高速铁路扣件系统的类型与应用

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1、高速铁路扣件系统的类型与应用盛伟;付传锋【摘 要】介绍了国内外主要应用的高速铁路扣件系统的分类及其零部件的性能,简要分析了 Vossloh300型、直结4K型和直结8K型、Pandrol Fastclip型及我国 弹条IV型、V型、WJ-7型和WJ-8型扣件系统的组成和特点.期刊名称】金属加工：热加工年(卷),期】2010(000)007【总页数】5页(P31-35) 【作 者】 盛伟;付传锋【作者单位】 南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,江苏常州,213011;南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司,江苏常州,213011【正文语种】 中 文扣件是连接钢轨和轨枕使之形成轨排的部件，对保证轨

2、道稳定性、可靠性起到重要 作用。无砟轨道的弹性基本上取决于钢轨扣件系统，无砟轨道的精度也要靠扣件系 统来调整和保持。因此，扣件在高速铁路线路中的重要性以及对运输安全的直接影 响显而易见，是关系到无砟轨道成败的关键技术。高速铁路扣件系统由扣压件、紧固件和弹性基板三大部件组成。高速铁路采用弹性 扣件系统。随着高速铁路的发展，日本、德国、法国、英国等国家分别开发了相适 应的扣件系统。高速铁路扣件系统可以按不同的方法分类。按扣压件形式，可以分为弹条式和弹片式两种类型。弹条式扣件有德国Vossloh 扣件，英国Pandrol扣件和我国弹条IV型、V型、WJ-7型和WJ-8型扣件。弹 片式扣件有日本直结型

3、扣件、法国Nabla扣件。按承受水平力方式，可划分为有挡肩和无挡肩两种类型。有挡肩扣件类型需要在轨 枕或轨道板上设承轨槽，承受钢轨传递过来的轮轨横向力。无挡肩扣件类型不需要 在轨枕或轨道板上设承轨槽，钢轨传递过来的轮轨横向力由锚固螺栓和摩擦力承受 前者的代表产品有德国Vossloh300型扣件，日本直结4型扣件，法国Nabla扣 件和我国弹条V型、WJ - 8型扣件。后者有日本直结8型扣件，英国Pandrol扣 件，德国Krupp ECF扣件和我国弹条V型、WJ - 7型扣件。按扣件紧固形式，可分为有螺栓和无螺栓两种类型。除了英国Pandrol扣件和我 国弹条V型扣件采用无螺栓紧固方式，其余类

4、型扣件均采用有螺栓紧固方式。 按与道床联接方式，可以分为分开式和不分开式两种类型。分开式扣件有铁垫板， 扣压件将钢轨牢固固定在铁垫板上，铁垫板由锚固螺栓和预埋于轨枕或轨道板中的 预埋绝缘套管联接。不分开式扣件一般没有铁垫板（德国Vossloh300型扣件和 我国WJ-8型扣件除外），钢轨与轨枕或轨道板之间只有一层轨下垫板，扣件系 统的紧固件直接联接到混凝土轨枕或混凝土轨道板中的预埋绝缘套管。日本直结8 型扣件，英国Pandrol公司的Fastclip扣件，德国Krupp ECF扣件和我国WJ - 7型扣件为分开式扣件类型。德国Vossloh300型扣件，日本直结4型扣件，法国 Nabla扣件和

5、我国弹条V型、WJ - 8型扣件为不分开式扣件类型。按轨距调整方式，可以分为有级调整和无级调整。日本直结8型、直结8K型和我 国WJ7型扣件系统为无级调整，其他扣件系统为有级调整。扣件系统的弹性特性对高速铁路无碴轨道的降噪、钢轨的冲击起至关重要的作用。 高速铁路弹性扣压件具有追随钢轨变形、不易松弛和耐疲劳等特征。就其弹性性能 而言，弹片式扣压件工作时主要利用材料弯曲变形性能，形状比较简单，加工相对 简易，造价也较低。但由于为满足螺栓紧固要求而开孔，在该部位容易出现应力集 中，而且弯矩最大处恰恰是截面削弱最大处，因此容易产生损坏，扣件的扣压力和 弹性均显不足。而弹条式扣压件工作时既利用材料的弯曲

