張 歡，胡岳銀，肖俊恒，胡尚衡，吳玥，朱煜，姜?jiǎng)P，賀志文

(1.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司,北京 102206; 2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司, 寧波 315201)

在城市軌道交通領(lǐng)域,很多線路為降低成本,采用高架橋的敷設(shè)方式建造,橋上對(duì)扣件的鋼軌縱向阻力要求比較苛刻,比如長(zhǎng)大橋梁要采用小阻力扣件,普通的簡(jiǎn)支梁要采用常阻力扣件,且橋梁線路沿線有居民、文教區(qū)等建筑,扣件還需要提供一定的減振性能[1-6]。

目前,我國(guó)一些城市軌道交通高架線采用下鎖式雙層非線性減振扣件(以下簡(jiǎn)稱“雙非減振扣件”),列車運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后扣件會(huì)出現(xiàn)鋼軌空吊和軌距難以保持等情況,影響列車運(yùn)行安全[7-11]。因此,亟需設(shè)計(jì)一套既滿足行車安全,又滿足鋼軌縱向阻力要求,且能達(dá)到中等減振效果的高架線減振扣件。

1 高架線雙非減振扣件傷損及原因分析

通過(guò)調(diào)研多個(gè)城市地鐵高架線路雙非減振扣件的服役情況,發(fā)現(xiàn)雙非減振扣件均出現(xiàn)了一些共性問(wèn)題[12-15]。

(1)扣件雙層鐵墊板間彈性墊板橫向位移量過(guò)大,長(zhǎng)期作用會(huì)壓潰從而造成鋼軌空吊;固定上下層鐵墊板的尼龍鎖扣出現(xiàn)離縫,致使列車途經(jīng)該區(qū)段出現(xiàn)晃車現(xiàn)象。

(2)在日常養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)線路軌距、方向數(shù)據(jù)經(jīng)常變化,難以保持,采用軌距拉桿來(lái)維持軌距,如圖1所示。

圖1 雙非減振扣件區(qū)段采用軌距拉桿保持軌距Fig.1 Gauge tie rod is used to keep gauge in the section of double-layer nonlinear vibration damping fastener

(3)隨著雙層減振扣件服役時(shí)間變長(zhǎng),其減振效果會(huì)明顯下降。

(4)從線路分布上來(lái)看,出現(xiàn)彈性墊板壓潰和鋼軌空吊問(wèn)題的扣件約90%在曲線地段,且傷損數(shù)量隨曲線半徑的減小而增多。

綜合多座城市地鐵工務(wù)部門養(yǎng)護(hù)維修反饋和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,通過(guò)對(duì)比不同地段雙非減振扣件的使用情況,并結(jié)合傷損扣件拆解分析,對(duì)其傷損進(jìn)行綜合原因分析,結(jié)果如下。

(1)雙非減振扣件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件較多,容易引起尼龍件、橡膠件等非金屬件的老化和損壞。

(2)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上來(lái)看,雙非減振扣件自身存在設(shè)計(jì)缺陷,上、下層鐵墊板固定僅僅依靠尼龍鎖扣,無(wú)法長(zhǎng)期承受橫向剪切力,自身約束力不足,尤其是在小半徑曲線地段,列車高速通過(guò)時(shí)極易造成尼龍鎖扣磨損、變形、甚至開裂,從而出現(xiàn)中間層彈性墊板橫向竄動(dòng);列車途經(jīng)該區(qū)段時(shí),軌距保持較為困難,易造成晃車現(xiàn)象。

(3)長(zhǎng)期使用過(guò)程中,雙層減振扣件上、下鐵墊板間的彈性墊板凸臺(tái)易發(fā)生磨損,造成減振效果下降。

(4)從使用環(huán)境上來(lái)看,高架線雙層減振扣件使用環(huán)境較為苛刻,受高溫高寒、風(fēng)吹日曬影響,會(huì)加速內(nèi)部尼龍件和橡膠件老化,相比地下段出現(xiàn)問(wèn)題的數(shù)量較多。

