GJ-III型減振扣件技術及經(jīng)濟研究

單華軍，喬小雷，田 間

（1.西安地鐵運營分公司，陜西 西安 710016；2.南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 210012；3.西安超越機電技術有限責任公司，陜西 西安 710077）

GJ-III型減振扣件技術及經(jīng)濟研究

單華軍1，喬小雷2，田 間3

（1.西安地鐵運營分公司，陜西 西安 710016；2.南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 210012；3.西安超越機電技術有限責任公司，陜西 西安 710077）

地鐵車輛在行使過程中由于車輪與鋼軌的撞擊，產(chǎn)生沖擊波和噪聲對周圍環(huán)境造成很不利影響，如何解決軌道交通中振動和噪聲對環(huán)境的破壞和對居民生活的影響，成為人們關注地鐵建設的焦點，也成為城市軌道交通建設能否可持續(xù)發(fā)展的關鍵。文章結合南京地鐵一號線、西安地鐵二號線線路減振改造工程，通過比較克隆蛋扣件及GJ-Ⅲ扣件在地鐵線路中減振效果的優(yōu)劣，提出更加合理的減振措施方案。

地鐵；減振措施；經(jīng)濟研究

［DOI］10.13939／j.cnki.zgsc.2016.46.031

1 概 述

根據(jù)鐵路運營經(jīng)驗和對軌道破壞機理的研究，鐵路軌道是一個不完全的工程結構物，它與其他工程結構物相比較，呈現(xiàn)出一個明顯的工作特征，鐵路軌道結構是處于邊運營、邊破壞、邊維修的動態(tài)工程結構物，這是由于軌道的破壞力一直客觀存在，軌道經(jīng)常處于不穩(wěn)定狀態(tài)，每一趟列車通過后對軌道都將造成一定的破壞量，大運量、高密度的城市軌道鐵路更加劇了對軌道的破壞力，大大增加了列車運營安全風險和軌道養(yǎng)護維修工作量。因此，多角度完善和強化軌道結構，實現(xiàn)運營行車安全與養(yǎng)護維修周期、工程建設投資與養(yǎng)護維修成本的合理匹配，才能確保城市軌道交通整體效益的最大化，確保行車安全可靠及減振降噪環(huán)保要求。［1］

2 中等減振軌道扣件系統(tǒng)

鐵路軌道扣件系統(tǒng)上是上連接車輛鋼軌，傳遞列車輪軌沖擊荷載，下連接軌道道床路基的關鍵部件，對鐵路軌道安全、維修、運營成本有直接影響，因此選擇能穩(wěn)定強化軌道結構、方便軌道養(yǎng)護、減少軌道維修的扣件系統(tǒng)非常關鍵。GJ-III型減振扣件針對城市軌道交通線路安全舒適性及環(huán)保要求的特點，推薦對中等減振地段及普通路段的軌道系統(tǒng)選用由中國重工洛陽雙瑞橡塑科技有限公司原創(chuàng)開發(fā)的新型GJ-III型減振扣件（2015年獲國家火炬計劃項目），［2］如圖1所示：①扣件垂向剛度15+／-5kN／mm；②扣件軌頭橫向剛度15+／-5kN／mm；③扣件預緊力＞5kN。

圖1 GJ-III型減振扣件

GJ-III型減振扣件主要由軌下彈性墊、上鐵墊板、中間彈性墊、下鐵墊板和絕緣自鎖套等組成，具有優(yōu)良的動態(tài)減振性能，屬于中等減振扣件，與普通扣件相比隔振效果提高8dB以上，能有效地控制鋼軌波浪磨耗的發(fā)展。該系統(tǒng)結構緊湊、重量輕，安裝及維修方便，既可用于城市軌道交通新線鋪設、舊線改造，也適用于高架線小阻力路段，具有廣泛適應性。［3］

3 GJ-III型減振扣件系統(tǒng)技術和安全可靠性

GJ-III型減振扣件系統(tǒng)在國內城市軌道交通經(jīng)過近十年運行檢驗和不斷修改完善，形成了自身鮮明的獨特優(yōu)勢。GJ-III型減振扣件及同類減振軌道系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 GJ-III型減振扣件系統(tǒng)與其他同類系統(tǒng)主要技術參數(shù)

3.1 GJ-III型減振扣件系統(tǒng)技術

3.1.1 非粘接無螺栓可拆卸式結構

上鐵墊板和下鐵墊板之間的連接采用專利技術絕緣自鎖套實現(xiàn)密封自鎖，［4］現(xiàn)場組裝和拆卸方便，便于調節(jié)及零部件更換，安裝及維修費用低；上鐵墊板和下鐵墊板采用非粘接無螺栓密封連接能夠充分發(fā)揮中間彈性墊的彈性作用，同時傳遞縱向和橫向力及翻轉力矩，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，耐環(huán)境污染，安全可靠。

