溫州市域鐵路減振扣件設(shè)計(jì)研發(fā)

周 磊,李秋義,韓志剛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 市域鐵路減振扣件技術(shù)研究現(xiàn)狀

市域鐵路是我國新型城鎮(zhèn)化發(fā)展中產(chǎn)生的一種新型客運(yùn)軌道交通方式[1]，主要服務(wù)于城市與郊區(qū)、衛(wèi)星城之間的鐵路客運(yùn)。溫州市域鐵路S1線是“國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)示范工程”，溫州在市域鐵路的研究、設(shè)計(jì)、建設(shè)等方面承擔(dān)著引領(lǐng)示范的角色[2-3]。溫州市域鐵路經(jīng)過甌海、鹿城、龍灣等人口稠密地區(qū)，后期配套物業(yè)開發(fā)較多，對(duì)軌道減振提出了較高的要求。根據(jù)溫州市域鐵路環(huán)境影響評(píng)估報(bào)告書[4]，溫州市域鐵路S1線中等減振里程總計(jì)約48 km，中等減振地段通常采用減振扣件達(dá)到中等減振效果，因此需要安裝超過16萬套中等減振扣件。環(huán)境保護(hù)與工程建設(shè)都對(duì)市域鐵路中等減振扣件提出了緊迫的需求，以溫州市域鐵路S1線為依托，對(duì)市域鐵路減振扣件進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)。

減振扣件在我國城市軌道交通中運(yùn)用廣泛，正線及道岔地段均有減振的需求[5-6]。減振扣件一般通過在鋼軌和鐵墊板下設(shè)置減振橡膠墊板等方法減振，如：剪切型、雙層鐵墊板式和壓縮型扣件等。

剪切型減振扣件典型的有Cologne-Egg彈性扣件[7-9](圖1)，該扣件的承軌板與底座之間用減振橡膠硫化粘貼在一起，利用橡膠圈的剪切變形獲得較低豎向剛度，較普通彈性分開式扣件的振動(dòng)傳遞有明顯減少，但該類扣件硫化減振層易失效，無法現(xiàn)場(chǎng)更換，使用成本較高。

圖1 Cologne-Egg彈性扣件

雙層鐵墊板式減振扣件有Z系列、GJ-Ⅲ型扣件和Lord扣件等產(chǎn)品[10-11](圖2)，該類扣件彈性墊板工作時(shí)無預(yù)壓，具有良好的減振效果，缺點(diǎn)是拆卸不方便，不利于養(yǎng)護(hù)維修。

圖2 Lord扣件

壓縮型減振扣件有DTⅢ型扣件[12]等(圖3)，該類扣件一般采用二級(jí)減振，在鋼軌和鐵墊板下都設(shè)絕緣橡膠板，扣件的彈性、減振效果較好，但使用時(shí)一般對(duì)板下彈性墊板有預(yù)壓，影響了減振降噪效果。

圖3 DTⅢ型扣件

上述城市軌道交通的減振扣件大多用于地鐵線路，車輛軸重不大于16 t，最大運(yùn)行速度80～120 km/h。對(duì)比溫州市域鐵路，運(yùn)行軸重17 t市域動(dòng)車組列車，設(shè)計(jì)速度120～140 km/h，現(xiàn)有的城市軌道交通減振扣件均不能完全滿足市域鐵路運(yùn)營條件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 溫州市域鐵路減振扣件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

減振扣件的彈條、預(yù)埋套管、錨固螺栓及釘孔距應(yīng)與溫州市域S1線普通不減振扣件(WJ-7B型)通用，減少建設(shè)施工及運(yùn)營維護(hù)時(shí)的工作和成本。其中減振扣件的彈條與WJ-7B的彈條一致；預(yù)埋套管采用與WJ-7B一致的D2套管；錨固螺栓的釘孔距為直列式(382±1) mm，與WJ-7B一致。

減振扣件需滿足軸重17 t市域動(dòng)車組列車，最高速度140 km/h的運(yùn)行條件(溫州市域鐵路S1線的設(shè)計(jì)速度為120 km/h，溫州市域鐵路S2線設(shè)計(jì)速度為140 km/h)。

