高速铁路WJ-8 型扣件弹条系统检测与养护

曲玉福

（武汉铁路职业技术学院，湖北 武汉 430000）

钢轨扣件是钢轨与下部基础重要的联结零件，其作用是将钢轨固定在轨枕上，防止钢轨的横纵向移动，并保持轨距，扣件还要提供一定的弹性和足够的强度。扣件连续失效过多，会造成线路失稳；瞬间崩断弹条，有的击穿电务设备的保护罩，影响道岔正常转换；有的掉落到钢轨上，被列车碾压，造成列车跳动影响运行安全，硌伤钢轨和列车轮对，还有的击坏动车组车底及转向架的零件，伤及动车组车体，影响高铁运输。

1 研究背景

在高速铁路修建过程中，不同时期采用了不同技术系列扣件，高速铁路无砟轨道扣件类型有WJ-7、WJ-8、SFC、W300-1 等型号。扣件种类繁多，型号复杂，每种扣件又有各自的技术指标，不做一一赘述。介绍WJ-8 型无砟轨道扣件，WJ-8 型扣件由螺旋道钉、平垫圈、弹条、绝缘轨距块、轨距挡板、轨下垫板、铁垫板、铁垫板下弹性垫板和预埋套管等组成。为满足高低调整需要，还包括轨下微调垫板和铁垫板下调高垫板。WJ-8 扣件结构如图1 所示。

图1 WJ-8 扣件结构

按照高铁修规周期性检查要求，对扣件弹条按照状态、部件缺损，弹条紧固状态、钢轨与绝缘轨距块间隙每半年检查1 遍，每公里连续抽查50 个。利用扣件安装状态检查仪可以对全部扣件进行普查。某高铁工务段使用扣件安装状态检查仪检查了近8 000 km，完成段管内的扣件全覆盖检查4 遍，积累了大量数据，通过对数据的挖掘，筛选出问题集中地段，纳入综合整治，收到良好的效果。文章仅取武（汉）孝（感）城际的10 km 来阐述。

2 钢轨扣件存在的问题及原因分析

2.1 弹条折断

一是螺旋道钉扭力矩过大，造成弹条失去弹性，列车通过时钢轨振动，引发弹条折断。二是弹条原材料内部有伤损，存在疲劳源。三是安装时或者维修过程中遭受锤击，存在暗伤。

2.2 弹条丢失

一是螺旋道钉扭力矩过小，列车经过时钢轨振动，振飞弹条。二是由于预埋套管作用不良，螺旋道钉安装不到位。三是在安装过程中漏装。

2.3 预埋套管失效

一是预埋套管强度不达标，精调过程中多次拆卸，导致预埋套管内螺纹失效。二是预埋套管安装过程中定位销失效造成上浮。三是预埋套管内水未吸净，油水分离，冬季结冰之后将螺旋道钉顶起。四是预埋套管内有异物，阻止螺旋道钉的行程，同步影响到弹条的行程，导致预埋套管失效。

2.4 胶垫失去弹性

一是胶垫等橡胶制品正常老化或者铁垫板下弹性垫板质量问题。二是扣件扣压力不达标，钢轨与下部轨道板间存在空吊，钢轨对下部胶垫的冲击力过大。三是轮轨关系不匹配，钢轨波形磨耗病害导致的钢轨高频振动，将轨下胶垫及铁垫板下弹性垫板压溃或者变形，失去弹性。

2.5 弹条锈蚀

一是扣件弹条暴露在自然环境中，自然环境变化均会对弹条造成侵蚀。二是隧道内湿气重，空气不流通，也会加速弹条氧化，造成弹条锈蚀。三是铁路沿线周围有化工厂，导致酸性或者碱性环境，加速了对钢轨及弹条的化学腐蚀。

2.6 扣件各部件的脱落、安放不到位

扣件安装过程作业标准不高，各部位未安放正，就紧固螺旋道钉。

3 整治方法及措施

针对弹条折断，弹条丢失，弹条锈蚀，各部件脱落、安放不到位的情况，扣件病害较明显，可以利用扣件安装状态检查仪、线路巡检车或者人工巡视时可发现，及时补充扣件和扣件整正，恢复扣件状态。