3.1.2 扣件系統(tǒng)自身預緊力可調

扣件上鐵墊板和下鐵墊板之間的預緊力可通過自鎖機構中的調整墊片進行現(xiàn)場調整，有效地解決了傳統(tǒng)雙層減振扣件中上鐵墊板與下鐵墊板之間因安裝施工誤差或長期運營磨損造成的離縫問題，滿足線路安裝調整及維修需求。可調預緊力自鎖機構滿足彎道及過渡段對不同鋼軌扣件預壓力的要求。

3.1.3 扣件上拔阻力大，安全可靠

扣件上拔力不受自鎖機構影響，由錨固系統(tǒng)固定，上拔阻力更大，大大提高了軌道的安全系數(shù)和延長了扣件的使用壽命。

3.1.4 有效改善鋼軌波磨

優(yōu)化了扣件上鐵墊板的固有頻率及扣件系統(tǒng)連接剛度，有效改善鋼軌波磨發(fā)展。

3.1.5 非線性彈性墊板

采用了專利技術“非線性高扭抗減振墊板”設計；低載荷低剛度，高載荷高剛度；具有過載保護功能，安全性好。

3.1.6 現(xiàn)場檢修方便

扣件系統(tǒng)自鎖機構設置于扣件上部，并密封防塵，所有零部件可見，方便現(xiàn)場檢查及維修；對于自鎖機構零部件調整及更換不需移動鋼軌及拆卸軌距塊和軌下彈性墊等，只需打開錨固螺栓（及彈條），旋轉絕緣自鎖套，可實現(xiàn)現(xiàn)場調節(jié)扣件預緊力或更換自鎖機構零部件等。

3.1.7 低剪切錨固螺栓連接結構設計

扣件彈性系統(tǒng)及錨固連接系統(tǒng)功能分離，下鐵墊板與承軌臺之間設計了一層絕緣耦合墊板，扣件系統(tǒng)承受的橫向力由下鐵墊板、耦合墊板及承軌臺面之間的摩擦力抵消，錨固螺栓基本不承受剪切力，安全可靠；錨固螺栓不受剪切，可減小螺栓直徑或減少螺栓數(shù)量，降低工程造價。

3.1.8 強大的軌道調整能力

設置了多種軌距調整方式：軌距塊及調距狹槽等；扣件下設計絕緣耦合板及調高墊板，可實現(xiàn)鋼軌正負調高。

3.1.9 過渡段適應性

扣件系統(tǒng)具有良好的線路適應性，其接口類型、安裝尺寸及剛度等指標，可根據(jù)要求較容易地進行設計；產(chǎn)品能安裝于各種不同結構的軌枕或道床，也適用于道岔、接頭等特殊段，可保證全線扣件的一致性。

3.1.10 多重絕緣設計

通過橡膠彈性墊、絕緣軌距塊、尼龍?zhí)坠堋⒔^緣自鎖套及絕緣耦合墊板等實現(xiàn)多重絕緣電阻抗。

3.1.11 安裝與維護

GJ-Ⅲ型上部自鎖預緊式雙層非線性減振扣件安裝與地鐵常規(guī)普通扣件安裝方式基本相同，扣件上鐵墊板及下鐵墊板和中間彈性墊通過絕緣自鎖套實現(xiàn)出廠前預組裝，現(xiàn)場安裝將扣件和耦合墊板依次擺放于軌枕或承軌臺上，先行將錨固螺栓擰緊，然后安裝鋼軌，擺放軌距塊，安裝彈條，調整軌道狀態(tài)，即完成安裝。該扣件系統(tǒng)適合從上至下的施工方法也適合從下至上的施工方法。

扣件設計免維修，對于扣件的日常養(yǎng)護維修無須特殊要求，可根據(jù)使用者的使用情況和養(yǎng)護維修條例，比照常規(guī)普通扣件進行檢查和養(yǎng)護。

3.2 GJ-III型減振扣件可靠性

第一，GJ-III型減振扣件經(jīng)驗豐富、技術成熟可靠。GJ-III型減振扣件系統(tǒng)在中等減振應用占市場份額的90%以上，幾乎所有的國內地鐵都在應用。自2009年以來，在線運營300公里，在建100多公里。GJ-III型減振扣件在中等減振降噪軌道上的應用已經(jīng)非常成熟，贏得了廣大用戶的好評和信賴。

