黃 承，曾 飛，張文科，樊永欣，張用兵，馬佳駿

土建技術(shù)

車輛段新型高等減振扣件應(yīng)用研究

黃 承1, 2，曾 飛1, 2，張文科1, 2，樊永欣1, 2，張用兵1, 2，馬佳駿3

（1. 中國船舶集團有限公司第七二五研究所，河南洛陽 471023；2. 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南洛陽 471003； 3. 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司軌道工程設(shè)計研究院，北京 100055）

針對當(dāng)前軌道高等減振措施在車輛段應(yīng)用中存在的不足，研制了一種施工維護方便、預(yù)緊力可調(diào)的車輛段庫內(nèi)高等減振扣件。為評估扣件使用效果，在某地鐵線路車輛段進行了在線測試，測試內(nèi)容包括隧道壁振動、鋼軌位移、輪軌力、車內(nèi)振動等。測試結(jié)果表明，在保證安全性和平穩(wěn)性的同時，列車低速空載條件下新型扣件相比普通彈性分開式扣件減振效果可達8db以上，能夠滿足車輛段高等減振需求。

軌道交通；車輛段；上蓋物業(yè)；高等減振；扣件

近年來，隨著中國城鎮(zhèn)化進程的加快，以大運量、低能耗為標(biāo)志的城市軌道交通發(fā)展迅速。為方便停放、檢修車輛，線路開通運營的城市均會設(shè)置一定數(shù)量的車輛段和停車場[1]，此區(qū)域占地面積大、土地開發(fā)價值高[2]。為實現(xiàn)城市土地資源的充分利用，在改善居民出行的同時減輕地方政府財政壓力，國內(nèi)多個城市以中國香港等地[3]地鐵物業(yè)開發(fā)為樣板，提出了車輛段上蓋物業(yè)開發(fā)項目[4]。為確保上蓋物業(yè)的開發(fā)品質(zhì)，諸多車輛段物業(yè)開發(fā)項目均提出較高的減振需求。

1 車輛段現(xiàn)有高等減振措施存在的問題

在上蓋物業(yè)研究興起之前，減振措施在車輛段的應(yīng)用曾被簡單地視為正線應(yīng)用的延伸。然而與正線相比，列車在車輛段運行時具有速度低、軸重輕、輪軌激勵小等特點，不利于減振效果的充分發(fā)揮。因此近年來，人們開始重視車輛段減振針對性研究[5-8]。

目前軌道高等減振措施可劃分為道床類和扣件類兩種。道床類減振措施由于參振質(zhì)量大，系統(tǒng)固有頻率低，可對更寬的激勵頻率起到隔振作用，一直是高等減振措施的重要組成部分。該類措施存在的共性問題主要表現(xiàn)為施工步驟繁瑣、周期長、成本高、巡檢維修復(fù)雜，隸屬于此類措施的各類浮置板道床制品在以往應(yīng)用中也暴露出接口尺寸精度要求高或關(guān)鍵部件使用壽命到期后更換困難等缺陷?？紤]到車輛段道床結(jié)構(gòu)形式眾多，柱式、壁式檢查坑道床，短軌枕式道床以及平過道、架車機交錯分布，道床類減振措施在工程適應(yīng)性方面的劣勢將愈發(fā)凸顯。車輛段采用道床類措施將導(dǎo)致線路建設(shè)、運營成本上升，影響到上蓋物業(yè)開發(fā)的性價比。

另一方面，面對車輛段復(fù)雜的道床結(jié)構(gòu)形式組成，扣件類減振措施雖然在工程適應(yīng)性方面占據(jù)優(yōu)勢，但由于當(dāng)前可供選擇的高等減振扣件只有以Vanguard扣件為代表的鋼軌懸浮式扣件，其采用的軌腰支撐方式市場認(rèn)可度不高，限制了扣件類減振措施在車輛段的應(yīng)用。而且，現(xiàn)有懸浮式扣件的零部件、安裝工具與常用扣件差異較大，需對相關(guān)物資單獨留存?zhèn)溆?；該類扣件零部件?shù)量多、小、散，不能預(yù)組裝，現(xiàn)場施工繁瑣；此外，由于懸浮式扣件支撐軌腰用的橡膠楔塊與鋼軌接頭夾板存在位置干涉，在無縫線路焊軌前或者有縫線路中安裝有鋼軌接頭夾板時，懸浮式扣件需用普通扣件代替，降低了線路產(chǎn)品的規(guī)整性。上述原因致使扣件類減振措施在施工、維保方便的優(yōu)勢并未得到充分發(fā)揮。因此亟需開發(fā)一種易安裝、減振性好、安全可靠的高等減振扣件，滿足車輛段高等減振的需要。