虽然扣件的弹条安装状态完好，但扭力矩不足或者过大，对扣件扣压力和寿命影响巨大，弹条的扣压力的检测依据固定扭力的扳手来确定，存在较大的偏差。

3.1 弹条离缝值来代替弹条扭矩

扣件是将钢轨与轨下结构联结的唯一零件，利用弹条的弹性变形产生扣压力，对于扣压力的检测，仅仅通过螺旋道钉扭矩不能够真实反映，人工需用塞尺检测弹条中部前端下颚与绝缘块间的离缝值（本文简称弹条离缝值）来判定扣压力。安装标准弹条中部前端下颚与绝缘轨距块不宜接触，两者间隙不得大于0.5 mm，经常保养标准间隙不得大于1 mm 来代替W1 型弹条（130～170 N·m）、X2 型弹条（90～120 N·m）。

3.2 弹条离缝值检测与分析

弹条离缝值检测通过人工抽查，扣件安装状态检查仪普查。扣件安装状态检查仪检查弹条离缝值，采用线激光手段，对扣件进行扫描，为保证检测精度，线激光检测线间距不超过1 mm。通过线激光扫描，检测到扣件，找到弹条中部，利用总测量值-弹条的直径，即得到弹条与绝缘规矩块之间的离缝。WJ-8 测量模型如图2 所示。

图2 WJ-8 测量模型示意图

根据计算弹条离缝值计算公式：

式（1）中f 为缝隙大小，H 为激光测量得到中圈环上最高点的高度；h 为激光测量得到绝缘垫片的垂向高度；D 为W1 型弹条（直径为14 mm）经过中频感应预热，三道成型、预压、抛丸和静电喷粉防腐处理后，直径以14.42 mm作为标准值来修正直径误差，单位为mm。

（1）对检测结果进行数据分析，生成扣件离缝值原始记录。武孝城际下行间隙所有明细见表1。

表1 武孝城际下行间隙所有明细

可知每套扣件弹条离缝值，根据具体检测扣件的起始位置，找到相应的扣件，通过人工使用塞尺进行复核，发现与现场数据相符。

（2）按照扣件离缝值筛选，分类汇总，找出离缝大值，按照超限等级，优先安排扣件复紧，如对应轨枕编号003301012 的左股外侧间隙4.3 mm，大于3 mm 就不满足扣件扣压力不小于9 kN 的基本条件。扣件离缝值超限记录见表2。

表2 扣件离缝值超限记录

（3）按照扣件离缝值具体逐公里分类汇总，找出离缝大值集中的具体的公里区段，如武孝城际下行K8+000 间隙超限数量为825 套，占本公里总扣件的12.89%，需优先安排扣件复紧。武孝城际下行每公里间隙统计见表3。

表3 武孝城际下行每公里间隙统计

柱状图将上表形象的显示扣件超限的个数，为扣件复紧安排计划提供依据。超限数据集中在K8-K10两公里。

（4）引入数理统计方法，统计800 根轨枕800 套扣件离缝值分布，800 根轨枕左股外800 套弹条、800 根轨枕左股内800 套弹条离缝值分布。

FI 是左股外侧离缝值、左股内侧离缝值、右股内侧离缝值、右股外侧离缝值4 项在800 根轨枕弹条离缝值标准差之和。

式中σi为弹条离缝值偏差的标准差；i＝1，2，3，4，分别为左股外、左股内、右股内、右股外。Xij是指在800 根轨枕单元区段中弹条离缝幅值；j＝1，2，…，n；i ＝1，2，3，4。是指在800 根轨枕单元区段中弹条离缝平均值。n 是采样点的个数（800 根单元区段中每根采集一个点，n＝800）。800 根取样，一般无砟轨道的轨枕间距为625 mm，800 根轨枕单元间距为500 m，便于现场检修和数据汇总。

以具体检测的10 km 范围为例，筛选出800 套扣件离缝值平均值，如K9+000-K9+500 段扣件离缝值平均大，说明该段扣件状态差。区段内扣件离缝平均值见表4。