第二，GJ-III型減振扣件根據(jù)城市軌道交通小半徑大運量和少維修要求等特點及環(huán)保要求，系統(tǒng)更安全可靠，并有效地控制鋼軌波浪磨耗的發(fā)展，大大地延長鋼軌打磨等維修周期及減振降噪穩(wěn)定性。

4 GJ-III型減振扣件控制鋼軌橫向動態(tài)位移及振動和鋼軌波浪磨耗的增長

根據(jù)鋼軌波浪磨耗產(chǎn)生和發(fā)展的機理，減緩及控制鋼軌波浪磨耗需要降低輪軌柔度差及鋼軌振動，特別是在輪軌系統(tǒng)在鋼軌橫向的柔度差及鋼軌軌頭的橫向振動。

正常情況下，在中低頻段車輪的動態(tài)阻抗一般比鋼軌高，因此，輪軌之間的相互作用力及振動沖擊會反作用回到鋼軌，從而引起鋼軌更大的振動。在這種頻率下的振動越大，沿鋼軌踏面的波浪磨耗（波峰—波谷）就會越大，反過來這種波浪磨耗又加大了對輪軌之間的激勵，圖2是典型的普通扣件軌道曲線段的鋼軌波浪磨耗狀態(tài)。所以，降低鋼軌的振動幅度對控制鋼軌波浪式磨耗發(fā)展非常重要。控制鋼軌的振動有很多不同的方式，比如：提高鋼軌的阻抗或提高鋼軌阻尼。［5］

圖2 普通扣件鋼軌波磨

4.1 不同橫向剛度中等減振扣件的動態(tài)變形及振動水平

低剛度扣件具有較好的隔振效果，例如城市軌道交通大量使用的克隆蛋軌道減振器扣件，圖3（a）是典型的克隆蛋扣件系統(tǒng)，扣件的彈性層由軌下彈性墊及在鑄鐵承軌座和鑄鐵安裝底座之間的硫化橡膠層來提供，其垂向剛度范圍由普通扣件的50～100MN／m降低到10～20MN／m，其橫向剛度由普通扣件的10～20MN／m降低到4～7MN／m，但垂向剛度的降低可能會導致軌道橫向剛度的大幅度下降，增加鋼軌垂向變形的同時大大地增加了鋼軌的橫向變形，從而加劇鋼軌的振動和波磨，使車輛噪聲增大，舒適性降低。

GJ-III型減振扣件屬于雙層非線性抗扭減振扣件是利用非線性軌下彈性墊及兩層底板之間非硫化非線性彈性層保證低的垂向剛度和高的軌頭橫向剛度（10～15MN／m），更重要的是鋼軌與承軌臺由彈條提供的預壓力高阻抗同樣通過預緊的兩底板之間彈性層與道床連接，保證系統(tǒng)的動態(tài)阻抗及穩(wěn)定性，提高鋼軌的阻抗來降低鋼軌的振動幅度及動態(tài)變形來控制輪軌之間的橫向相對橫向滑動，有效地抑制了鋼軌的振動及傳遞，降低鋼軌噪聲輻射及鋼軌波磨。圖3（b）為GJ-III型減振扣件。

為了比較兩種不同橫向剛度對鋼軌波浪磨耗的影響，在南京地鐵一號線路某A站至某B站下行線K7+429～K7 +917區(qū)間對現(xiàn)有的克隆蛋扣件進行部分更換對比試驗，2014年12月19日對現(xiàn)有路段進行鋼軌打磨，2015年1月15～16日將K7+600～K7+675區(qū)間原克隆蛋減振器扣件更換為GJ-III型減振扣件。更換后對兩種扣件系統(tǒng)在相同的運營條件（6節(jié)編組A型車）及相同時間比較鋼軌的動態(tài)變形及波浪磨耗發(fā)展狀態(tài)，其中鋼軌波磨每月測試及跟蹤比較直到下次維修打磨周期，這里給出的結果周期大約為200天（2014年12月19日到2015年7月7日）中6次波磨測試結果。試驗段為同一半徑350m的曲線段，車速65km／h。［6］

鋼軌軌頭的橫向最大動態(tài)變形如表2所示，可以看出軌頭的橫向動態(tài)位移在GJ-III型減振扣件地段相對克隆蛋扣件有明顯的改善，波浪磨耗較嚴重的低軌橫向位移在GJIII型減振扣件相對克隆蛋降低約1／3。表3是鋼軌在兩種扣件上的鋼軌軌腰處橫向振動對比，橫向振動GJ-III型減振扣件相對克隆蛋降低3～4dB。

