城市軌道交通橫向擋肩式高性能減振扣件技術(shù)研究及應(yīng)用

馬佳駿 冉 蕾 孫井林 潘 濤 黃 慶

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055; 2.洛陽科博思新材料科技有限公司，河南洛陽 471026)

1 概述

近年來，隨著以地鐵、市域鐵路為代表的城市軌道交通系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，有力緩解了城市交通的擁堵局面。與此同時，軌道交通產(chǎn)生的振動與噪聲污染也給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大困擾。鋼軌扣件作為鋼軌與軌枕之間的連接部件，起到固定鋼軌、減振降噪的功能。目前，地鐵減振扣件產(chǎn)品主要分為3種：①剪切型軌道減振器扣件(如科隆蛋、I型軌道減振器扣件)；②整體硫化式壓縮型減振扣件(如LORD扣件等)；③分離式壓縮型減振扣件(如雙層非線性減振扣件)。

這些產(chǎn)品應(yīng)用的過程中，對振動控制起到了一定效果，但一些問題也逐漸暴露出來，比較突出的問題如下。

(1)軌道結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性較差

相較于普通扣件，減振扣件降低了垂向剛度，同時也減弱了抗橫向強度，導(dǎo)致動態(tài)軌距擴張較大，加劇列車運行過程中的車輪蛇形運動，容易引起軌面光帶不均勻或波磨等問題[1-3]，見圖1、圖2。

圖1 減振扣件地段彈條斷裂

圖2 減振扣件地段鋼軌波磨

(2)減振性能不足

壓縮型減振扣件垂向靜剛度為15～22 kN/mm，普通扣件垂向靜剛度為30 kN/mm，垂向靜剛度差異易導(dǎo)致減振扣件現(xiàn)場測試效果不滿足環(huán)評要求等問題[4-5]。

(3)互換性差

減振扣件組裝高度大于普通扣件，無法直接互換使用，需要通過抬高軌面順接的方式，增加線路碎坡；接觸軌供電方式的線路需抬高接觸軌，減少了接觸軌調(diào)整量。

綜上所述，為解決減振扣件存在的問題，開展新型減振扣件系統(tǒng)研究很有必要。

2 減振扣件結(jié)構(gòu)研究

2.1 設(shè)計參數(shù)取值

(1)疲勞載荷

根據(jù)地鐵線路、軸重、設(shè)計速度等工程條件，參照EN 13481—5—2012《鐵路設(shè)備.軌道.緊固件系統(tǒng)的性能要求無砟軌道扣件》，B類扣件疲勞載荷：垂向力R=43 kN，橫向力H=34 kN，適用于扣件穩(wěn)定性(鋼軌位移)檢算和組裝疲勞性能檢驗。

(2)設(shè)計荷載

根據(jù)相關(guān)扣件載荷測試[6]，車輪扁疤及線路狀況的劣化對扣件節(jié)點受力影響較大，實測扣件節(jié)點力最大值為疲勞荷載值1.25倍，故扣件設(shè)計載荷取垂向力R=54 kN，橫向力H=42.5 kN。

(3)靜剛度

本次研究目標(biāo)為減振效果≥8 dB，根據(jù)靜剛度經(jīng)驗公式，扣件節(jié)點垂向剛度宜為12 kN/mm，計算鋼軌動態(tài)下沉量為2 mm。為控制軌頭動態(tài)位移，扣件彈性層采用“上硬下軟”搭配[7-9]。

(4)軌距、高低調(diào)整量

扣件軌距調(diào)整量為+24/-28 mm，高低調(diào)整量為40 mm，滿足無砟軌道軌距加寬、施工誤差等的調(diào)整要求。

2.2 扣件結(jié)構(gòu)方案

為解決前述減振扣件存在的問題，在既有雙層非線性減振扣件結(jié)構(gòu)型式基礎(chǔ)上，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，即TSF型減振扣件。

(1)提高橫向剛度

扣件下鐵板兩側(cè)設(shè)置橫向限位擋肩，上鐵板和下鐵板之間設(shè)橫向擋塊，以提高扣件的橫向剛度，進(jìn)而提高扣件的動態(tài)軌距保持能力以及軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，見圖3。

圖3 減振扣件地段鋼軌波磨

另外，橫向剛度的增加也給進(jìn)一步降低扣件的垂向剛度帶來新的空間。既有中等減振扣件剛度多為15～18 kN/mm，TSF型減振扣件垂向剛度設(shè)計值取12 kN/mm，以保證扣件具有較高的減振量。

(2)嵌套式結(jié)構(gòu)設(shè)計

下鐵板中部設(shè)為空腔結(jié)構(gòu)，中間橡膠墊板一部分嵌入空腔內(nèi)，同時上鐵墊板中部凸出嵌入中間橡膠墊板內(nèi)，以實現(xiàn)扣件安裝高度的降低。扣件安裝高度為44 mm，可與普通扣件直接互換，見圖4。

