城市軌道交通橫向擋肩式高性能減振扣件技術研究及應用

馬佳駿 冉 蕾 孫井林 潘 濤 黃 慶

(1.中鐵工程設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的迅猛發展，有力緩解了城市交通的擁堵局面。與此同時，軌道交通產生的振動與噪聲污染也給人們的生產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)。

這些產品應用的過程中，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)軌道結構橫向穩定性較差

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，導致動態軌距擴張較大，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致減振扣件現場測試效果不滿足環評要求等問題[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研究很有必要。

2 減振扣件結構研究

2.1 設計參數取值

(1)疲勞載荷

根據地鐵線路、軸重、設計速度等工程條件，參照EN 13481—5—2012《鐵路設備.軌道.緊固件系統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，適用于扣件穩定性(鋼軌位移)檢算和組裝疲勞性能檢驗。

(2)設計荷載

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

(3)靜剛度

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

(4)軌距、高低調整量

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

2.2 扣件結構方案

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構型式基礎上，提出結構改進方案，即TSF型減振扣件。

(1)提高橫向剛度

扣件下鐵板兩側設置橫向限位擋肩，上鐵板和下鐵板之間設橫向擋塊，以提高扣件的橫向剛度，進而提高扣件的動態軌距保持能力以及軌道結構穩定性，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計值取12 kN/mm，以保證扣件具有較高的減振量。

(2)嵌套式結構設計

下鐵板中部設為空腔結構，中間橡膠墊板一部分嵌入空腔內，同時上鐵墊板中部凸出嵌入中間橡膠墊板內，以實現扣件安裝高度的降低?？奂惭b高度為44 mm，可與普通扣件直接互換，見圖4。

圖4 嵌套式結構

(3)上部自鎖式結構設計

沿用上鎖式預組裝的通用設計，在下鐵板道釘孔處中空凸臺設置鎖緊機構，配合尼龍連接套實現上鐵板、下鐵板、中間橡膠墊板和尼龍連接套的預組裝。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 上部自鎖式結構及尼龍連接套

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具有優異的耐磨性、適中的彈性模量，以及較好的絕緣性和耐老化性能。

對比研究硬質材料(尼龍)和軟質材料(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行試驗。

(1)尼龍材料側面擋塊

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

(2)聚氨酯實體材料側面擋塊

該材料有一定的彈性，組裝后密貼性較好，動態試驗過程中，通過界面摩擦作用可與上鐵墊板聯動，另外聚氨酯材料耐磨性能在彈性材料中最優，為側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)網格劃分

有限元計算網格劃分情況見圖10。

圖10 整體有限元計算網格模型

(3)設置邊界條件和加載

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調距蓋板與尼龍套，尼龍套與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果見表1，各部件應力云圖見圖11～圖13，扣件各部件應力水平均小于材料許用應力，滿足強度設計要求[13-15]。

表1 扣件各部件強度檢算結果

圖11 上鐵墊板Mises應力云圖(單位：MPa)

圖12 下鐵墊板Mises應力云圖(單位：MPa)

圖13 中間膠墊Mises應力云圖(單位：MPa)

(5)扣件穩定性計算

采用扣件疲勞荷載檢算，提取鋼軌軌頭橫向和垂向位移，驗證扣件穩定性。

扣件工作狀態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

經分析，TSF型減振扣件減振效果為8.2 dB，滿足研究預期目標要求[16-18]。

4 扣件性能試驗

進行扣件室內組裝性能試驗，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%，扣件單邊動態軌距擴張小于3 mm，軌底動態橫向位移量<2.5 mm，均滿足規范和設計要求。

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橫移檢測結果見表2。

表2 各類型扣件軌頭動態橫移檢驗結果

由表2可知，TSF型減振扣件單股鋼軌軌頭動態橫移與普通彈性扣件相當，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，接觸網供電，最高運行速度為80 km/h。隧道內試驗段鋪設情況見圖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 減振扣件現場鋪設

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倍頻程加速度級進行對比分析，得出如下結論。

(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 鋼軌動態變形

鋼軌動態下沉量、軌頭橫移及軌距變化量對比見表3。

表3 鋼軌動態下沉量、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下沉量和軌距變化量略大于普通扣件，曲線外股軌頭動態橫移與普通扣件相當。

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、脫軌系數和輪重減載率相當，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。研究發現，TSF型減振扣件更換前后，TQI值基本無變化，軌面短波不平順數據基本相當，平均峰峰值有所減少。

6 結論

(1)采用橫向擋肩結構，有效控制軌頭橫移，動態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，具有高穩定性。

(2)橫向剛度的增加，進一步降低扣件的垂向剛度，實測減振效果達8 dB，實現較高的減振效果及設計裕量。

(3)上下鐵墊板采用嵌套結構，減小扣件組裝高度，可與普通扣件直接互換。

(4)采用彈性上鎖式結構可實現扣件預組裝，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。