圖3 減振扣件（鋼軌打磨后）

表2 鋼軌動態(tài)變形 （mm） 車速65km／h

表3 鋼軌軌腰處橫向振動對比

同時，在西安地鐵二號線大明宮西站至龍首原站下行線K9+400～K9+694區(qū)間GJ-III型減振扣件與克隆蛋扣件在運營5年來的鋼軌磨耗進行對比，其中鋼軌波磨每月測試及跟蹤比較直到下次維修打磨周期，結果與南京地鐵一致。

4.2 不同橫向剛度對鋼軌粗糙度發(fā)展的影響

對兩種等效垂向隔振效果但不同橫向剛度的中等減振扣件系統(tǒng)克隆蛋軌道減振器和GJ-III型減振扣件安裝在同一曲線半徑350米的線路在線運營條件下鋼軌粗糙度的發(fā)展進行實際跟蹤測試，對粗糙度按行車速度進行頻譜轉換及A計權分析給出等效總粗糙度級并按打磨的時間天數(shù)分類如圖4所示。

圖4 鋼軌粗糙度發(fā)展

隨著時間的推移，克隆蛋扣件區(qū)間高低軌波磨明顯嚴重，除原有發(fā)展嚴重的低軌波長80mm，高軌波長63mm外，低軌波長40mm波磨逐漸顯現(xiàn)并持續(xù)加重。鋼軌打磨大約200天后低軌粗糙度增加了18.3dB，高軌增加了15.2dB；對于新打磨的克隆蛋扣件區(qū)間鋼軌，2個月內低軌波磨增加13.4dB，高軌波磨增加5.4dB，克隆蛋扣件鋼軌波磨發(fā)展快。

GJ-III型減振扣件區(qū)間試驗段也存在波磨是原有波磨在更換前的克隆蛋扣件存在，但粗糙度幅值在前四個月逐漸降低，總體上在半年運行后的波磨粗糙度水平基本沒有變化。

把克隆蛋減振器扣件在不同地段按打磨后運行時間分類，對GJ-III型減振扣件波磨水平的起點仍是原來在克隆蛋減振扣件打磨18天后更換時的狀態(tài)繪在同一張圖3（b）中。從圖中可看出克隆蛋減振器扣件低軌在打磨后第一個月增長很快，月增長10dB左右，后續(xù)增長速度減慢平均約每月2dB；高軌的波磨水平相對低軌低，并增長基本上是線性，平均每月增加2.7dB。而GJ-III型減振扣件的波磨在更換時的中等水平基礎上基本上沒有變化。

兩種不同扣件鋼軌打磨5個月后的表面狀態(tài)如圖5所示。

圖5 鋼軌打磨5個月后表面狀態(tài)

通過在線比較在正常地鐵運營條件下安裝在曲線半徑350米軌道的兩種不同橫向剛度中等減振扣件克隆蛋減振器及新型預緊式雙層非線性減振扣件線路段鋼軌橫向動態(tài)變形和橫向振動及其鋼軌波浪磨耗發(fā)展的實際跟蹤測試，測試結果發(fā)現(xiàn)克隆蛋減振器扣件鋼軌隨時間其波浪磨耗發(fā)展很快，特別在打磨后一兩個月內，月增長高達10dB左右，鋼軌打磨大約200天后低軌粗糙度增加18.3dB，高軌增加15.2dB；而預緊式雙層非線性線減振扣件使用半年來鋼軌的波浪磨耗基本沒有變化。由于鋼軌相對車輪的橫向變形和振動直接產(chǎn)生輪軌接觸面之間相對滑動摩擦磨損，在橫向p-p頻率附近較高的鋼軌振動導致短波長（20～80mm）鋼軌波浪磨耗的產(chǎn)生和發(fā)展，而在P2共振頻率附近鋼軌橫向高柔度高振動會導致中長波長（100～300mm）鋼軌波浪磨耗的加劇，通過兩種不同橫向剛度減振扣件上鋼軌波浪磨耗的對比試驗表明降低輪軌橫向柔度差變及控制鋼軌橫向振動是有效抑制減振軌道系統(tǒng)鋼軌波浪磨耗的形成與發(fā)展的關鍵措施之一。可以看出上部自鎖預緊式GJ-III型減振扣件能夠降低鋼軌波浪磨耗的發(fā)展。