6、变形性能又利用材料的扭 转变形性能，因而弹性一般比较好，材料利用率较高。扣压件性能要求如下：（1）扣压件的前端刚度要小。（2）扣压件的应力变化应在弹簧钢的疲劳极限内。（3）扣压件的可调性要好，扣压力可控制。（4）扣压件的固有频率与铁垫板的固有频率不能一致，避免扣压件受振动而造成 松动。德国Vossloh300型扣压件弹条原材料为申15mm的38Si7淬火和回火热轧弹簧钢，其化学成分如表1所示，弹条热处理后硬度要求为400460HV。我国弹条IV型、弹条V型、WJ7型和WJ8型扣压件的弹条材料均为 60Si2MnA，其化学成分如表2所示。弹条V型材料为申20mm热轧弹簧钢，热 处理硬度要求为44

7、48HRC,表面脱碳层不超过0.25mm ；弹条V型、WJ7 型和WJ8型扣件中的W1型和W2型弹条为申14mm热轧弹簧钢，X2型和 X3型弹条为申13mm热轧弹簧钢，热处理硬度要求为4247HRC,表面脱碳层 不超过0.25mm。弹性基板是指铁垫板和弹性垫板的统称。其性能要求如下：（1）能承受钢轨的垂向力、横向力和纵向力的作用。（2）有足够的弹性，降低钢轨的冲击振动。（3）具有适当的绝缘性能。 紧固件主要由锚固螺栓或螺旋道钉、预埋套管或预埋铁座组成。其作用是将弹性基 板固定于混凝土轨枕或轨道板上，不仅承受一定的荷载，还需具有绝缘功能。 当前新建的高速铁路主要采用无砟轨道结构，国外高速铁路无砟

8、轨道应用最为广泛 的扣件有德国Vossloh300型和Krupp ECF型、日本直结4型和直结8型及英国 Pandrol 的 Fastclip 扣件，国内高速铁路无砟轨道主要应用德国 Vossloh300 型、 英国Pandrol的Fastclip扣件及铁科院设计的WJ7型和WJ8型扣件。Vossloh300型扣件系统总成及零件名称如图1所示。该扣件系统结构简单，联接 紧密，弹性优良，扣压力大，钢轨防爬阻力大，装卸方便，养护维修少，使用安全 可靠，寿命长，适用于无砟轨道。Vossloh300型扣件系统为双层弹性结构，即具有轨垫和弹性底板垫两层弹性层。 设置有承轨槽，利用轨距挡板固定和调整轨距，

9、轨距挡板不仅具有保持轨距的作用， 还起绝缘作用。轨枕螺栓和预埋于轨枕或轨道板内的绝缘套管将3形弹条扣压在 绝缘垫片和轨距挡板上。Vossloh300型扣件系统通过更换不同宽度的轨距挡板，实现8mm范围内的横 向调节，每步调节1 m m ，轨距调整范围为 16m m 。Vossloh300型扣件系统有三种高度调整方式，分别通过嵌入塑料调整垫、轨垫和 钢制调节板实现，高度调整范围为-4 56mm。利用轨垫调节-42mm的高 度调节，每步调节1mm，并根据高度调节量选择正确的轨枕螺栓。通过嵌入塑料 调整垫和轨垫实现328mm的高度调节。通过嵌入塑料调整垫、钢制调节板和 轨垫实现29 56mm的高度调

10、节。Vossloh300型扣件系统静态刚度为2030kN/mm，纵向钢轨防爬阻力9kN, 扣压力18kN,弹条的弹程15mm。目前，国内铺设V ossloh300型扣件的线路有北京-天津城际高铁、武汉-广州 高铁大部分线路及北京上海高铁等线路。日本从20世纪60年代开始研究无砟轨道，主要应用的是直结8型和直结4型扣 件系统。目前，无砟轨道主要应用改进的直结8K型和直结4K型扣件。带铁垫板、分开式结构的直结8K型扣件系统（如图2所示）用预埋塑料（绝缘） 套管替代预埋金属套管，在铁垫板上开设椭圆形螺栓孔，用来挪动铁垫板以调整轨 距，轨距调整范围为士 10mm;通过轨垫、铁垫板和可调衬垫调整上下高度

