周 磊,李秋義,韓志剛

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,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。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、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)境影響評估報告書[4]，溫州市域鐵路S1線中等減振里程總計約48 km，中等減振地段通常采用減振扣件達到中等減振效果，因此需要安裝超過16萬套中等減振扣件。環(huán)境保護與工程建設(shè)都對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，對市域鐵路減振扣件進行設(shè)計研發(fā)。

減振扣件在我國城市軌道交通中運用廣泛，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無預(yù)壓，具有良好的減振效果，缺點是拆卸不方便，不利于養(yǎng)護維修。

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，但使用時一般對板下彈性墊板有預(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，最大運行速度80～120 km/h。對比溫州市域鐵路，運行軸重17 t市域動車組列車，設(shè)計速度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營條件和技術(shù)標(biāo)準要求。

2 溫州市域鐵路減振扣件設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

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)施工及運營維護時的工作和成本。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市域動車組列車，最高速度140 km/h的運行條件(溫州市域鐵路S1線的設(shè)計速度為120 km/h，溫州市域鐵路S2線設(shè)計速度為140 km/h)。

減振扣件的實際減振效果需達到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)的安全運營。

2.2 減振扣件設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合溫州市域鐵路的實際情況，設(shè)計研發(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)和絕緣墊及螺栓對中間彈性墊板實現(xiàn)固定，對中間彈性墊板無預(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)護維修時更換失效的中間彈性墊板。考慮到溫州所處沿海環(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(NSS試驗)保護級不得低于9級”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)計的關(guān)鍵[14-16]，基于2.2節(jié)設(shè)計的減振扣件結(jié)構(gòu)，本文建立了減振扣件有限元分析模型，對扣件系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)取值(系統(tǒng)剛度取值分配)進行仿真計算分析。

扣件系統(tǒng)如圖5、圖6所示，包含兩個彈條、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，鋼軌底部每個節(jié)點均與鐵墊板相應(yīng)節(jié)點生成一個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，部分軌底與橡膠墊板分離，對應(yīng)的LINK10單元受拉，受拉時這部分單元剛度降為0，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)點剛度為18 kN/mm時，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、橫向位移的仿真計算結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，保持扣件節(jié)點剛度為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)點剛度18 kN/mm時的計算結(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 不同軌下剛度計算結(jié)果

從圖8和圖9可以看出，軌下剛度變化遠比板下剛度變化對鋼軌各項指標(biāo)的影響大。上述計算結(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)點剛度18 kN/mm滿足設(shè)計和使用要求。

3.2 車輛軌道系統(tǒng)動力學(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)動力學(xué)模型[17-18]，研究該減振扣件對列車運行安全性的影響。

車輛模型由車體、構(gòu)架及輪對共7個剛體以及一、二系懸掛組成，如圖10所示?？紤]垂向、橫向、側(cè)滾、搖頭、點頭5個運動自由度，共35個自由度。

圖10 車輛動力學(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)

計算列車以160 km/h速度通過時，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《鐵道機車動力學(xué)性能試驗鑒定方法及評定標(biāo)準》和GB 5599—198《鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范》要求。計算結(jié)果表明該減振扣件參數(shù)取值滿足列車運行安全性要求。

4 室內(nèi)試驗測試

為研究減振扣件的結(jié)構(gòu)強度、疲勞性能及隔振性能，在室內(nèi)實驗室對該減振扣件進行了靜壓試驗、組裝疲勞試驗和隔振效果檢測。

4.1 靜壓試驗

靜壓試驗采用單節(jié)點扣件，以0.3～0.5 kN/s的加載速度進行靜壓，在扣件承軌槽兩端安放2個位移傳感器，檢測扣件的垂向變形量。

按客車軸重17 t計算的軌道單節(jié)點最大垂向力約為26 kN。經(jīng)過試驗檢測，當(dāng)垂向加載力為28～29 kN時，扣件垂向變形量達到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)強度及材料性能滿足設(shè)計和使用要求。

4.2 組裝疲勞試驗

減振扣件的組裝疲勞試驗按歐洲鐵路標(biāo)準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)的試驗方法》進行，扣件按最大調(diào)高量組裝，試驗現(xiàn)場如圖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%，軌距擴大量3 mm，符合規(guī)范和設(shè)計要求，說明該減振扣件的結(jié)構(gòu)強度及材料性能滿足設(shè)計和使用要求。