5 GJ-III型減振扣件系統(tǒng)養(yǎng)護維修便利性

鐵路軌道結構是處于邊運營、邊破壞、邊維修的動態(tài)工程結構物的特性，尤其是長時間高密度日運營的地鐵鐵路，方便軌道養(yǎng)護維修是扣件系統(tǒng)選型的一個重要指標。

GJ-III型減振扣件系統(tǒng)的“預緊”分離式“自鎖”具備在線重復裝卸及預緊力可調等特征，可在工廠預安裝、軌道鋪設、養(yǎng)護維修時可以打開養(yǎng)護再安裝。特別對于更換易耗零件例如中間彈性橡膠墊，因非硫化設計只需要在現(xiàn)場打開錨固螺栓及自鎖尼龍?zhí)拙涂筛鼡Q橡膠墊，金屬件可多次重復使用，大大地降低了維修及更換成本。

6 GJ-III型減振扣件全壽命經(jīng)濟性分析比較

GJ-III型減振扣件系統(tǒng)由于無螺栓緊固、結構簡單、零部件少，日常養(yǎng)護維修量很少，尼龍橡膠件其平均使用壽命超過25年，能與鋼軌及軌枕壽命同步，金屬件壽命至少是尼龍橡膠件4倍以上，對于軌道交通是百年大計，其軌道設計壽命一般也考慮100年以上的設計要求，這里根據(jù)目前國內地鐵建設及運營維修情況對鋼軌及扣件彈性墊板按使用50年全壽命做成本分析比較，估算中主要針對扣件系統(tǒng)中易耗彈性元件及鋼軌的使用維修但不包含因鋼軌波浪磨耗引起的軌道及車輛其他零部件如扣件彈條、車輪磨耗等的維修費用，對比分析如表4所示。

從表4可以看出，普通扣件軌道系統(tǒng)全壽命成本是GJ-III型減振扣件的2.5倍，硫化型減振器全壽命成本是GJ-III型減振扣件的11.3倍，換句話說，若使用GJ-III型減振扣件系統(tǒng)按50年運營期計算相對普通扣件每公里可節(jié)省653萬元以上，相對硫化型減振器扣件每公里可節(jié)省4562萬元以上。

7 結 論

GJ-III型減振扣件系統(tǒng)大大地提高了軌道系統(tǒng)的安全性和可維修性，相對普通扣件減振效果8-10dB，能夠降低鋼軌波浪磨耗，其全壽命增加比普通扣件高一倍多；相對硫化型減振器扣件大大降低鋼軌波浪磨耗，扣件全壽命相對硫化型減振器增加十倍以上。

表4 使用50年全壽命成本分析

續(xù) 表

注：（1）扣件更換按施工安裝進度及費用估算；（2）打磨費用按國內打磨車／壽命／磨石等估算：打磨車2000萬元折舊10年，每年打磨11月×8次，每次200米，磨石4000元／年，柴油300元／次，人力600元／次；（3）鋼軌材料及更換費用按目前國內地鐵用鋼軌統(tǒng)計平均壽命及參考最大磨耗量報廢估算；（4）鋼軌打磨費及鋼軌更換費用數(shù)據(jù)來自南京地鐵運營維保中心實際費用統(tǒng)計；（5）GJ-III型減振扣件打磨周期按運營1年波磨發(fā)展測試結果估算；（6）估算中不含彈條更換費用（鋼軌波磨高，鋼軌振動高，彈條斷裂率高其更換頻率高）。

［1］Vincent N，Bouvet P.Thompson D J，Gautier P E.Theoretical Optimization of Track Components to Reduce Rolling Noise［J］.Journal of Sound and Vibration，1996，193（1）：161-171.

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［4］A Wang，Z Wang，Z Zhao et al.Effects of Track Stiffness and Tuned Rail Damper on Rail Roughness Growth and Rail Vibration Levels on Metro Systems［J］.Springer Berlin Heidelberg，2015（126）：667 -674.

［5］洛陽雙瑞橡塑科技有限公司.南京地鐵1號線南京南站至雙龍大道下行線GJ-32扣件軌道動態(tài)特性及鋼軌波磨發(fā)展測試分析報告［Z］.2015.

［6］A Wang，Z Wang，Z Zhang，et al.Effects of Rail Lateral Dynamic Deflection and Vibration Level on Rail Corrugation Development ［Z］.12th International Workshop on Railway Noise，2016.

單華軍（1975—），男，漢族，陜西紫陽人，大學本科，工程師。研究方向：鐵道工程；喬小雷（1981—），男，漢族，江蘇鹽城人，工程碩士。研究方向：土木工程；田間（1960-），男，漢族，遼寧鐵嶺人，研究生，工程師。研究方向：機械工程。