減振扣件的實(shí)際減振效果需達(dá)到3～5 dB[13]。

減振扣件應(yīng)具有良好的形位保持能力，保障列車-軌道系統(tǒng)的安全運(yùn)營。

2.2 減振扣件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合溫州市域鐵路的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)研發(fā)了如圖4所示的市域鐵路減振扣件。該市域鐵路減振扣件采用鑲嵌式雙層減振結(jié)構(gòu)：通過上、下鐵墊板的鑲嵌結(jié)構(gòu)和絕緣墊及螺栓對(duì)中間彈性墊板實(shí)現(xiàn)固定，對(duì)中間彈性墊板無預(yù)緊，充分發(fā)揮其減振性能，整體結(jié)構(gòu)無硫化、粘接，無鎖扣，安裝簡便，易于在養(yǎng)護(hù)維修時(shí)更換失效的中間彈性墊板?？紤]到溫州所處沿海環(huán)境，所有扣件的鐵件均采用可靠的防銹蝕處理措施，滿足“經(jīng)360 h中性鹽霧試驗(yàn)(NSS試驗(yàn))保護(hù)級(jí)不得低于9級(jí)”的要求。

圖4 市域鐵路減振扣件組裝示意

3 扣件系統(tǒng)仿真檢算

3.1 有限元模型檢算

扣件系統(tǒng)內(nèi)各彈性部件剛度等參數(shù)的確定和組合是扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[14-16]，基于2.2節(jié)設(shè)計(jì)的減振扣件結(jié)構(gòu)，本文建立了減振扣件有限元分析模型，對(duì)扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)取值(系統(tǒng)剛度取值分配)進(jìn)行仿真計(jì)算分析。

扣件系統(tǒng)如圖5、圖6所示，包含兩個(gè)彈條、軌下橡膠墊板、鐵墊板下橡膠墊板、鐵墊板和錨固螺栓。鋼軌采用實(shí)體SOLID185單元模擬，鐵墊板簡化為一塊規(guī)則矩形板，采用SHELL181板殼單元模擬。軌下橡膠墊板采用LINK10單元模擬，鋼軌底部每個(gè)節(jié)點(diǎn)均與鐵墊板相應(yīng)節(jié)點(diǎn)生成一個(gè)LINK10單元，可以較好地模擬橡膠墊板的線性行為；在鋼軌翻轉(zhuǎn)時(shí)，部分軌底與橡膠墊板分離，對(duì)應(yīng)的LINK10單元受拉，受拉時(shí)這部分單元?jiǎng)偠冉禐?，可以很好地模擬分離行為。固定鐵墊板的錨固螺栓和彈條的豎向扣壓均采用單向單壓桿單元LINK10模擬，并且對(duì)其賦予初始應(yīng)變來反映預(yù)壓力。鐵墊板下橡膠墊板及鋼軌的橫向阻力均采用單向彈簧單元COMBIN14模擬，根據(jù)理論分析賦予合適的剛度值，合理反映相應(yīng)的彈性約束。

圖5 扣件方案有限元模型

圖6 扣件方案有限元模型截面示意

當(dāng)扣件節(jié)點(diǎn)剛度為18 kN/mm時(shí)，軌下橡膠墊板與鐵墊板下橡膠墊板不同剛度組合下，鋼軌的應(yīng)力及垂、橫向位移的仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，保持扣件節(jié)點(diǎn)剛度為18 kN/mm大小不變的條件下，軌下橡膠墊板的剛度越大，鋼軌垂向位移、橫向位移以及鋼軌應(yīng)力就越小。

圖7 扣件節(jié)點(diǎn)剛度18 kN/mm時(shí)的計(jì)算結(jié)果

當(dāng)軌下彈性墊板剛度固定為50 kN/mm，改變鐵墊板下彈性墊板剛度，鋼軌應(yīng)力及垂、橫向位移的仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示。板下剛度從30 kN/mm增加至70 kN/mm，鋼軌垂向位移從2.663 mm減小到2.395 mm，減少量為0.268 mm；鋼軌橫向位移從3.804 mm減小到3.792 mm，減少量為0.012 mm；鋼軌應(yīng)力幾乎保持133 MPa無變化。