2 高架線減振扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)方案

本文設(shè)計(jì)的高架線減振扣件命名為WJ-18C型中等減振扣件(以下簡(jiǎn)稱“減振扣件”),由彈條、T型螺栓、螺母、平墊圈、絕緣軌距塊、軌下墊板、彈性鐵墊板、錨固螺栓、重型彈簧墊圈、蓋板、緩沖調(diào)距塊和預(yù)埋于混凝土軌枕中的預(yù)埋套管組成。鋼軌高低調(diào)整時(shí)采用軌下調(diào)高墊板和鐵墊板下調(diào)高墊板。減振扣件組成如圖2所示。

圖2 減振扣件組成Fig.2 Composition of vibration damping fastener

減振扣件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下:①?gòu)椥澡F墊板采用單層鐵墊板,可有效降低成本,同樣剛度條件下減振效果好于雙非減振扣件;②軌下采用高剛度墊板,僅起緩沖作用,不提供彈性,能夠有效保持軌距;③軌下墊板可使用普通橡膠墊板或聚四氟乙烯與橡膠復(fù)合墊板,根據(jù)實(shí)際需求可提供不同的鋼軌縱向阻力;④在彈性鐵墊板上設(shè)置1∶40軌底坡,混凝土軌枕或軌道板承軌面為平坡,方便現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如下:①一般區(qū)段每組扣件鋼軌縱向阻力≮7 kN,長(zhǎng)大橋梁扣件有小阻力需求時(shí)采用復(fù)合墊板,每組扣件鋼軌縱向阻力為3～5 kN;②彈性鐵墊板靜剛度為10～15 kN/mm,動(dòng)靜剛度比為1.1～1.5;③軌距調(diào)整量為-24～+20 mm;④鋼軌高低調(diào)整量為40 mm;⑤扣件單個(gè)彈條扣壓力6 kN,彈程8.8 mm;⑥扣件絕緣電阻≮10 kΩ;⑦預(yù)埋套管抗拔力≮100 kN。

2.3 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.3.1 絕緣軌距塊和緩沖調(diào)距塊

絕緣軌距塊根據(jù)軌距調(diào)整的需要分4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、12號(hào)和14號(hào),共6個(gè)型號(hào),標(biāo)準(zhǔn)軌距時(shí)外側(cè)采用8號(hào),內(nèi)側(cè)采用10號(hào)。

緩沖調(diào)距塊根據(jù)軌距調(diào)整的需要分10-10號(hào)和4-16號(hào),共2個(gè)型號(hào),標(biāo)準(zhǔn)軌距時(shí)鋼軌內(nèi)外側(cè)均采用10-10號(hào)。

為提高絕緣軌距塊和緩沖調(diào)距塊的絕緣性能,原材料均選用玻纖增強(qiáng)聚酰胺66。

2.3.2 軌下墊板

2.3.3 彈性鐵墊板

考慮地鐵高架線的空間尺寸,該扣件錨固螺栓釘孔呈錯(cuò)列式布置,并與普通區(qū)段WJ-2A型扣件釘孔間距保持一致,即為290 mm(橫向)×127 mm(縱向)。考慮與橋上既有雙非減振扣件的高程匹配,故將彈性鐵墊板的總厚度設(shè)計(jì)為57 mm。

采用橡膠硫化技術(shù)將帶軌底坡的鐵墊板和鋼套硫化成一體,此結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)垂向低剛度并能提供一定的橫向剛度,如圖3所示。

圖3 彈性鐵墊板主視Fig.3 Main view of elastic baseplate

(1)鐵墊板優(yōu)化設(shè)計(jì)

鐵墊板設(shè)計(jì)厚度為25 mm,根據(jù)高速鐵路扣件鐵墊板的使用經(jīng)驗(yàn),本設(shè)計(jì)對(duì)鐵墊板上彈條跟端支承座進(jìn)行優(yōu)化,減小鐵墊板上彈條跟端支承座前端限位槽長(zhǎng)度,見圖4,避免彈條安裝時(shí)鐵墊板支承座圓弧內(nèi)側(cè)和彈條中肢接觸從而產(chǎn)生過(guò)大接觸應(yīng)力造成彈條斷裂。

圖4 鐵墊板彈條支承座示意Fig.4 Illustration of clip support seat of baseplate

(2)橡膠型面設(shè)計(jì)

