城軌交通新型道岔減振扣件的設計開發

張 帆，孟 山，王志強，王金朝

(中國船舶集團公司第七二五研究所,洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,河南 洛陽 471023)

隨著城市軌道交通線路的增多及社會對環境噪聲污染重視水平的提高,對城市軌道交通線路舒適性要求也越來越高。對于減振區間線路,軌道的減振技術包括一般減振路段、中等減振路段、高等減振路段及特殊減振路段,每種路段對應的減振技術已逐步成熟。但對于道岔地段,由于岔區軌道結構的復雜性,其減振設計要復雜得多[1-2]。目前,道岔地段較常用的減振措施有道床減振和扣件減振兩種。其中道床減振有道床墊、鋼彈簧浮置板[3]兩種形式,但道床減振造價太高且安裝維護困難,用量受到限制。扣件減振由于造價低且安裝維護簡便的優勢而得到相對較多的應用,是目前作為岔區減振的主要措施。目前道岔地段應用的減振扣件幾乎都是硫化粘接型軌道減振器,如圖1所示。

硫化粘接型道岔減振器通過發揮橡膠的剪切作用,獲得相對較低的垂向剛度,以達到減振降噪的效果。硫化型扣件存在的主要問題:1)剛度均勻性差,導致列車過岔平穩性差。2)橡膠與鐵墊板通過硫化粘接方式聯結,無法單獨更換彈性元件。振動沖擊環境下容易產生裂縫、脫膠,導致產品抗拔力不足,對列車的安全運營帶來隱患。3)由于道岔扣件尺寸多樣,硫化型扣件質量控制難度大。

為了解決硫化型扣件的不足,結合我公司多年扣件研究成果和技術積淀,以雙層非線性扣件為設計基礎,進行道岔減振扣件的設計開發。設計開發了一種新型道岔減振扣件。該扣件具有不開裂、可單獨更換失效元件、隔振效果均一性好、扣件安裝高度低、材料成本低等優點,為城市軌道交通客戶提供一種優質高效且低成本的減振扣件。

1 新型道岔減振扣件的設計開發

1.1 整體設計

新型道岔減振扣件的設計開發以上部自鎖式雙層非線性減振扣件為基礎,扣件主體采用自鎖結構將上鐵墊板、中間橡膠墊、下鐵墊板組裝在一起。通過自鎖機構充分發揮中間橡膠墊層的彈性,獲得良好的減振效果,同時可實現零部件的便捷更換維修;通過螺紋道釘將扣件組裝體、耦合墊板緊緊地與軌枕相連。整套扣件系統結構緊湊、性價比高,安裝及維修方便,具有廣泛的適應性。新型道岔減振扣件零部件組成示意圖見圖2。

1.2 技術優勢

1.2.1 雙層可分離的設計結構

由于硫化粘接型扣件一旦產品失效更換時,需整體更換,成本較高。而雙層可分離的設計結構,只更換發生問題的零部件,安裝維護成本低。

1.2.2 可調節預緊力的上部鎖緊結構

上鐵墊板、中間橡膠墊、下鐵墊板通過自鎖機構結合在一起,加入預緊力的調節功能,可以滿足不同路段的要求,避免了硫化粘接型扣件抗拔力不足引起扣件脫開的現象,也避免因路段的匹配不合理造成的扣件失效或者其他的軌道問題。

1.2.3 中間橡膠墊設計剛度均勻性

道岔區域剛度均勻性是影響道岔運行的安全性、穩定性的重要因素之一。道岔剛度的均勻性需要從道岔的縱向、橫向綜合考慮。新型道岔減振扣件的主要減振單元是中間橡膠墊板結構設計采用雙面釘柱式結構,剛度設計采用“非線性”設計理念。剛度均勻性的調整包括兩方面:1)不同型號扣件需實現剛度均勻設計;2)對于單個扣件承載多根鋼軌的區域,同一扣件的不同扣壓位置需實現剛度均勻化設計。

新型道岔減振扣件的剛度均勻性主要是通過中間橡膠墊板釘柱的直徑、數量等形式尺寸實現。以50-7單開道岔為例,扣件根據長度可分為5種型號,長度從565 mm到1 050 mm不等,在設計時,對于不同型號的扣件,主要是根據載荷與受力面積的換算,對橡膠墊板的結構進行調整。通過調整后,五種型號的扣件剛度測試結果如表1所示,可知剛度變化率能控制在10%以內,均勻性非常好,能大大提高車輛過岔區的平順性。