圖4 嵌套式結(jié)構(gòu)

(3)上部自鎖式結(jié)構(gòu)設(shè)計

沿用上鎖式預(yù)組裝的通用設(shè)計，在下鐵板道釘孔處中空凸臺設(shè)置鎖緊機構(gòu)，配合尼龍連接套實現(xiàn)上鐵板、下鐵板、中間橡膠墊板和尼龍連接套的預(yù)組裝。減振器部分包括上鐵墊板、橫向擋塊、下鐵墊板、中間膠墊、上下鐵墊板鎖緊套，預(yù)組裝部分為一體，其余零部件與普通扣件通用，安裝及拆卸方式與普通扣件一致，見圖5、圖6。

圖5 上部自鎖式結(jié)構(gòu)及尼龍連接套

圖6 橫向擋肩式高性能減振扣件組裝示意

2.3 關(guān)鍵部件研究

相較于其他扣件，TSF型減振扣件具有橫向擋塊，能起到對上鐵墊板橫向的限位及緩沖作用。這一功能決定橫向擋塊材料應(yīng)具有優(yōu)異的耐磨性、適中的彈性模量，以及較好的絕緣性和耐老化性能。

對比研究硬質(zhì)材料(尼龍)和軟質(zhì)材料(聚氨酯)，兩者均具有良好的絕緣性和耐老化性能，故分別采用尼龍和聚氨酯材料進(jìn)行試驗。

(1)尼龍材料側(cè)面擋塊

組裝后有一定縫隙，且減振扣件還有上鎖結(jié)構(gòu)，剛性接觸會形成超靜定結(jié)構(gòu)，組裝較困難，動態(tài)組裝試驗后，尼龍擋塊存在明顯磨損(見圖7)。

(2)聚氨酯實體材料側(cè)面擋塊

該材料有一定的彈性，組裝后密貼性較好，動態(tài)試驗過程中，通過界面摩擦作用可與上鐵墊板聯(lián)動，另外聚氨酯材料耐磨性能在彈性材料中最優(yōu)，為側(cè)向擋塊的最合適材料(見圖8)。

因此，選用聚氨酯熱塑性彈性體材料(TPU)。

圖7 聚氨酯擋塊

圖8 尼龍擋塊

3 扣件性能理論分析

通過有限元理論分析[10-12]，檢算各部件強度和扣件穩(wěn)定性。

3.1 減振扣件零部件強度分析

(1)計算載荷說明

減振扣件系統(tǒng)在使用中，主要承受3種載荷。

①通過車輪傳遞至鋼軌的垂向載荷和橫向載荷；②錨固螺栓扭緊時，對扣件產(chǎn)生的向下壓緊載荷；③安裝彈條時，彈條和T形螺栓對扣件產(chǎn)生的載荷。

減振扣件受力情況見圖9。

圖9 減振扣件受力情況

(2)網(wǎng)格劃分

有限元計算網(wǎng)格劃分情況見圖10。

圖10 整體有限元計算網(wǎng)格模型

(3)設(shè)置邊界條件和加載

整體計算時，對TSF型減振扣件施加如下約束和載荷。

①鋼軌與軌下墊板、軌下墊板與上鐵墊板、上鐵墊板與中間橡膠墊，中間橡膠墊與下鐵墊板、下鐵墊板與耦合墊板之間采用接觸約束條件，耦合墊板下表面約束三向位移；

②上鐵墊板與橫向擋塊、橫向擋塊與下鐵墊板之間采用接觸約束條件；

③調(diào)距蓋板與尼龍?zhí)祝猃執(zhí)着c上鐵墊板之間采用接觸約束條件；

④對鋼軌頂部施54 kN的垂向載荷；

⑤對鋼軌頂部施加42.5 kN的橫向載荷；

⑥對鋼軌底部施加單邊10 kN的垂向載荷

⑦對每個彈條座施加10 kN垂向向下的載荷；

⑧對T形螺栓孔施加18 kN垂向向上的載荷；

⑨對每個錨固螺栓施加25 kN的螺栓載荷。

(4)扣件部件強度

扣件各部件強度檢算結(jié)果見表1，各部件應(yīng)力云圖見圖11～圖13，扣件各部件應(yīng)力水平均小于材料許用應(yīng)力，滿足強度設(shè)計要求[13-15]。

表1 扣件各部件強度檢算結(jié)果

圖11 上鐵墊板Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖12 下鐵墊板Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖13 中間膠墊Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

(5)扣件穩(wěn)定性計算

采用扣件疲勞荷載檢算，提取鋼軌軌頭橫向和垂向位移，驗證扣件穩(wěn)定性。

扣件工作狀態(tài)下鋼軌位移云圖見圖14、圖15，軌頂面以下15 mm位置鋼軌垂向位移為2.241 mm，橫向位移為1.713 mm，鋼軌軌頭的位移值滿足變形要求。