圖8 不同鐵墊板下剛度計(jì)算結(jié)果

當(dāng)鐵墊板下彈性墊板剛度固定為50 kN/mm，改變軌板下彈性墊板剛度，鋼軌應(yīng)力及垂、橫向位移的仿真計(jì)算結(jié)果如圖9所示。軌下剛度從30 kN/mm增加至70 kN/mm，鋼軌垂向位移從3.465 mm減小到2.026 mm，減少量為1.439 mm；鋼軌橫向位移從5.295 mm減小到3.058 mm，減少量為2.237 mm；鋼軌應(yīng)力減少69 MPa，從179 MPa減小到110 MPa。

圖9 不同軌下剛度計(jì)算結(jié)果

從圖8和圖9可以看出，軌下剛度變化遠(yuǎn)比板下剛度變化對(duì)鋼軌各項(xiàng)指標(biāo)的影響大。上述計(jì)算結(jié)果顯示，考慮列車軸重17 t的工況下，軌下橡膠墊板剛度50 kN/mm，鐵墊板下橡膠墊板剛度28 kN/mm，軌下扣件節(jié)點(diǎn)剛度18 kN/mm滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

3.2 車輛軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型檢算

本文建立了考慮扣件系統(tǒng)的車輛軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[17-18]，研究該減振扣件對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響。

車輛模型由車體、構(gòu)架及輪對(duì)共7個(gè)剛體以及一、二系懸掛組成，如圖10所示?？紤]垂向、橫向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭5個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，共35個(gè)自由度。

圖10 車輛動(dòng)力學(xué)模型

軌道模型基于市域鐵路普遍采用的整體道床結(jié)構(gòu)建立，如圖11所示。左右兩股鋼軌均視為離散彈性點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的無限長Euler梁，并考慮其垂向、橫向及扭轉(zhuǎn)自由度[19-20]，鋼軌表面不平順選用美國五級(jí)譜。

圖11 無砟軌道模型

扣件系統(tǒng)的建模參數(shù)如表1所示。

表1 扣件系統(tǒng)建模參數(shù)

計(jì)算列車以160 km/h速度通過時(shí)，車體最大加速度為0.08g，脫軌系數(shù)為0.086，輪重減載率為0.17，傾覆系數(shù)為0.13，均滿足我國TB/T 2360—1993《鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》和GB 5599—198《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》要求。計(jì)算結(jié)果表明該減振扣件參數(shù)取值滿足列車運(yùn)行安全性要求。

4 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試

為研究減振扣件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞性能及隔振性能，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室對(duì)該減振扣件進(jìn)行了靜壓試驗(yàn)、組裝疲勞試驗(yàn)和隔振效果檢測(cè)。

4.1 靜壓試驗(yàn)

靜壓試驗(yàn)采用單節(jié)點(diǎn)扣件，以0.3～0.5 kN/s的加載速度進(jìn)行靜壓，在扣件承軌槽兩端安放2個(gè)位移傳感器，檢測(cè)扣件的垂向變形量。

按客車軸重17 t計(jì)算的軌道單節(jié)點(diǎn)最大垂向力約為26 kN。經(jīng)過試驗(yàn)檢測(cè)，當(dāng)垂向加載力為28～29 kN時(shí)，扣件垂向變形量達(dá)到1.5 mm，扣件及零部件均未發(fā)現(xiàn)傷損現(xiàn)象，說明該減振扣件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及材料性能滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

4.2 組裝疲勞試驗(yàn)

減振扣件的組裝疲勞試驗(yàn)按歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)EN13481《鐵路設(shè)施.軌道.緊固系統(tǒng)的性能要求》和EN13146《鐵路設(shè)施·軌道·緊固系統(tǒng)的試驗(yàn)方法》進(jìn)行，扣件按最大調(diào)高量組裝，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。經(jīng)300萬次[21]荷載循環(huán)后各零部件無損傷，組裝扣壓力變化率8%，鋼軌縱向阻力變化率9.7%，組裝靜剛度變化率6%，軌距擴(kuò)大量3 mm，符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，說明該減振扣件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及材料性能滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

圖12 組裝疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

4.3 隔振效果試驗(yàn)

