随着铁路运输向高速、重载方向发展,线路平顺性成为保障列车安全高效运行的关键因素。扣件作为轨道结构中至关重要的组件,其安装工艺的优劣直接关乎轨道的力学性能以及平顺性指标的表现。
目标:明确高性能扣件最佳安装工艺参数,揭示安装工艺与线路平顺性的内在联系,提出基于平顺性的工艺优化策略。意义:理论层面,旨在打破传统扣件安装‘经验导向’的局限,构建‘参数-性能-平顺性’的量化关系模型;工程层面,降低因安装误差导致的线路维护成本,提升高铁运营安全性与舒适性。
目前我国铁路常用高性能扣件主要包括弹条式、弹性不分开式、可调式三类,其结构特性对比如表 1 所示。
扣件系统可简化为 “弹簧 - 阻尼” 振动模型,其垂向刚度公式为:K=K弹条+K胶垫+K轨枕支撑其中,弹条刚度 K弹条 与扣压力呈线性相关,橡胶垫刚度 K胶垫 受温度影响显著。
欧洲铁路联盟(ERA)EN 13146 标准规定了扣件安装流程,明确扭矩值需控制在设计值的 ±10% 范围内。然而,该标准并未纳入列车动态荷载的影响。
2020 年成渝高铁荣昌段维修数据显示,当扣件扭矩从设计值(120N・m)下降 5%(至 114N・m)时,轨道不平顺指数(TQI)从 2.1mm 上升至 2.6mm,增幅达 23.8%。
高性能扣件安装包含 5 个核心环节,其中 “定位精度”“扭矩控制”“垫片匹配” 为关键工序。
弹条扣压力随扭矩增大呈非线性增长,当扭矩从 80N・m 增至 120N・m 时,扣压力从 40kN 增至 65kN,钢轨横向位移幅值从 1.2mm 降至 0.8mm。
基于 SIMPACK 软件建立 “车辆 - 轨道” 耦合动力学模型,包含车辆子模型、轨道子模型及激励输入。
当扣件刚度从 80kN/mm 降至 50kN/mm 时,轮轨垂向力幅值从 180kN 增至 220kN,超过 UIC 510 标准限值。
选取京沪高铁济南段(无砟轨道)和大秦铁路秦皇岛段(有砟轨道)作为试验段,测试参数包括安装工艺参数和平顺性指标。
现场试验结果与模拟计算吻合度达 85%,当扭矩为 120N・m 时,TQI 均值为 2.0mm;扭矩降至 100N・m 时,TQI 升至 2.9mm。
根据研究结果,制定高性能扣件安装参数控制阈值。
扭矩控制技术采用具备角度监控功能的电动扳手,并在施工完成后24小时内进行复紧操作;智能检测系统集成机器视觉技术,自动识别弹条安装到位状态。
高性能扣件安装工艺通过 “刚度 - 阻尼 - 接触状态” 三要素影响线路平顺性,其中扭矩偏差是最关键影响因素;建立了扣件安装参数与 TQI 的量化关系模型,验证了动态荷载下参数耦合效应的显著影响。
未来可进一步研究低温环境下扣件橡胶元件刚度退化对平顺性的影响,以及基于机器学习的安装质量实时预测方法。