60kg/m鋼軌伸縮量420mm鋼軌伸縮調節器的研究設計
摘要：本文在認真分析了目前我國城市軌道交通使用的鋼軌伸縮調節器存在的問題的基礎上，詳細介紹了專為城市軌道交通設計的鋼軌伸縮調節器的結構特點。可為使用單位的選型提供依據，也可對制造、鋪設單位起指導作用。鋪設無縫線路是軌道現代化的一項重要技術措施，具有行車平穩、減少養護維修工作量、延長設備使用壽命、提高旅客舒適度等優點。應用于城市軌道交通，可以大大降低輪軌撞擊所產生的振動、噪聲等環境污染。當在溫度跨超過120m的連續梁上鋪設無縫線路時，由于梁、軌的材質不同，在溫度變化因素作用下的縱向變形也不同，縱向變形受到限制時就會轉化為內應力。如果鋼軌所承受的內應力與其他各種應力疊加后超過鋼軌的容許應力，將會影響到軌道的安全性、穩定性，危及行車安全。解決這一問題的措施之一是鋪設鋼軌伸縮調節器。另外，在高架無縫線路中的道岔前后，一般也需要鋪設鋼軌伸縮調節器，以阻斷無縫線路鋼軌伸縮對道岔狀態的影響，確保行車安全。我國修建的高架城市快速軌道結構中，均設置了鋼軌伸縮調節器。其結構基本按國鐵的通用圖，經過一段時間的運營實踐，發現目前的鋼軌伸縮調節器并不完全適應城市軌道交通的特點。有必要研究設計專門應用于城市軌道交通的鋼軌伸縮調節器。
一.目前鋼軌伸縮調節器存在的問題
1.伸縮量
目前鋼軌伸縮調節器設計伸縮量名義上為1000mm，但按圖紙結構檢算發現，伸縮量無法實現。原因是鋼軌伸縮調節器基本軌在伸縮時與相鄰的扣件發生干涉，所允許的自由伸縮量不足600mm。
2.平面線型
目前的鋼軌伸縮調節器平面線型采用的是緩和曲線型。緩和曲線在用于高速鐵路時是非常必要的，它可以降低車輪對縱坡的沖擊，減小軌道的幾何不平順。對于城市軌道交通來講，則沒有意義。城市軌道交通列車一般行駛速度是80km/h，根據國際上的一般經驗，在最高行駛速度小于或等于200km/h的地段，均可以鋪設圓曲線型鋼軌伸縮調節器。根據實測，鋼軌伸縮調節器基本軌的伸縮阻力只有2～5t，沒有采用緩和曲線的必要，圓曲線型完全滿足其要求。其次，由于緩和曲線的設置使得尖軌軌頭薄弱段較圓曲線型長許多，對尖軌延長使用壽命不利。同時，緩和曲線的設置，使得鋼軌伸縮調節器的設計、生產、鋪設均變得復雜化。
3.基本軌預彎
基本軌的伸縮阻力與端部導曲線線型和曲線半徑有關，也與是否按預頂彎設計有關。鋼軌伸縮調節器基本軌可按兩種狀態設計：一. 基本軌不預頂彎，基本軌靠導向軌撐和尖軌的共同作用使基本軌在尖軌刨切范圍內產生彈性變形，正因為基本軌的變形是彈性的，基本軌與尖軌在刨切范圍的正壓力也大，伸縮阻力也大；二. 基本軌預頂彎，頂彎的范圍是取鋼軌伸縮調節器發生最大伸長時尖軌實際尖端處為始點至軌端。目前的鋼軌伸縮調節器采用的是第一種狀態設計，較大的伸縮阻力會使鋼軌應力得不到有效釋放。根據實驗數據表明：基本軌預頂彎后其伸縮阻力約下降40％左右。
4.尖軌定位
尖軌一般與短軌相連，而列車一般也是單方向行駛，易造成尖軌的爬行，因此尖軌必須有定位的措施。目前的鋼軌伸縮調節器尖軌僅依靠軌撐的扣壓力難以確保尖軌與基本軌的相對位置。
5.軌底坡
在GB50157《地下鐵道設計規范》中規定，道岔不應設置軌底坡，沒有對鋼軌伸縮調節器提出要求。正常的軌道均設有1：40的軌底坡，因此鋼軌伸縮調節器有必要也有條件設置軌底坡。目前的鋼軌伸縮調節器沒有設置。
6.結構設計采用值
鋼軌伸縮調節器的尖軌，使用條件與道岔中的直線尖軌基本相同，因此尖軌的降低值、水平刨切坡度等與道岔中的直線尖軌也應相同。但目前的鋼軌伸縮調節器與現行的國鐵采用值不同。