2 車輛段新型高等減振扣件的研制

2.1 新型扣件研制目標(biāo)

為更好地解決現(xiàn)存問題，在新型減振扣件研制前制定了如表1所示的研制目標(biāo)。

2.2 設(shè)計參數(shù)

1) 設(shè)計荷載。采用連續(xù)彈性支承梁模型，考慮車輛段對應(yīng)的實際車輛軸重、軸距、車速、扣件剛度、鋼軌抗彎剛度等參數(shù)范圍，兼顧疲勞試驗評估需求，確定設(shè)計荷載取值為垂向力40 kN，橫向力20 kN。

表1 新型扣件研制目標(biāo)

2) 靜剛度?？紤]到低速空載時減振效果要達到6～8 dB，扣件節(jié)點靜剛度定為6～9 kN/mm。

3) 疲勞性能。經(jīng)300萬次疲勞試驗后(節(jié)點垂向荷載范圍8～40 kN，垂向力：橫向力=2︰1，加載頻率4±1 Hz)，靜剛度變化率≤15%，單邊軌距擴張量≤3 mm，軌底動態(tài)橫移量≤2.5 mm。

4) 調(diào)距、調(diào)高量?？奂壘嗾{(diào)整量+8～–12 mm，高低調(diào)整量0～20 mm，滿足車輛段必要的調(diào)整要求。

5) 輪廓尺寸。扣件的長寬應(yīng)考慮兩方面因素：一是不宜超出扣件支撐基礎(chǔ)(如立柱或軌枕)的對應(yīng)尺寸，以免局部空懸；二是為柱式、壁式檢查坑等現(xiàn)澆作業(yè)留夠施工空間，因此極限條件下扣件的最小輪廓尺寸應(yīng)可達到300 mm×220 mm。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢

基于上述目標(biāo)、參數(shù)研制的庫內(nèi)高等減振扣件(簡稱為庫高扣件)，與目前應(yīng)用于車輛段的其他高等減振扣件相比，具有以下的技術(shù)優(yōu)勢。

2.3.1 施工維保工具、零配件通用性好

庫高扣件采用的零配件及安裝工具均為線路常見類型，施工、檢修人員工作熟練度高，不用為本扣件單獨預(yù)留備用件。

圖1 庫高扣件系統(tǒng)示意

Figure 1 Fastener system diagram

2.3.2 預(yù)組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過采用彈性鎖緊配合結(jié)構(gòu)，將鐵墊板、中間橡膠墊、中間鐵板、底部橡膠墊、連接套和支撐座等減振元件線下預(yù)組裝為一個整體，線上安裝與普通扣件完全一致，從而提高產(chǎn)品運輸和現(xiàn)場施工效率。

圖2 預(yù)組裝體

Figure 2 Preassembled body

2.3.3 在線可拆卸設(shè)計，維護方便

采用非黏接可分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計，所有零部件方便拆卸、更換，降低維修養(yǎng)護成本?？稍诓惶痄撥壡疤嵯拢w旋轉(zhuǎn)拆卸支撐座及連接套，抽出膠墊進行更換。

2.3.4 彈性元件變形量合理分布

采用3層彈性單元串聯(lián)設(shè)計，每層彈性單元同時變形且變形量在合理范圍之內(nèi)，在大幅降低扣件整體剛度前提下有效保證彈性單元疲勞壽命。

2.3.5 預(yù)緊力可調(diào)節(jié)

通過在連接套位置設(shè)置調(diào)節(jié)墊片來調(diào)節(jié)扣件的預(yù)緊力，可調(diào)整扣件的剛度，滿足扣件對不同線路工況的需求，且防止離縫現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3.6 不受鋼軌接頭影響

配套設(shè)計有專用接頭扣件，接頭扣件除承軌鐵墊板有略微差異外，其他配件一致。在有縫線路或無縫線路焊軌前使用鋼軌接頭夾板時扣件安裝不受影響。

3 在線測試內(nèi)容及方法

為評估庫高扣件在車輛段的實際應(yīng)用效果，在某地鐵車輛段現(xiàn)場進行實車在線測試，考察扣件系統(tǒng)的減振性能、安全性能及列車通過的舒適性。

3.1 線路概況

測試所在車輛段試車線全長1.3 km，直線線路，采用60 kg/m鋼軌，測試斷面所處馬蹄形隧道位于地上，隧道內(nèi)整體道床長800 m，其中庫高扣件和對比使用的DTⅥ2型扣件各鋪設(shè)160 m。