為了明確該減振扣件和WJ-7B型扣件相比的減振效果，本文對(duì)兩種扣件進(jìn)行了隔振效果檢測(cè)。試驗(yàn)采用敲擊法進(jìn)行，力錘敲擊測(cè)試可以獲得扣件系統(tǒng)對(duì)不同頻率載荷的傳遞效果，從而判斷扣件系統(tǒng)的固有頻率和對(duì)不同頻率載荷的減振效果。對(duì)兩種不同扣件的激振器測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示。

圖13 隔振效果試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

隔振效果的測(cè)試結(jié)果如表2所示，從表2可以看出，在20～200 Hz頻段上，本文設(shè)計(jì)的減振扣件比WJ-7B型扣件的隔振效率提高17.5%，1/3倍頻A計(jì)權(quán)提高了3.74 dB，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2 隔振效果測(cè)試結(jié)果

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

5.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試簡介

為進(jìn)一步確定該減振扣件的減振性能，在溫州市域鐵路S1線高架橋區(qū)間上的直線和曲線(半徑700 m)的地段分別選取測(cè)試斷面，開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析。測(cè)試斷面位于高架橋上，考慮到列車運(yùn)行所引發(fā)的振動(dòng)在傳遞至橋梁后，需經(jīng)過橋墩往地面進(jìn)行傳播，因此為獲取減振扣件的減振效果，著重對(duì)橋墩處(即簡支梁梁端)橋梁的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試選在簡支梁梁端，具體為靠近橋梁梁縫第2組與第3組扣件之間的位置，如圖14所示。測(cè)試內(nèi)容包括動(dòng)態(tài)變形和振動(dòng)加速度兩個(gè)方面，其中動(dòng)態(tài)變形主要為鋼軌動(dòng)態(tài)變形和道床板動(dòng)態(tài)變形，振動(dòng)加速度主要為鋼軌振動(dòng)加速度和道床板振動(dòng)加速度。

圖14 位移測(cè)點(diǎn)布置示意

鋼軌垂向振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)置于鋼軌軌底，鋼軌橫向加速度測(cè)點(diǎn)置于鋼軌軌腰。道床板加速度測(cè)點(diǎn)置于道床板外側(cè)板邊。橋梁振動(dòng)加速度測(cè)點(diǎn)置于距離道床板內(nèi)側(cè)邊緣15～20 cm的位置，測(cè)點(diǎn)布置如圖15所示。

圖15 加速度測(cè)點(diǎn)布置示意

5.2 軌道動(dòng)態(tài)位移分析

列車在直線上運(yùn)行時(shí)，普通扣件區(qū)段和減振扣件區(qū)段的軌道動(dòng)態(tài)位移幅值如圖16和圖17所示。從圖中可以看出，在直線地段，鋼軌橫向位移和垂向位移均較小。普通軌道內(nèi)、外軌垂向位移幅值均小于0.5 mm，橫向位移幅值均小于0.3 mm；減振扣件斷面內(nèi)、外軌垂向位移幅值均小于1.0 mm，橫向位移幅值均小于0.3 mm。

圖16 直線普通扣件區(qū)段鋼軌位移

圖17 直線減振扣件區(qū)段鋼軌位移

列車在曲線上運(yùn)行時(shí)，普通扣件區(qū)段軌道動(dòng)態(tài)位移幅值如圖18所示。從圖18可以看出，在普通扣件區(qū)段，內(nèi)、外軌垂向位移幅值均小于0.9 mm，橫向位移幅值均小于0.9 mm。受曲線地段欠、過超高的影響，內(nèi)、外軌的橫向位移幅值存在一定差異，外軌橫向位移幅值為0.63 mm，內(nèi)軌橫向位移幅值為0.85 mm，后者約為前者的1.3倍。

圖18 曲線普通扣件區(qū)段鋼軌位移

列車在曲線上運(yùn)行時(shí)，減振扣件區(qū)段軌道動(dòng)態(tài)位移幅值如圖19所示。從圖19可以看出，減振扣件區(qū)段內(nèi)、外軌垂向位移幅值均小于1.6 mm，橫向位移幅值均小于1.1 mm。受曲線地段欠、過超高的影響，內(nèi)、外軌垂向位移幅值相差較大，外軌垂向位移幅值為1.17 mm，內(nèi)軌垂向位移幅值為1.41 mm，后者約為前者的1.2倍；曲線地段減振扣件斷面外軌橫向位移幅值為1.03 mm，內(nèi)軌橫向位移幅值為0.58 mm，前者約為后者的1.8倍。

