新型有砟轨道预埋套管式扣件研制

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第5期

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段玉振1, 2, 3，陈鹏1, 2, 3，孙大新1, 2, 3，徐寿伟1, 2, 3，段海滨1, 2, 3

1传统有砟轨道扣件结构及存在问题

有砟轨道具有造价低、施工速度快、弹性好、不均匀沉降适应性强等优点，是轨道交通线路车辆段及停车场库外线、市域铁路及普速铁路地面线及高架线等线路的常用轨道结构。有砟轨道应用的扣件系统主要为弹条Ⅰ、Ⅱ型扣件。但传统有砟道床地段预应力混凝土枕配套用扣件的施工普遍采用硫黄水泥砂浆锚固法，即将螺纹道钉固定在预应力混凝土轨枕的预留孔中，如图1所示。

该方法存在以下显著缺陷：1)硫黄水泥砂浆熬制过程中释放的有害物质对环境和施工人员的健康构成威胁[1]，且熬制及凝固时间久，2天后才能进行抗拔力试验，效率低，难以满足快速施工的需求。2)硫黄水泥砂浆在凝固时产生的体积膨胀经常导致轨枕预留孔间发生纵向劈裂，甚至使整根轨枕报废，不仅增加成本，也影响轨枕质量[2]。3)采用硫黄水泥砂浆锚固的施工方法通常需要较大的作业空间，施工效率低，道钉易歪斜，锚固质量较难控制，锚固后的整体结构强度难以保证，承载能力、可靠性较差，影响混凝土枕的整体使用寿命。另外应用在速度高的正线上时，对扣件抗拔力的要求也更高。鉴于此，有必要研发更加环保、高效、可靠的设计方案，以满足碎石道床地段预应力混凝土枕配套用扣件的使用场景需求，确保轨道交通的安全、可靠运营。为解决此类问题，有些项目尝试采用预埋尼龙套管的方案。然而，尼龙套管由于其材料强度的限制，在使用过程中，因受力不均出现滑牙、螺纹部分被拔出等损坏[3-4]，对于混凝土枕的长期使用造成影响。

2新型碎石道床扣件构造方案

为解决尼龙套管由于材料强度有限，在复杂受力环境下易出现滑牙、螺纹拔出等损坏现象这一问题，本文提出2种方案进行比选分析。一种方案是采用常规的尼龙套管及螺栓；另一种方案是采用复合套管，外壳由高强度尼龙材质制成，内部则嵌入金属螺母，以增强螺纹部分的强度和耐久性，提升套管的使用寿命。

2.1新型碎石道床扣件技术要求及参数

结合国内城市轨道交通扣件及其应用情况，合理确定新型碎石道床地段用扣件的主要技术要求及指标如下[5-10]：1)预埋套管式弹性不分开式扣件，适用于50kg/m钢轨及60kg/m钢轨混凝土枕有砟道床地段。2)螺旋道钉直径与国铁弹条Ⅰ、Ⅱ型扣件一致，维持24mm，但长度、螺纹及配套套管特殊设计。3)预埋套管抗拔力不小于100kN；4)其余指标与国铁弹条Ⅰ、Ⅱ型扣件一致。

2.2预埋套管采用尼龙套管方案

预埋套管尼龙套管方案采用尼龙套管，如图2所示，组装如图3所示，尼龙套管及螺旋道如图4所示。此方案的主要优点是：1)高度兼容性。大部分零部件，如弹条、挡板座、轨下弹性垫板、平垫圈、轨下调高垫板等，均与国铁弹条Ⅰ、Ⅱ型扣件通用；2)简化了安装流程。套管直接预埋在轨枕内，省去了现场锚固环节，使结构更加简洁，安装更为便捷。然而，此方案亦存在不足之处。由于材料强度的限制，套管在使用过程中可能会因各种受力状况而出现滑牙、螺纹部分被拔出等损坏现象。这增加了套管维修及更换的难度，影响了混凝土枕的使用寿命。