11、，高度 调整量为070mm。直结4K型扣件系统为单弹性层结构，无铁垫板，弹片直结扣压钢轨。当螺栓未拧 紧时，只以弹片的下肢扣压钢轨，螺栓拧紧后，上肢与钢轨也接触。系统调高量为 010mm，轨距调整量为6mm。改进型直结4K型扣件系统，采用球座六角螺栓和球状垫圈及双层调整垫板，系统 调高量为0 50mm，轨距调整量为士 10mm。Pandrol公司研发的Fastclip型扣件系统由铁垫板、螺栓、平垫块、绝缘套管、3 形弹条、绝缘轨距块、弹性垫板和绝缘缓冲垫板等组成（如图3所示）。 铁垫板通过嵌入轨枕或轨道板中的预埋绝缘套管和锚固螺栓固定在轨枕或轨道板上。 铁垫板上部为Fast Clip扣件结构，

12、采用3形弹条扣压钢轨，为无螺栓扣压、自锁 扣紧方式，通过铁垫板上的椭圆孔左右移动铁垫板实现轨距调节。Fastclip型扣件 系统靠轨下弹性垫板、绝缘轨距块、绝缘套管和绝缘缓冲垫板实现扣件系统的绝缘。 绝缘套管预埋在轨枕或轨道板中一同供货，出厂时扣件预先安装在轨枕或轨道板上， 在现场将预先安装的3形弹条扣紧到位，使钢轨与铁垫板及铁垫板与轨枕或轨道 板联接为一体即可。目前，铺设Fastclip型扣件的线路有合肥-武汉线、武汉-广州部分线路等。 国内除了应用Vossloh300型和Fastclip型扣件系统外，还开发应用了弹条IV型、 V型、WJ 7型和WJ8型扣件系统。弹条V型和V型扣件系统适用于

13、有砟轨 道，可满足250km/h客运专线运营要求。WJ7型和WJ8型扣件系统适用于 桥梁、隧道和路基轨枕埋入式和板式无砟轨道，满足最高速度250km/h客运专线 （兼顾货运）及350km/h客运专线运营要求。弹条V型扣件系统如图4所示。适用于铺设预应力混凝土无挡肩轨枕的有砟轨道， 钢轨轨距可调，高低位置不可调。每组扣件钢轨纵向阻力应9kN。单股钢轨左右 位置调整量为-42mm，轨距调整量为-84mm。弹条V型扣件系统如图5所示。适用于铺设预应力混凝土有挡肩轨枕的有砟轨道， 钢轨轨距和高低位置均可调。一般地段采用W2型弹条和橡胶垫板，纵向阻力应 9kN ；小阻力地段采用X3型弹条和复合垫板，纵向

14、阻力为4kN。单股钢轨左右 位置调整量为-42mm，轨距调整量为-84mm，钢轨高低位置调整量为 10mm。WJ7型扣件系统如图6所示。铁垫板通过锚固螺栓与预埋绝缘套管配合紧固于 轨道板中。钢轨轨底与铁垫板间设橡胶垫板，通过搭配不同扣压力的弹条及轨下垫 板（由不锈钢板与橡胶垫板粘结而成）来获得不同的钢轨纵向阻力 （一般地段采用 W1型弹条和橡胶垫板，纵向阻力应9kN ；小阻力地段采用X2型弹条和复合垫 板，纵向阻力为4kN）。单股钢轨左右位置调整量为-66mm，轨距调整量为- 12 12mm，钢轨高低位置调整量为30mm。目前，已铺设WJ7型扣件的线路有武汉-广州高铁部分线路、上海-南京城际

15、线等。WJ8型扣件系统如图7所示。钢轨纵向阻力要求与WJ7相同。单股钢轨左右 位置调整量为-5 5mm，轨距调整量为-10 10mm，钢轨高低位置调整量为 30mm。铁垫板上的挡肩与钢轨之间设置绝缘块，不仅可以缓冲钢轨对铁垫板的冲击，而且 提高了扣件系统的绝缘性能。混凝土轨枕或轨道板设承轨槽挡肩，钢轨传来的横向 荷载通过铁垫板和轨距挡板，最后传至混凝土挡肩，降低了横向载荷的作用。通过 不同规格尺寸的轨距挡板保持、调整轨距。目前，已铺设WJ8型扣件的线路有郑州-西安线、武汉-广州部分线路、哈尔 滨大连线等。世界各国高速铁路用扣件均根据国情、传统和高速行车要求采用不同的形式，并各成系统。高速铁路扣件系统为能适应高速化、环保化、省力化和可调化四大基本准则，正在向着低刚度、长寿命、低成本及其相互协调的技术方向发展。