60Kg/m-1/9道岔双接头腰鼓螺栓折断原因分析

　　摘要：针对道岔双接头存在腰鼓螺栓发生折断的情况，进行受力分析，现场查找原因，以期找到解决措施。
　　关键词：道岔，双接头，腰鼓螺栓，折断
　　1概况
　　南京地铁1号线道岔采用由北京城建设计研究院设计的P60-9号单开道岔（图号为DCZ211），正线铺设共计21组道岔、3组交叉渡线，道岔主要部件图纸编号见表1。运营期间在道岔双接头部位腰鼓螺栓常出现折断情况，且不易检查到，严重影响运营安全。表1南京地铁1号线道岔主要部件选用图纸编号表
　　序号 图号 名称 序号 图号 名称
　　1 DCZ211-1002 直基本轨 3 专线4195-6 尖轨
　　2 DCZ211-1003 曲基本轨 4 DCZ211-1004 辙跟轨撑
　　2原因分析
　　2.1螺栓材质
　　从螺栓断面上初步分析，材质均匀细密，无核伤等能使螺栓发上突变的内在因素，断口周围有塑性变形，符合钢轨材质的物理性指标，初步认定钢轨材质非主因。
　　2.2断面伤痕
　　折断先是由螺栓腰鼓部位频繁受外剪力冲击，致使螺栓边缘剪力切槽，然后突变。现在假定螺栓从上部开始切槽。
　　2.3分析受力
　　根据受力的迹象分析，只有两种可能较易发生：
　　1） 若直向过岔，会发生在直尖轨与曲基本轨的双接头上。
　　2） 若侧向过岔，会发生在直基本轨与曲尖轨的双接头上。
　　2.3.1竖向受力
　　2.3.1.1理论分析
　　取螺杆局部受力分析。
　　
　　图1腰鼓螺栓受力分析图
　　视图1虚线框以外部分为固定刚性物体，不发生位移变形。以腰鼓螺栓断面中心设为O点（如图2），对此断面进行受力与力矩分析。
　　
　　图6腰鼓螺栓受力理论分析图
　　在未折断之前，按照力学原理列均衡式：
　　1）力平衡：N1+G2-N3-N4=0………………………………（计算式1）
　　2）力矩平衡：N1*X1+G2*X2-N3*X3-M=0………………（计算式2）
　　在电客车车轮的荷载作用下，钢轨面发生沉降并局部微小变形，传至整个断面。两种情况：
　　1）车轮通过钢轨作用力传至接头夹板，转而对螺杆产生作用力，这是对螺杆折断最致命的作用力N1，还有一直存在的接头夹板及轨撑等的重力G2与轨撑的向上作用力N3。在这多种力复合作用下，使得螺栓杆表面有击痕和切痕。
　　2）双接头的尖轨跟端轨底与垫板存在不密贴，但若吊空较大，N1不变，轨撑产生的N3从0逐渐递增至N1+G2，并在钢轨底部逐渐压实垫板胶垫时，又缩减为N1*ε（ε为系数），远大于0。或轨撑产生的N3直接就是递增至N1*ε。N4落后N3的变化，从0逐渐变成N1-N1*ε。在此过程中，腰鼓螺栓下部受到向上的剪切合力及顺时针的力矩，螺杆下部极易伤损或折断。
　　3）综上，在（N1+G2-N3）剪切合力及弯矩M的频繁作用下，螺杆逐渐形成击打切槽，一旦切槽或疲劳形成，应力平衡即被打破，或者只是表面上的平衡，由于螺杆的强度高、韧性小的特点，遇到电客车车轮的极大动荷载后，M瞬间=0就极易折断，这也就是切槽处没有频繁冲击击痕的原因，从有切槽到折断，时间跨度很短。
　　2.3.1.2数据分析
　　1）外界附加力及力矩
　　表2系统设计运输能力
　　项目/年限 初期2008年 近期2015年 远期2030年
　　预测单向高峰客流（万人次/小时） 2.2 3.7 5.3
　　列车编组（组） 6 6 6
　　列车定员（人） 1860 1860 1860
　　最小间隔时间（分） 5 3 2
　　高峰小时列车对数（对/小时） 12 20 30
　　设计运输能力（万人次/小时） 2.23 3.72 5.58
　　根据南京地铁的车辆参数及系统设计运能（见表2），可计算出车辆单个车轮所施加的静载作用力（取动车车辆38.8t，人均60kg计算）：
　　则：N1=38.8*103*9.8/4/2+1860*60*9.8*10-3/4/2=47.67KN。
　　2）螺栓自身力矩分析（最大力矩）
　　由于螺栓为10.9级高强度螺栓，则抗拉强度P2=1000MPa，屈服强度1000*0.9=900MPa。
　　3）综上可得出：P1＜P2，Ms或Mx远＞M’，且Ms远＜Mx，剪切力为诱因，弯矩为主因，而且从螺栓下侧极易破坏。另外，考虑动荷载的情况下，附加力与力矩还应较大，以及尚未考虑扭矩对螺杆的破坏影响。
　　2.3.2腰鼓螺栓折断优先性
　　表3双接头螺栓情况一览表
　　项目螺栓号 ① ② ③ ④ ⑤
　　螺栓类型 腰鼓 腰鼓 普通 普通 普通
　　轨撑有无 无 有 有 无 无
　　轨撑孔尺寸 无 27*27 27*27 无 无
　　钢轨孔直径 37 37 31 31 31
　　腰鼓螺栓直径 24/35 24/35 24 24 24
　　竖向位移Max 2 3/2 3/7 7 7
　　从表3可以得出，5个螺栓在受同等力的情况下，④⑤螺栓有较大的活动空间，避免受到高度集中力，受力较其他三个螺栓较小，所以排除④⑤先断的可能性。比较螺栓①②③。相比较螺栓②，由于螺栓①无轨撑限制，螺栓③在钢轨处竖向位移较大，均有效降低应力的集中加载或释放。在理论分析时也得出主要由轨撑所起的破坏作用，两者相互印证。
　　3现场实施
　　通过受力分析，已经明确折断的原因，及主要因素，进行现场作业：
　　3.1将腰鼓螺栓②处的轨撑孔进行修正。建议在设计时，可以将腰鼓螺栓②处方孔27*27改为直径33-38的圆孔，腰鼓螺栓③处方孔维持不变。同时清理完轨撑底部杂物，以免影响轨撑正常工作。
　　3.2折断也缘于整体道床弹性不足，有条件的地方可以适当增强胶垫弹性，增加胶垫厚度。
　　3.3线路检修时，结合工电联整，做好此处空吊板的消除工作。
　　4结语
　　4.1经过整修处理，腰鼓螺栓使用周期大大延长，很大程度上降低因设备问题而影响运营安全的风险。
　　4.2轨道巡检时，有针对性地对重点道岔双接头进行涂油检查，根据检查情况制定出对所辖道岔腰鼓螺栓的更换计划。
　　参考文献：
　　1. 铁道部工务局道岔标准图籍[S].中铁工程设计咨询集体有限公司轨道处,2008[8].
　　2. 技术文件汇编[A].南京地铁运营分公司,2008[4].

《60Kg/m-1/9道岔双接头腰鼓螺栓折断原因分析》

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