2.3预埋套管采用复合套管方案

复合套管方案外壳为尼龙材质，如图5所示，在外壳内部嵌有金属材质的螺母，金属螺纹强度高、寿命长，能大幅提高套管的使用寿命，更好地保证行车安全。金属材质的螺母规格采用M24，如图6所示，配套螺栓与尼龙套管方案配套的螺栓直径一致。复合套管方案组装图如图7所示，复合套管及螺旋道如图8所示。根据《紧固件机械性能螺母》(GB/T3098.2—2015)[11]规范要求，M24螺母最小保证荷载为134.1kN，满足套管抗拔力不小于100kN的要求。螺母采用六角螺母，可以起到防转的功能，另外螺母高度方向设置2道深2mm横槽，可以起到增加抗拔力的作用。金属螺母高度保证在调高状态下不小于《紧固件机械性能螺母》(GB/T3098.2—2015)规范要求的22.6mm。考虑一定富余量，确定螺母高度为45mm。优化方案经过试制及组装试验，达到了预期的目标，除了具备普通尼龙套管的优点外，显著提升了扣件的安全可靠性，延长了扣件的使用寿命。

3试验研究

对配套尼龙套管方案及配套复合套管2种扣件方案进行试制，并对其主要力学性能及疲劳性能进行测试及对比分析[12-14]，测试现场如图9所示。

3.1扣件系统抗拔力试验

分别对2种方案的抗拔力进行极限荷载试验。测试结果表明，预埋复合套管方案的极限荷载为137kN，预埋尼龙套管的极限荷载为98kN。具体数值如表1所示。

3.2扣件系统纵向阻力试验

分别对2种方案进行纵向阻力测试。结果表明，2种方案扣件系统的扣件纵向阻力均满足设计要求，具体数值如表2所示。

3.3扣件系统疲劳试验

分别对2种方案进行组装疲劳试验。加载循环次数300万次后。所测扣件组装件疲劳前后钢轨动态横移量和下沉量数据如表3所示，单边轨距扩张量和轨底横向量如表4所示。疲劳试验后，经检查扣件状态完好，零部件无松动及损坏情况。

3.4小结

本次研发的2种新型碎石道床地段用扣件均满足设计要求。其核心零部件如弹条、挡板座、轨下弹性垫板、平垫圈以及轨下调高垫板等均与国铁弹条Ⅰ、Ⅱ型扣件保持通用性，不同之处在于套管与螺旋道钉的设计。经过严格的室内静载及疲劳试验验证，该系统在关键技术指标，如扣压力、纵向阻力、轨距调整量、高低调整量、静刚度、抗拔力、工作电阻及疲劳性能等方面，均达到了与国铁弹条Ⅰ、Ⅱ型扣件相同的标准。另需强调的是，对于预埋套管抗拔力，复合套管的极限荷载高达137kN，显著超越了尼龙套管的98kN。鉴于尼龙套管在现有城市轨道交通轨枕应用过程中，滑牙、螺纹拔出等尼龙套管损坏问题时有发生，且维修更换困难。因此，相比常规方案，研制的复合套管方案使用寿命得以提高，安全可靠性显著增强。

4结论

1)本文提出的新型有砟道床地段用扣件系统，通过创新性地采用轨枕内预埋复合套管技术，突破了传统现场锚固方案及预埋尼龙套管方案的技术瓶颈。该系统将复合套管直接预埋于轨枕内部，彻底摒弃了传统现场锚固工序，显著提升了扣件安装工艺水平，实现了施工过程的高效化和绿色化。2)尽管扣件只是轨道设备中的一个小部件，但扣件为整个轨道系统相对薄弱的环节，且由于其在线路轨道上的应用数量极为庞大，所以对其进行局部的改进与优化，具有积极意义。该扣件系统的创新性结构设计兼具简洁性与实用性，不仅显著提升了安装质量，还延长了使用寿命。在降低环境负荷的同时，实现了安装质量、施工效率和使用寿命的全面提升，展现出在技术性能、经济效益和生态效益等方面的显著优势。