一款新型非對稱軌道減振扣件的設計

李金衛(wèi) 黃友劍

（中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，高級工程師）

軌道扣件是用來固定鋼軌的聯(lián)接件，并通過錨固螺栓將鋼軌牢固地鎖定在道床上的正確位置。由于列車運行時輪軌沖擊振動較大，因此在軌道扣件上設計有彈性墊板和扣壓彈簧，為軌道提供必要的緩沖［1－2］。隨著城市軌道交通的發(fā)展，出于減振降噪要求的需要，不同類型的減振型扣件相繼產(chǎn)生。

眾所周知，要達到減振降噪的目的，就必須降低軌道垂向支撐剛度，提供足夠的緩沖，減小輪軌沖擊的作用力。但是，當軌道的垂向支撐剛度降低后，軌道的垂向位移加大，從而使得軌道的橫向穩(wěn)定性變差，影響軌道安全。這是一對矛盾：既要降低軌道垂向支撐剛度，又必須保證鋼軌橫向穩(wěn)定。

1 現(xiàn)有減振扣件的基本概況

普通扣件的軌下支撐剛度較大，一般在70kN／mm左右，因而其垂向位移較小，橫向穩(wěn)定性較好。而減振型扣件的垂向剛度一般在25kN／mm以下。圖1所示的軌道減振器扣件，采用了完全對稱的設計結構，其垂向剛度為12kN／mm。當鋼軌在垂向40kN、橫向20kN的力作用下，軌道的垂向位移達3.3mm，橫向位移達3.8mm。

圖1 對稱性減振器扣件

圖2 所示的先鋒扣件，為提高軌道的橫向穩(wěn)定性采取了支撐軌頭的方式，其垂向鋼度為7kN／mm。當鋼軌在垂向40kN、橫向20kN的力作用下，軌道的垂向位移達到5.7mm，橫向位移只有1mm。

2 理論分析及設想

列車運行時，軌道在承受垂向載荷的同時也承受著從鋼軌內(nèi)側(cè)向外作用的橫向載荷，特別是在小半徑彎道，其橫向作用力更大。因此，為保持鋼軌的橫向穩(wěn)定和軌距，必須在扣件的設計上采取能克服橫向力的特殊結構。

圖2 先鋒扣件

軌道減振扣件在垂向力P和橫向力f的作用下，其軌頭橫向位移來自兩個方面，一是鋼軌與承軌板整體橫向水平位移，二是以鋼軌外側(cè)的承軌板為支點的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)位移，這兩個位移之和構成軌距擴張。為此，在設計上對減振扣件的鋼軌內(nèi)、外側(cè)結構采取不對稱的結構設計（見圖3）。這種設計能使鋼軌外側(cè)有效限制承軌板水平位移及偏轉(zhuǎn)，并可達到軌道橫向穩(wěn)定性的目標。

圖3 非對稱減振扣件

3 結構設計

基本設計參數(shù)：車輛軸重160kN，車速80km／h，鋼軌為60kg／m軌，軌距1 435mm，軌枕間距625mm，軌底坡1∶40，彈條為Ⅲ型彈條，扣件節(jié)點剛度為9～12kN／mm。按圖4所示的受力分布進行垂向受力計算，P＝160kN／2×40%＝32kN。橫向力f按25kN計算。

圖4 鋼軌支撐節(jié)點受力分布圖

扣件采用外型為蛋形、彈性材料為剪切型的基本結構。整體由承軌板、橡膠圈和底座三部分組成。其結構如圖5所示。鋼軌外側(cè)的底座高度設為70mm，剪切型橡膠形面傾角設為75℃，鋼軌內(nèi)側(cè)的底座高度設為55mm，剪切型橡膠形面傾角設為70℃。

圖5 非對稱設計軌道減振扣件

4 計算機有限元分析計算

4.1 模型及計算參數(shù)