本次測試使用車輛為地鐵A型車，6輛編組，4動2拖，軸重16 t，車長約140 m，采用調(diào)車方式在試車線往返運行。為貼近車輛段實際應(yīng)用工況，測試時車輛為空載，選取10 km/h、20 km/h兩種速度進行測試。為保證結(jié)果對比的可靠性，各工況選取10趟列車同時經(jīng)過庫高扣件和DTⅥ2扣件時的有效數(shù)據(jù)作為測試的分析基礎(chǔ)。

3.2 測試內(nèi)容

本次測試列車速度在10 km/h、20 km/h工況下：

①DTⅥ2型扣件、庫高扣件的實際減振效果；②DTⅥ2型扣件、庫高扣件的軌道結(jié)構(gòu)位移；③列車通過時庫高扣件所受輪軌力；④列車通過庫高扣件區(qū)間的平穩(wěn)性。

3.3 測試儀器

測試采集儀選用INV3062型24位云智慧分布式采集儀、INV3018C 8通道24位高精度采集儀；測試傳感器選用INV9824、B&K8344型加速度傳感器；選用Coinv DASP智能數(shù)據(jù)采集和信號分析系統(tǒng)。

3.4 測試方法

3.4.1 庫高扣件減振效果測試

定義軌道進入隧道方向左側(cè)為左軌，右側(cè)為右軌，振動測點安裝于距離軌面以上約1.9 m的隧道壁垂向。采樣頻率為5120 Hz。測點位置如圖3所示。

圖3 隧道壁振動測點位置

Figure 3 Location of vibration measuring point of the tunnel wall

3.4.2 軌道結(jié)構(gòu)位移測試

斷面位于兩個扣件底板的中間，即扣件跨度的1/2處界面，位移測點分別安裝于軌腳垂向、橫向。軌道結(jié)構(gòu)位移采用應(yīng)變式位移計現(xiàn)場標(biāo)定。橋路連接及采樣頻率見表2，測點位置如圖4所示。

表2 軌道結(jié)構(gòu)位移測試方法

圖4 軌道結(jié)構(gòu)位移測點位置

Figure 4 Position of displacement measuring point of track structure

3.4.3 庫高扣件結(jié)構(gòu)處的輪軌力測試

參照《輪軌水平力、垂直力地面測試方法》(TB/T 2489-2016)，采用全橋剪應(yīng)力法測試列車通過測試區(qū)間時的輪軌垂直力和水平力，采樣頻率為5 120 Hz。

3.4.4 列車運行平穩(wěn)性測試

列車運行平穩(wěn)性振動測點位于車廂兩側(cè)心盤一側(cè)1 m的車體地面上，每個測點測量鉛垂向和橫向，如圖5所示。

圖5 車廂內(nèi)平穩(wěn)性測點布置

Figure 5 Layout of stability measuring points in the train

3.5 數(shù)據(jù)處理

1) 振動加速度級。振動加速度級按《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》(GB 10071-1988)定義。

2) Z振級Z。GB 10071-1988《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》采用的是GB/T 13441-1992鉛垂向計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，修訂中的城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)將采用GB/T 13441.1- 2007鉛垂向計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，采用后者計算1～80 Hz范圍內(nèi)的Z振級，分析列車通過時的垂向振動級最大值Zmax。

評價減振軌道的鉛垂向減振效果時，插入損失采用減振軌道與普通整體道床計算所得Zmax的差值ΔZmax來表示。

3) 脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力及客車運行平穩(wěn)性。測試列車通過庫高扣件區(qū)間時的輪軌橫向力和垂直力，按《鐵道車輛動力學(xué)評定和試驗鑒定規(guī)范》(GB 5599-1985)[9]規(guī)定計算列車脫軌系數(shù)、輪重減載率和客車運行平穩(wěn)性指標(biāo)，核算輪軌橫向力是否超限。

4 測試結(jié)果及分析

4.1 最大Z振級插入損失(1-80 Hz)

測試庫高扣件、DTⅥ2扣件斷面各工況下的隧道壁鉛垂向振動加速度，得到隧道壁垂向振動級最大值Zmax，并推導(dǎo)出庫高扣件相對于DTⅥ2扣件的插入損失ΔZmax，如表3所示。

由表可知，當(dāng)列車運行速度為10、20 km/h時，庫高扣件相對DTⅥ2扣件的插入損失△Zmax分別為8.1、10.1 dB。雖受低速空載的影響，減振量略低于高等減振扣件在正線上的應(yīng)用效果，但較中等減振措施車輛段3～5 dB的減振量仍具有明顯優(yōu)勢。