圖14 鋼軌垂向位移云圖

圖15 鋼軌橫向位移云圖

3.2 減振性能

鋼軌、道床、管片、土體均采用實體單元模擬，扣件采用彈簧/阻尼單元模擬，行車速度為100 km/h，模型見圖16。

圖16 地鐵車輛-軌道-隧道空間耦合動力分析模型

經(jīng)分析，TSF型減振扣件減振效果為8.2 dB，滿足研究預(yù)期目標(biāo)要求[16-18]。

4 扣件性能試驗

進(jìn)行扣件室內(nèi)組裝性能試驗，以測試扣件動靜剛度、疲勞性能，評判減振效果。其中，300萬次組裝疲勞試驗后，扣件各零部件無傷損，扣件疲勞測試前后靜剛度變化率為4.5%，縱向阻力變化率約6%，扣件單邊動態(tài)軌距擴張小于3 mm，軌底動態(tài)橫向位移量<2.5 mm，均滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

TSF型減振扣件與ZX-2型普通扣件、既有雙層非線性減振扣件軌頭動態(tài)橫移檢測結(jié)果見表2。

表2 各類型扣件軌頭動態(tài)橫移檢驗結(jié)果

由表2可知，TSF型減振扣件單股鋼軌軌頭動態(tài)橫移與普通彈性扣件相當(dāng)，約為既有雙層非線性減振扣件的1/2，主要作用是提高軌下膠墊剛度以及側(cè)向擋塊防傾翻。

5 在線性能測試

某地鐵3號線采用6輛編組，接觸網(wǎng)供電，最高運行速度為80 km/h。隧道內(nèi)試驗段鋪設(shè)情況見圖17。該段曲線半徑為350 m，行車速度約為60 km/h，采用ZX-2型扣件，長枕埋入式整體道床。

圖17 減振扣件現(xiàn)場鋪設(shè)

5.1 減振效果

TSF型減振扣件斷面的最大Z振級為80.02 dB，普通ZX-2型扣件斷面的最大Z振級為88.42 dB，TSF型減振扣件與普通扣件斷面的Z振級差值達(dá)8.4 dB(減振效果>8 dB)[19-20]。

5.2 1/3倍頻程分析

對1～80 Hz隧道壁、道床的1/3倍頻程加速度級進(jìn)行對比分析，得出如下結(jié)論。

(1)TSF型減振扣件對鋼軌6.3～80 Hz頻率分段的垂向振動有較好減振效果；在1～31.5 Hz及50～80 Hz頻段，對橫向振動有較好減振效果。

(2)TSF型減振扣件在6.3～31.5 Hz及50～80 Hz頻段，對隧道壁面的垂向振動加速度級有較好減振效果；在5～31.5 Hz及50～80 Hz頻段，對橫向振動有較好的減振效果。

5.3 鋼軌動態(tài)變形

鋼軌動態(tài)下沉量、軌頭橫移及軌距變化量對比見表3。

表3 鋼軌動態(tài)下沉量、軌頭橫移及軌距變化量對比 mm

由表3可知，TSF型減振扣件鋼軌動態(tài)下沉量和軌距變化量略大于普通扣件，曲線外股軌頭動態(tài)橫移與普通扣件相當(dāng)。

5.4 輪軌力與安全性

輪軌力和安全性對比見表4。

表4 輪軌力和安全性對比

TSF型減振扣件斷面和普通扣件斷面的輪軌力、脫軌系數(shù)和輪重減載率相當(dāng)，均滿足限值要求。

5.5 軌道平順性以及鋼軌波磨

采用跟蹤測試，檢驗減振扣件對軌道平順性以及鋼軌波磨的影響。研究發(fā)現(xiàn)，TSF型減振扣件更換前后，TQI值基本無變化，軌面短波不平順數(shù)據(jù)基本相當(dāng)，平均峰峰值有所減少。

6 結(jié)論

(1)采用橫向擋肩結(jié)構(gòu)，有效控制軌頭橫移，動態(tài)軌頭橫移小于既有減振扣件，實測軌頭橫移與普通扣件相當(dāng)，具有高穩(wěn)定性。

(2)橫向剛度的增加，進(jìn)一步降低扣件的垂向剛度，實測減振效果達(dá)8 dB，實現(xiàn)較高的減振效果及設(shè)計裕量。

(3)上下鐵墊板采用嵌套結(jié)構(gòu)，減小扣件組裝高度，可與普通扣件直接互換。

(4)采用彈性上鎖式結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)扣件預(yù)組裝，方便施工及維修更換。

(5)減振扣件對軌道平順性和鋼軌波磨的影響與普通扣件相當(dāng)。