圖12 組裝疲勞試驗現(xiàn)場

4.3 隔振效果試驗

為了明確該減振扣件和WJ-7B型扣件相比的減振效果，本文對兩種扣件進行了隔振效果檢測。試驗采用敲擊法進行，力錘敲擊測試可以獲得扣件系統(tǒng)對不同頻率載荷的傳遞效果，從而判斷扣件系統(tǒng)的固有頻率和對不同頻率載荷的減振效果。對兩種不同扣件的激振器測試數(shù)據(jù)進行比對，試驗現(xiàn)場如圖13所示。

圖13 隔振效果試驗現(xiàn)場

隔振效果的測試結(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計權(quán)提高了3.74 dB，達到設(shè)計要求。

表2 隔振效果測試結(jié)果

5 現(xiàn)場測試

5.1 現(xiàn)場測試簡介

為進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)的地段分別選取測試斷面，開展現(xiàn)場測試與分析。測試斷面位于高架橋上，考慮到列車運行所引發(fā)的振動在傳遞至橋梁后，需經(jīng)過橋墩往地面進行傳播，因此為獲取減振扣件的減振效果，著重對橋墩處(即簡支梁梁端)橋梁的振動進行測試。測試選在簡支梁梁端，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。測試內(nèi)容包括動態(tài)變形和振動加速度兩個方面，其中動態(tài)變形主要為鋼軌動態(tài)變形和道床板動態(tài)變形，振動加速度主要為鋼軌振動加速度和道床板振動加速度。

圖14 位移測點布置示意

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

圖15 加速度測點布置示意

5.2 軌道動態(tài)位移分析

列車在直線上運行時，普通扣件區(qū)段和減振扣件區(qū)段的軌道動態(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

列車在曲線上運行時，普通扣件區(qū)段軌道動態(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

列車在曲線上運行時，減振扣件區(qū)段軌道動態(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)定的評價方法，在4～200 Hz頻率范圍內(nèi)進行分析，以減振扣件軌道與普通軌道橋面垂向加速度1/3倍頻程分頻振級的均方根差值作為減振效果評價指標(biāo)，其中計權(quán)處理采用ISO2613—1997規(guī)定的Z計權(quán)因子。

直線地段中等減振扣件斷面實測行車速度73.0 km/h，普通扣件斷面實測行車速度78.7 km/h；曲線地段中等減振扣件斷面實測行車速度105.5 km/h，普通扣件斷面實測行車速度108.4 km/h；兩者速度相當(dāng)，可近似進行對比分析。隨機抽取減振扣件斷面和普通軌道斷面各20組數(shù)據(jù)進行分析，分析頻率為4～200 Hz，各樣本的振級分析結(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對比

圖21 曲線減振扣件與普通道床橋面振級對比

6 結(jié)論

以溫州市域鐵路為依托，對市域鐵路減振扣件進行了設(shè)計研發(fā)，包括扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計，有限元及車輛軌道耦合動力學(xué)檢算、扣件室內(nèi)試驗、扣件現(xiàn)場測試等方面，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)護維修工作量，降低運營成本。

(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)護維修時更換失效的中間彈性墊板，具備較好的防腐蝕能力。

(3)通過有限元計算發(fā)現(xiàn)，扣件軌下剛度變化遠比板下剛度變化對鋼軌各項指標(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)點剛度18 kN/mm滿足設(shè)計使用要求。

(4)通過車輛軌道耦合動力學(xué)計算，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)取值滿足列車運行安全性的要求。

(5)通過扣件靜壓試驗和組裝疲勞試驗的檢測，該減振扣件結(jié)構(gòu)強度、材料性能、疲勞性能滿足設(shè)計和使用要求。

(6)通過現(xiàn)場測試發(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)計使用要求。

(7)通過室內(nèi)敲擊測試表明扣件減振效果達到3.74 dB，現(xiàn)場減振效果評估測試表明扣件減振效果達到4.8 dB，滿足市域鐵路中等減振設(shè)計要求。

(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，填補了我國市域鐵路減振扣件產(chǎn)品的空白。