃器皿中，玻璃器皿中滴加质量浓度5％的醋酸加速氧化和腐蚀，醋酸深度均浸没钢棒粗细的一半。然后从30天开始每10天观察和记录锈蚀情况，结果如下：

表5实施例与对比例的加速锈蚀实验结果

编号

30天

40天

50天

60天

70天

80天

90天

100天

实施例1

无

无

无

无

无

锈蚀

锈蚀

锈蚀

实施例2

无

无

无

无

无

无

锈蚀

锈蚀

实施例3

无

无

无

无

无

无

无

锈蚀

实施例4

无

无

无

无

无

无

无

锈蚀

对比例1

无

无

无

锈蚀

锈蚀

锈蚀

锈蚀

锈蚀

对比例2

锈蚀

锈蚀

锈蚀

锈蚀

锈蚀

锈蚀

锈蚀

锈蚀

通过表1、2及5可知，实施例的断面收缩率Z在53-58％之间，说明本发明弹簧钢的韧塑性和冷成型能力更好；并且增加了钴和锡并调整碳和硅的比例之后，不仅显著提高了防锈蚀能力，并能够保证在弹簧钢低碳条件下的力学性能。通过表3可知本发明的热处理方法淬火采用的是水冷，操作简单成本低，说明本发明的热处理方法更环保，处理后弹条力学性能优越。本发明弹簧钢的疲劳寿命显著高于对比例的疲劳寿命。本发明生产的弹簧钢，通过冷成型制成扣件，热处理后各项性能均符合使用要求，相对传统的铁路扣件成本降低。

Claims (8)

1.一种高速铁路钢轨专用扣件，其特征在于：包括位于轨道(1)内侧的内支撑组件(2)和位于轨道(1)外侧的外支撑组件(3)；所述内支撑组件(2)和外支撑组件(3)远离轨道(1)的一侧均设置挡块(4)，第一螺栓(5)由上至下穿过挡块(4)旋入轨枕(6)中；

所述内支撑组件(2)和外支撑组件(3)均包括由下至上依次设置的柔性层(7)、第一钢垫板(8)和第二钢垫板(9)；所述第一钢垫板(8)和第二钢垫板(9)的一侧抵靠在轨道(1)上，另一侧抵靠在挡块(4)上；所述外支撑组件(3)还包括垫高板(10)，所述垫高板(10)平铺在第二钢垫板(9)上表面远离轨道(1)的一侧；

所述内支撑组件(2)和外支撑组件(3)均通过第二螺栓(11)和第三螺栓(12)与轨枕(6)固定，所述第二螺栓(11)位于靠近轨道(1)的一侧，第三螺栓(12)位于远离轨道(1)的一侧；所述第二螺栓(11)及内支撑组件(2)的第三螺栓(12)由上至下依次穿过第二钢垫板(9)、第一钢垫板(8)和柔性层(7)旋入轨枕(6)中，且所述第二螺栓(11)处设置马蹄形弹条(13)，所述马蹄形弹条(13)一侧按压在轨道(1)上，另一侧卡设在第二螺栓(11)的头部与第二钢垫板(9)之间；所述外支撑组件(3)的第三螺栓(12)由上至下依次穿过垫高板(10)、第二钢垫板(9)、第一钢垫板(8)和柔性层(7)旋入轨枕(6)中，且该第三螺栓(12)处设置有Z形弹条(14)，所述Z形弹条(14)的一端抵靠在轨道(1)外侧的中部，另一端卡设在第三螺栓(12)的头部与垫高板(10)之间。

2.根据权利要求1所述的高速铁路钢轨专用扣件，其特征在于：所述内支撑组件(2)和外支撑组件(3)的柔性层(7)由同一张橡胶垫构成，所述橡胶垫的中部位于轨道(1)的底面与轨枕(6)之间。

3.根据权利要求1所述的高速铁路钢轨专用扣件，其特征在于：所述橡胶垫为内部复合有钢丝网(15)的橡胶垫。

4.根据权利要求3所述的高速铁路钢轨专用扣件，其特征在于：所述第一螺栓(5)、第二螺栓(11)和第三螺栓(12)的颈部均套设有弹簧垫圈和平垫圈。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的高速铁路钢轨专用扣件，其特征在于：所述马蹄形弹条(13)和Z形弹条(14)由弹簧钢制成，所述弹簧钢的成分质量百分比为：C 0.15～0.20％、Si 3.2～3.6％、Mn 0.80～0.95％、Cr 0.12～0.16％、Ni0.01～0.06％、Sn 0.10～0.22％、Co 0.04～0.08％、Cu 0.15-0.18％、P≤0.008％、S≤0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质。

6.根据权利要求5所述的高速铁路钢轨专用扣件，其特征在于：所述弹簧钢由如下方法加工制成：

a、初炼、精炼和连铸浇注；

所述初炼在电弧炉中进行，出钢条件为T≥1650℃、[P]≤0.008％和[C]≥0.03％；

所述精炼为钢包精炼，其中加入SiFe粉和SiC粉脱氧，所有成分满足要求后开始吊包；

所述连铸浇注是浇注出160×160mm²～320×425mm²断面尺寸的连铸坯，浇注速度为1.2～2.80m/min，连铸坯在冷床上快冷至980℃，然后缓冷，缓冷时间30～32小时；

b、加热、控制轧制和控制冷却；

所述加热的均热温度1100～1250℃，保温时间2.5～3.5小时，钢坯出炉温度1000～1050℃，阴阳面温差≤45℃，

所述控制轧制中轧机进口温度为950～1000℃，轧制成盘条；

所述控制冷却的冷却速度为60～80℃/h；

c、盘条料下料、冷成型和热处理；

将钢材定尺落料后，冷成型，然后进行热处理。

7.根据权利要求6所述的高速铁路钢轨专用扣件，其特征在于：在步骤b的控制轧制前高压除鳞步骤。

8.根据权利要求7所述的高速铁路钢轨专用扣件，其特征在于：热处理步骤包括：在920～1000℃水淬和600～720℃回火；淬火以200～300℃/min的速度冷却至20～30℃；回火以50～80℃/min的速度冷却至20～30℃。