表1 五種型號道岔扣件剛度測試結果

綜上所述,新型道岔減振扣件與硫化式道岔減振扣件優點對比見表2。

表2 新型道岔減振扣件與現有硫化式道岔減振扣件對比表

2 扣件性能驗證

2.1 扣件安全性計算

2.1.1 軌道結構計算分析模型

根據翟婉明[4-5]建立的客車-軌道垂向等效簡化模型(見圖3),建立列車-軌道系統的計算模型。將連續分布的軌道結構系統簡化成具有少數自由度的多剛度系統。采用下標r,s和b分別為鋼軌、軌枕和道床,M為等效集總質量,m為單位長度質量,K為等效剛度,C為等效阻尼。

將連續的鋼軌、軌枕和道床簡化成等效集總質量,采用M為等效集總質量,m為單位長度質量,在進行質量變換時,要求原來彈性支承梁上分布質量mr的運動能量與振動體系集總質量Mr的運動能量相等。以鋼軌的質量轉換為例,已知在荷載P0eiωt作用下,鋼軌的撓曲變形為:

(1)

采用分部積分法進行簡化,可得鋼軌運動能量為:

(2)

由于變化前后能量相同,則鋼軌的等效集總質量Mr可以通過式(3)計算得出:

Mr=(3/2β)mr

(3)

其中,β為軌下基礎與鋼軌的剛度比,m-1。

2.1.2 安全性能評價

車輛運行在彎道上時比運行在直道更加危險,尤其是在道岔處,容易發生側翻,因此出于安全校核,設置車輛運行彎道軌道上。根據地鐵設計規范規定,彎道半徑選為200 m。

不同車速對應的最小彎道半徑見表3。

表3 不同車速對應的最小彎道半徑[6]

根據激擾作用方向,軌道不平順可分為垂向不平順、縱向不平順、水平不平順,實際軌道不平順由多種隨機波形疊加而成。采用美國5級軌道線路譜,扣件的典型剛度20 kN/mm及車輛過岔區的典型速度20 km/h,30 km/h進行計算。采用脫軌系數、傾覆系數以及車體加速度三項指標進行車輛的綜合評價,其中前兩項為安全性能評價,第三項為平穩舒適性評價。

1)脫軌系數。車輛第一、三輪的脫軌系數如表4所示。TB/T 2360—93中要求,車輛的脫軌系數的絕對值均要求小于0.8的限值。

表4 脫軌系數

計算結果符合《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》中關于脫軌系數應不大于0.8的要求,滿足車輛運行的安全性。

2)傾覆系數。據GB 5599—85鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范,傾覆系數應小于0.8。車輛第一、三輪的脫軌系數如表5所示。車輛的傾覆系數均明顯小于0.8,滿足安全運行要求。

表5 傾覆系數

3)車體加速度。車體加速度主要考察車輛運行在直軌上時的平穩舒適性,因此模型中的軌道改為直軌進行計算。車輛的車體垂向、橫向加速度如表6所示。

表6 車體加速度

車體豎向振動加速度和車體橫向振動加速度均符合標準要求,能夠保證車輛運行的舒適性和穩定性。其中車體豎向加速度隨著垂向剛度的增加而有所增加。

2.2 軌道現場性能測試

新型道岔減振扣件在北京地鐵16號線北安河車輛段進行鋪設應用,經過第三方具有國家測試資質的單位進行現場檢測,安全性能及減振效果均滿足指標要求,具體測試結果見表7。

表7 新型道岔減振扣件測試結果[7]

3 結論

目前軌道交通道岔減振技術的研究尚處于起步階段,新型道岔減振扣件采用成熟的雙層非線性設計理念,綜合考慮了行車安全性、減振效果、安裝維護、全壽命成本等綜合因素,針對道岔區域使用特點和現有道岔減振扣件的問題進行了系統設計和優化。

該扣件的成功推廣和應用,有望替代現有硫化型道岔減振扣件,扭轉岔區扣件減振的市場現狀,推動道岔減振技術的進一步發展。該新型道岔減振扣件已應用于我國多個重點軌道交通城市,如北京、廣州、杭州、南京等地,取得了良好的應用效果。

新型道岔減振扣件較普通道岔扣件可提高5 dB以上的減振效果,具有巨大的市場推廣價值。