圖19 曲線減振扣件區(qū)段鋼軌位移

5.3 減振效果分析

本文采用CJJ/T191—2012《浮置板道床技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的評(píng)價(jià)方法，在4～200 Hz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行分析，以減振扣件軌道與普通軌道橋面垂向加速度1/3倍頻程分頻振級(jí)的均方根差值作為減振效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中計(jì)權(quán)處理采用ISO2613—1997規(guī)定的Z計(jì)權(quán)因子。

直線地段中等減振扣件斷面實(shí)測(cè)行車速度73.0 km/h，普通扣件斷面實(shí)測(cè)行車速度78.7 km/h；曲線地段中等減振扣件斷面實(shí)測(cè)行車速度105.5 km/h，普通扣件斷面實(shí)測(cè)行車速度108.4 km/h；兩者速度相當(dāng)，可近似進(jìn)行對(duì)比分析。隨機(jī)抽取減振扣件斷面和普通軌道斷面各20組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析頻率為4～200 Hz，各樣本的振級(jí)分析結(jié)果如圖20和圖21所示。在直線上，普通扣件區(qū)段橋面振級(jí)的平均值為93.8 dB，減振扣件區(qū)段斷面該值為88.3 dB，因此，獲得該中等減振扣件產(chǎn)品在直線段的減振效果為5.5 dB，滿足中等需求。在曲線上，普通扣件區(qū)段橋面振級(jí)的平均值為96.1 dB，減振扣件區(qū)段斷面該值為91.3 dB，因此，獲得該中等減振扣件產(chǎn)品在直線段的減振效果為4.8 dB，滿足軌道中等減振需求。

圖20 直線減振扣件與普通道床橋面振級(jí)對(duì)比

圖21 曲線減振扣件與普通道床橋面振級(jí)對(duì)比

6 結(jié)論

以溫州市域鐵路為依托，對(duì)市域鐵路減振扣件進(jìn)行了設(shè)計(jì)研發(fā)，包括扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有限元及車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)檢算、扣件室內(nèi)試驗(yàn)、扣件現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方面，主要結(jié)論如下。

(1)扣件接口與現(xiàn)有成熟扣件產(chǎn)品接口保持一致，能夠有效減少建設(shè)施工及后期養(yǎng)護(hù)維修工作量，降低運(yùn)營成本。

(2)扣件整體結(jié)構(gòu)無硫化、粘接，無鎖扣，安裝簡便，易于在養(yǎng)護(hù)維修時(shí)更換失效的中間彈性墊板，具備較好的防腐蝕能力。

(3)通過有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)，扣件軌下剛度變化遠(yuǎn)比板下剛度變化對(duì)鋼軌各項(xiàng)指標(biāo)的影響大，檢算軌下橡膠墊板剛度50 kN/mm、鐵墊板下橡膠墊板剛度28 kN/mm、軌下扣件節(jié)點(diǎn)剛度18 kN/mm滿足設(shè)計(jì)使用要求。

(4)通過車輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算，列車的脫軌系數(shù)、傾覆系數(shù)、車體加速度等車輛系統(tǒng)安全性指標(biāo)滿足規(guī)范要求，扣件參數(shù)取值滿足列車運(yùn)行安全性的要求。

(5)通過扣件靜壓試驗(yàn)和組裝疲勞試驗(yàn)的檢測(cè)，該減振扣件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料性能、疲勞性能滿足設(shè)計(jì)和使用要求。

(6)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，安裝該減振扣件后鋼軌的垂向位移幅值均小于1.5 mm，橫向位移幅值均小于1.1 mm，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

(7)通過室內(nèi)敲擊測(cè)試表明扣件減振效果達(dá)到3.74 dB，現(xiàn)場(chǎng)減振效果評(píng)估測(cè)試表明扣件減振效果達(dá)到4.8 dB，滿足市域鐵路中等減振設(shè)計(jì)要求。

(8)基于上述結(jié)果，該減振扣件適用于市域鐵路中等減振軌道，填補(bǔ)了我國市域鐵路減振扣件產(chǎn)品的空白。