二.新型鋼軌伸縮調節器的設計
1. 平面線型及結構的確定
1). 平面線型
曲線型鋼軌伸縮調節器六十年代首先在日本應用，由于其具有軌距線連續、軌距變化小、尖軌與基本軌始終保持密貼等優點，很快在世界上得以推廣。像德國、美國等原采用短軌調節的國家，也已在無縫線路上采用了鋼軌伸縮調節器。曲線型鋼軌伸縮調節器又分為圓曲線、反向復曲線和緩和曲線。這三種線型的共同點是伸縮阻力隨曲線半徑的增大而減小。而在相同半徑下，反向復曲線鋼軌伸縮調節器的伸縮阻力遠遠大于圓曲線型鋼軌伸縮調節器，而且在長度上也長于圓曲線型鋼軌伸縮調節器約50％；采用緩和曲線無必要（理由前述），因此本設計采用曲率一致的單圓曲線型。雖然按理論計算圓曲線半徑大于180m即可滿足伸縮要求，但考慮在線型、平面布置等方面合理的前提下，伸縮阻力盡可能小些，最終決定圓曲線半徑采用280m。
2). 伸縮量的確定
鋼軌伸縮調節器的伸縮量是由無縫線路伸縮區自由伸縮量、線路的允許爬行量、橋梁因活載作用而產生的撓曲變形引起的鋼軌伸縮量、各種誤差積累構成的。通過計算：
鋼軌伸縮調節器與無縫線路長鋼軌連接的伸縮區伸縮量一般小于±50mm；
線路的允許爬行量按《鐵路工務規則》規定不大于±20mm；
總伸縮量不大，最終按結構設計能夠達到的最大值±210mm作為伸縮量。
3). 平面尺寸
尖軌實際尖端位置軌頭寬取1mm，減短尖軌前部軌頭薄弱斷面長度。短軌枕間距按600mm布置，鋼軌伸縮調節器全長為10800mm（見圖1）。全長較目前
圖1：鋼軌伸縮調節器平面
2.結構設計
1). 尖軌采用60AT鋼軌制造，用于單向鋼軌伸縮調節器時，跟端熱加工過渡到相應的普通鋼軌斷面；用于雙向鋼軌伸縮調節器時，可用一根60AT鋼軌按對稱中心線加工，刨切段分別與兩側基本軌貼合；為防止尖軌爬行，尖軌設置軌撐、水平螺栓定位；尖軌降低值按國鐵現行標準設置，軌頭水平刨切按更符合輪軌關系的1：4坡度加工。
2). 基本軌一側靠導向軌撐導向，另一側靠尖軌的軌頭、軌底導向（見圖2）。基本軌在有最大伸長時尖軌軌頭寬50mm對應位置向外作1：3的軌頂刨切，延續至基本軌端部，端部軌頭頂面降低10mm，避免磨耗輪對假輪緣對基本輪的沖擊。為降低伸縮阻力，基本軌由制造工廠做預頂彎。
3). 墊板采用560x170x18mm的扁鋼制造，加工、運輸、鋪設、養護維修均較方便。墊板長度尺寸統一，可以簡化短軌枕的類型。墊板按軌道中心線分上、下股鋼軌用，對稱制造。
圖2：鋼軌伸縮調節器結構
5)設計上在鋼軌軌下、鐵墊板下均設有彈性墊層，鋼軌軌下設置溝槽形式橡膠墊板，理論靜剛度約為40kN/mm，鐵墊板下設置圓柱粒子形式橡膠墊板，理論靜剛度約為60～70kN/mm。這種雙層彈性墊層的設置，可以滿足城市軌道交通旅客舒適度和一般地段減振降噪的要求。基本軌在與尖軌貼合范圍內的軌下不設橡膠墊板，以利于伸縮。
6) 軌下基礎采用無擋肩短軌枕、整體道床，短軌枕設計為同一尺寸。
7)鋼軌伸縮調節器按有軌底坡設計，軌底坡由施工時實現。施工時鋼軌、扣件、短軌枕吊裝在支架上，按1：40坡度內傾，軌道幾何狀態檢查無誤后澆注道床砼固化。
三．結語
結合城市軌道交通特點設計的《60kg/m鋼軌伸縮量420mm單（雙）向鋼軌伸縮調節器》充分吸收了國內、外鋼軌伸縮調節器的優點，技術上更加先進、可靠，是我院開發的新一代軌道設備，可滿足城市高架無縫線路鋪設的要求。
原文作者：高曉新