表3 相對插入損失ΔVLZmax

4.2 軌道結(jié)構(gòu)位移

不同速度下庫高扣件、DTⅥ2扣件區(qū)間軌道結(jié)構(gòu)相對道床位移測試結(jié)果如表4所示。

由上述數(shù)據(jù)可知：①在低速范圍內(nèi)，車速的增加對鋼軌垂、橫向位移的影響并不明顯；②由于庫高扣件的剛度遠(yuǎn)低于DTⅥ2扣件，因此前者豎向位移大于后者，但都在2 mm的安全范圍內(nèi)；③庫高扣件與DTVI2扣件的軌底橫向位移幾乎一致，滿足軌底動態(tài)橫移量不超過2.5 mm的設(shè)計要求。

4.3 庫高扣件輪軌力測試

庫高扣件輪軌垂直力、橫向力測試結(jié)果見表5。列車低速狀態(tài)通過測試斷面時，車速對左右軌輪軌垂直力、水平力的影響并不明顯。地鐵列車以10 km/h和20 km/h通過庫高扣件測試斷面時，輪軌橫向力最大值均出現(xiàn)在第6軸，分別為7.27、7.37 kN，均滿足《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》[9]中規(guī)定的輪軌橫向力≤1.9+0.3st=17.41 kN的要求(st取低速5 km/h實測結(jié)果51.71 kN)。

表4 鋼軌豎向、橫向位移(平均值)

表5 輪軌垂直力、橫向力

列車通過庫高扣件測試斷面的脫軌系數(shù)、輪重減載率計算結(jié)果見表6、7。實測結(jié)果表明，列車速度10、20 km/h時脫軌系數(shù)、輪重減載率均滿足《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》[9]《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則》[10]《地鐵車輛通用技術(shù)條件》[11]等相關(guān)國標(biāo)的要求。輪軌力相關(guān)測試結(jié)果與規(guī)范限值均相差較遠(yuǎn)，有一定的安全裕量。

表6 地鐵列車脫軌系數(shù)

注：第1限度為車輛運行安全的合格標(biāo)準(zhǔn)，第2限度為增大了安全裕度的標(biāo)準(zhǔn)，下表同。

表7 輪重減載率

4.4 列車運行平穩(wěn)性

依據(jù)《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》要求，測試車內(nèi)各測點振動加速度(見表8)，按式(2)利用振動加速度計算列車10、20 km/h的運行平穩(wěn)性指標(biāo)(見表9)。測試結(jié)果表明，列車速度10、20 km/h時，豎向和橫向平穩(wěn)性指標(biāo)結(jié)果均小于2.5，平穩(wěn)性等級為1級(優(yōu))。

表8 列車運行客室內(nèi)振動加速度

表9 列車運行平穩(wěn)性指標(biāo)

5 結(jié)語

庫高扣件作為一種針對城市軌道交通車輛段高等減振需求開發(fā)的新型減振扣件，解決了車輛段現(xiàn)有高等減振措施在施工、維保方面存在的諸多問題。在線實測結(jié)果表明，庫高扣件在確保使用安全性的同時，低速空載條件下減振效果可達8 dB以上，能夠滿足上蓋物業(yè)項目提出的車輛段庫內(nèi)軌道高等減振需求。

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Applied Research into New Depot High-level Vibration Damping Fasteners

HUANG Cheng1, 2, ZENG Fei1, 2, ZHANG Wenke1, 2, FAN Yongxin1, 2, ZHANG Yongbing1, 2, MA Jiajun3

(1. Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang, Henan 471023; 2. Luoyang SunRui Rubber & Plastics Science and Technology Co., Ltd., Luoyang, Henan 471003; 3. Track Engineering Design and Research Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055)

To resolve the shortcomings of current high-level vibration reduction measures in the application to a rolling stock depot, a high-level vibration damping fastener with a convenient construction and adjustable preload is developed herein. To evaluate the usefulness of the fastener, an online test was carried out in a Metro line. The test involves tunnel wall vibrations, rail displacement, wheel rail force, and vehicle vibration. The test results show that while ensuring security and stability, when compared with that of ordinary elastic separate fasteners, the damping effect of the new fastener can reach more than 8 dB at low speed and with zero train load. The new fastener can also meet the high-level vibration reduction require-ments of a depot.

rail transit; rolling stock depot; over-track buildings; high-level vibration reduction; fastener

U231

A

1672-6073(2021)02-0117-06

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.019

2019-10-23

2019-12-17

黃承，男，碩士，高級工程師，主要從事城市軌道交通減振降噪技術(shù)及制品的開發(fā)研究，c_huang529@163.com

國家國防科工局軍工技術(shù)推廣專項(MK171201)

黃承，曾飛，張文科，等. 車輛段新型高等減振扣件應(yīng)用研究[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：117-122.

HUANG Cheng, ZENG Fei, ZHANG Wenke, et al. Applied research into new depot high-level vibration damping fasteners[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 117-122.

（編輯：郝京紅）