由于非對稱軌道減震扣件的結構特征和垂、橫向加載特性都具有對稱特性，因此，模擬非對稱軌道減震扣件的垂向和橫向特性可以使用對稱模型進行。網(wǎng)格劃分軟件采用HYPERMESH，網(wǎng)格布局及網(wǎng)格劃分以適應大變形為考量；分析擬采用非線性的ABAQUS軟件，其中橡膠部位采用CAX4H單元，鐵件部位采用CAX4R單元。其有限元模型及加載工況如圖6所示。

圖6 軌道減震器對稱模型

橡膠材料在拉伸、壓縮或剪切載荷的作用下所形成的載荷位移曲線，是其彈性、粘性，以及應變速率和Mullins效應共同作用的結果。在加載速率低于10mm／min，重復測試多次后形成的載荷位移特性曲線可以視為完全彈性的剛度曲線［3－4］，由于這種彈性在橡膠被扯斷前一直保留，因此描述這一特性的本構模型稱為超彈模型。在計算非對稱軌道減震扣件的靜態(tài)特性時，通常鐵件部分選擇線彈性模型，橡膠部分選擇超彈本構模型進行模擬，在本分析中，非對稱軌道減震扣件的橡膠材料參數(shù)使用一階多項式進行擬合，其中參數(shù)0.42MPa、0.12MPa用來描述材料的彈性變形行為；而其體積壓縮特性則是根據(jù)經(jīng)驗大致定義［5］。分析所使用的本構模型見表1。

表1 計算用本構模型

4.2 應變結果及剛度特性曲線

有限元分析預測結果見圖7。載荷位移特性曲線如圖8所示。由圖7、圖8可知，非對稱結構軌道減震扣件在垂向承載工況作用下，橡膠材料的應變最大值為0.31%，且其垂向載荷位移特性曲線基本為線性，表明橡膠元件在承載過程中橡膠材料始終處于線性狀態(tài)，而這非常有益于提高橡膠元件的疲勞壽命；非對稱結構的軌道減震扣件在橫向載荷作用下，其承載時橡膠材料的應變分布均勻，最大為0.51%，而且其橫向載荷位移特性曲線也表現(xiàn)為線性。根據(jù)天然橡膠材料疲勞壽命的基礎設計準則［4］評估，在此工況下，橡膠懸架的疲勞壽命可達到200萬次的設計要求。因此，非對稱特征的扣件結構能滿足設計要求。

圖7 軌道減振器垂向應變和橫向應變云圖

圖8 非對稱軌道減震扣件垂、橫剛度特性曲線

4.3 非對稱結構的穩(wěn)定性

分析結果也表明，采用非對稱結構設計可以提高鋼軌的橫向穩(wěn)定性，當鋼軌在30kN橫向力的作用下，承軌板的橫向位移控制在1mm以內(nèi)。

5 試驗檢測結果

非對稱結構靜剛度試驗的特征曲線如圖9所示，其垂向的線性剛度為8.6kN／mm，軌頭橫向位移為2.6mm。試驗結果與分析結果的比較見表2。由表2可知，非對稱軌道減振扣件在設計上是合理的，且分析結果與試驗結果在工程上具有非常高的吻合性。

表2 試驗結果與分析結果的對比

圖9 非對稱結構的靜剛度試驗特征曲線

6 結語

通過對減振型扣件鋼軌內(nèi)、外側(cè)的結構進行非對稱性設計，可以進一步降低扣件垂向剛度，提高減振性能，同時保持鋼軌的橫向穩(wěn)定性。

［1］ 黃建濤，周耀.地鐵軌道減振器的應用效果［J］.振動與沖擊，2003（2）：96.

［2］ 焦金紅.軌道結構的減振降噪措施［J］.城市軌道交通研究，2002，5（1）：25.

［3］ 胡殿印，王榮橋.橡膠O形圈密封結構的有限元分析［J］.北京航空航天大學學報，2005（2）：23.

［4］ ABAQUS，Inc.Quasi－static analysis of a rubber bushing：Abaqus analysis user’s manual［G］.2007.

［5］ 黃友劍.城市地鐵軌道減振器結構及性能研究［R］.株洲：株洲時代新材料科技股份有限公司，2004.