①橡膠材料為天然橡膠,橡膠層型面如圖5所示。設(shè)計(jì)厚度為32 mm,底厚5 mm。在橡膠凸臺(tái)上設(shè)計(jì)“高度差”特征,一級(jí)凸臺(tái)高27 mm,二級(jí)凸臺(tái)高20 mm,可實(shí)現(xiàn)“變剛度”和過(guò)載保護(hù)功能;在橡膠凸臺(tái)之間設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋,肋帶高10 mm,增加穩(wěn)定性;保證鋼軌在安裝狀態(tài)下兩側(cè)正下方均存在承載橡膠凸臺(tái),增強(qiáng)鐵墊板疲勞性能;增加錨固螺栓固定處橡膠接觸面積,提高彈性鐵墊板與軌枕面的橫向摩擦阻力。

2、屋面結(jié)構(gòu)安全可靠，屋面整體達(dá)到正常使用及遭遇地震、暴雪、大風(fēng)、暴雨時(shí)的安全性要求，無(wú)漏雨、滲水現(xiàn)象。

圖5 彈性鐵墊板橡膠型面Fig.5 Rubber profile of elastic baseplate

②采用“炭黑原位接枝改性技術(shù)”使膠料不但具有了良好的流動(dòng)性,而且橡膠耐老化性能有很大提升。

③采用有限元分析軟件對(duì)彈性鐵墊板進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算,在100 kN垂向載荷下鐵墊板及橡膠應(yīng)力分布云圖分別如圖6和圖7所示,鐵墊板的最大應(yīng)力位于承軌面處,為63.33 MPa,遠(yuǎn)小于金屬材料QT450-10的極限抗拉強(qiáng)度,符合強(qiáng)度要求。橡膠部分的最大應(yīng)力在凸臺(tái)邊緣處,為3.14 MPa,遠(yuǎn)小于橡膠的許用應(yīng)力。

圖6 鐵墊板應(yīng)力云圖(單位:MPa)Fig.6 Stress nephogram of baseplate (unit: MPa)

圖7 橡膠底面應(yīng)力云圖(單位:MPa)Fig.7 Stress nephogram of rubber bottom(unit: MPa)

3 減振扣件組裝性能試驗(yàn)

減振扣件組裝性能試驗(yàn)均按照TB/T 3396—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法》系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3.1 鋼軌縱向阻力試驗(yàn)

減振扣件的鋼軌縱向阻力測(cè)試結(jié)果見表1,結(jié)果表明,減振扣件鋼軌縱向阻力滿足技術(shù)要求。

表1 鋼軌縱向阻力測(cè)試結(jié)果 kNTab.1 Test results of rail longitudinal resistance

3.2 組裝疲勞性能試驗(yàn)

組裝疲勞性能試驗(yàn)荷載參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13481—5:2012《鐵路應(yīng)用-軌道-扣件系統(tǒng)性能要求 第5部分:鋼軌在表面或鋼軌被埋置在槽中的板式軌道扣件系統(tǒng)》中B類扣件疲勞載荷參數(shù)取值。垂向力取43 kN,橫向力取34 kN。鋼軌高度100 mm。

組裝疲勞試驗(yàn)后,減振扣件各零部件狀態(tài)良好,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2,軌距擴(kuò)大量為3.2 mm,組裝靜剛度變化率最大值為-3.3%,均滿足技術(shù)要求。

表2 組裝疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of assembly fatigue performance

3.3 絕緣性能試驗(yàn)

扣件的絕緣性能試驗(yàn)結(jié)果見圖8(a),減振扣件兩軌間最小絕緣電阻為90 kΩ,滿足技術(shù)條件≮10 kΩ的技術(shù)要求。同時(shí),也對(duì)雙非減振扣件進(jìn)行了絕緣性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖8(b),雙非減振扣件兩軌間最小絕緣電阻為37 kΩ。

圖8 扣件絕緣電阻試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Insulation resistance test results of fastener

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知:減振扣件的絕緣性能優(yōu)于雙非減振扣件。

4 減振扣件現(xiàn)場(chǎng)試鋪及實(shí)車測(cè)試

4.1 減振扣件現(xiàn)場(chǎng)試鋪

選取寧波地鐵1號(hào)線下行邱隘東至五鄉(xiāng)區(qū)間K24+667～K24+847高架段作為試驗(yàn)段,該區(qū)段既有扣件為下鎖式雙層非線性減振扣件,由于現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)前面所述的病害,特此進(jìn)行新型減振扣件的試鋪。線路采用 60 kg/m 鋼軌無(wú)縫線路,曲線半徑R=1 200 m,坡度為20‰ 上坡,鋪設(shè)總長(zhǎng)度為180 m,見圖9。