表4 区段内扣件离缝平均值

数据离散度说明该段范围内的扣件离缝值波动大，大值超限个数集中在该500 m 范围内。K5+000-K15+000 离缝值标准差见表5。

由表5 可知，该段范围扣件弹条的超限离缝值主要集中在K9+000-K9+500 范围内，在人员、设备及能力有限的情况下优先安排此段范围。

表5 K5+000-K15+000 离缝值标准差

3.3 研发专用的复紧设备

不适用固定扭力矩方式来旋紧螺旋道钉，而是根据离缝值的大小来换算成螺杆的转动角度。WJ-8 型扣件的螺纹螺距为12.0 mm。WJ-8 螺旋道钉的螺距如图2 所示。

图2 WJ-8 螺旋道钉的螺距

按照弹条离缝值的数值来控制螺旋道钉的转动角度。为螺旋道钉转动角度与旋进距离对照，见表6。按照扣件的安装标准控制在0.5 mm 以内，避免弹条受到过大的螺旋道钉压力而变形，影响弹条使用寿命。

表6 为螺旋道钉转动角度与旋进距离对照表

（1）研发单个扣件复紧扳手。一种把检测的数据整体导入的扭力扳手内进行自动判别，对每个扣件的紧固，对离缝值为0 无法判别。离缝值为0 的扣件先松开扣件螺栓转动90°，再次进行测量，根据离缝值进行复紧。

（2）研发单个检测复紧一体扳手。一种即时维修复紧扳手，维修对单个扣件进行先测量离缝值，再根据离缝值的数值折算成螺栓的转动角度，转换成螺栓机套筒头的转动角度。复紧后再进行复检。

（3）研发多个扣件同步复紧设备。一种大型养路机械复紧的设备，一次复紧多个扣件，以单元板结构的扣件个数为单位。

3.4 加强现场作业控制，加强作业标准化

每次松开扣件后，禁止将螺杆放置到轨道板或者道床上而沾污螺栓，影响扭力矩套管与螺栓的咬合度。需对螺杆丝扣部分进行擦拭清洗，重新涂润滑油。螺栓套管内定期涂油，灌注润滑油，保持套管的润滑，延长设备使用寿命。

3.5 扣件弹条实施单元管理

依据不同的外部环境进行相应管理。特殊桥梁地段，路基地段，站线股道、道岔内，路桥（路隧、桥隧）结合部地段，有砟与无砟结合部地段，小半径曲线地段，TQI 数据离散度大的优先安排。

3.6 提高扣压力精确度

扣件厂家应提高螺旋道钉和预埋套管的加工精度，扣件维护部门应保证预埋套管中有一定量的防护油脂。保持螺旋道钉和预埋套管间间隙的均衡，减少扣件的差异性，来提高扣件扣压力的准确性。

4 结论

（1）通过扣件安装状态检查仪可实现对扣件弹条中部与绝缘块间隙检测，可将离缝值转换为扣件扣压力，进而为扣件复紧实现扣压力可控提供了方法。通过对扣件扳手的研发，可以实现精确控制弹条扭力矩，既实现扣件的扣压力，又不影响扣减的使用寿命。

（2）加强扣件的养护，按周期安排检测，监控扣件整体工作状态，精细化扣件的单元式管理，及时更换伤损失效的扣件，减少对运输干扰。

（3）结合单个扣件缺失、断裂、歪斜和扣压力复紧状态图来合理安排人工复紧。扭力矩过大比扭力矩不足所造成弹条伤损更大。所以，加强弹条离缝值为0 的判定，一种原因是弹条与绝缘块接触临界值，另外一种原因是螺旋道钉扭力矩过大导致弹条已经变形。

铁路工务养护是一个系统工程，扣件系统作为钢轨与轨枕的唯一联结零件，在各种复杂自然环境下工作，承受着钢轨传递过来的垂直力、钢轨温度应力传递过来的横向力，在高频荷载作用的反复振动，都会影响扣件的使用寿命，必须及时更换失效扣件，才能确保工务设备的稳定，更好地为运输服务。