圖9 WJ-18C型減振扣件現(xiàn)場(chǎng)試鋪Fig.9 Field trial laying of WJ-18C vibration damping fastener

目前試鋪的減振扣件服役狀態(tài)良好,能夠滿足列車運(yùn)營(yíng)和日常養(yǎng)護(hù)維修要求。

4.2 測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試內(nèi)容包括:軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能測(cè)試的輪軌垂向力、輪軌橫向力;鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移;減振性能測(cè)試的減振扣件和參照扣件的梁面垂向振動(dòng)加速度,測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

圖10 減振扣件實(shí)車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig.10 Layout of measuring points for real vehicle test of vibration damping fasteners

4.3 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能測(cè)試結(jié)果

列車以68.8～76.0 km/h速度通過(guò)試驗(yàn)段時(shí),各項(xiàng)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足 TB 10761—2013《高速鐵路工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》[16]要求。輪軌垂向力和輪軌橫向力最大值分別為83.1 kN和13.3 kN,脫軌系數(shù)最大值為0.20,輪重減載率最大值為0.17,輪軸橫向力最大值為15.3 kN,列車可保證運(yùn)行的安全性。鋼軌軌頭橫向位移最大值為0.82 mm,動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量最大值為1.14 mm,這兩個(gè)測(cè)試參數(shù)均較小,扣件可有效保持軌距,鋼軌不易發(fā)生波磨。鋼軌垂向位移最大值0.78 mm,扣件可有效提供彈性。

綜上所述,減振扣件各項(xiàng)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4.4 減振性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)高架橋的特征和測(cè)試斷面附近的線路條件,特選取普通WJ-2A型扣件作為減振性能評(píng)價(jià)的參照扣件。此外,為對(duì)比WJ-18C減振扣件的減振效果,在鋪設(shè)WJ-18C型減振扣件前即進(jìn)行了同位置雙非減振扣件的減振性能測(cè)試,再將兩種減振扣件的減振效果進(jìn)行對(duì)比。

4.4.1 減振性能評(píng)價(jià)方法

目前,地鐵減振性能評(píng)價(jià)主要參照GB/T 10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測(cè)量方法》[17]、CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》[18]和JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行。采用最大Z振級(jí)的插入損失、分頻振級(jí)均方根的差值和分頻最大振級(jí)綜合評(píng)價(jià)減振扣件的減振效果,具體評(píng)價(jià)方法參見《城市軌道交通WJ-18B型減振扣件研發(fā)及應(yīng)用》[20]。

4.4.2 減振效果對(duì)比分析

(1)最大Z振級(jí)的插入損失

減振扣件梁面最大Z振級(jí)的插入損失結(jié)果如表3所示。

表3 減振扣件最大Z振級(jí)的插入損失測(cè)試結(jié)果 dBTab.3 Test results of insertion loss of maximum Z vibration level of vibration damping fastener

(2)分頻振級(jí)均方根差值

雙非減振扣件梁面分頻振級(jí)均方根差值為8.8 dB,WJ-18C型減振扣件梁面分頻振級(jí)均方根差值為9.8 dB。

(3)最大分頻振級(jí)

WJ-2A型扣件梁面分頻最大振級(jí)為84.2 dB,雙非減振扣件梁面分頻最大振級(jí)為72.6 dB,WJ-18C型減振扣件梁面分頻最大振級(jí)為72.1 dB,中心頻率均為50 Hz。

綜上所述,3種減振性能評(píng)判方法均表明,WJ-18C型減振扣件的減振性能達(dá)到了中等減振效果。

5 結(jié)語(yǔ)

高架線既有下鎖式雙層非線性減振扣件所帶來(lái)的病害影響列車運(yùn)營(yíng)安全和減振性能,減振扣件的更新?lián)Q代已經(jīng)成為未來(lái)既有線提升運(yùn)營(yíng)安全性和減振性的重要手段。本文結(jié)合目前高架線減振扣件的問(wèn)題,從問(wèn)題導(dǎo)向出發(fā),設(shè)計(jì)出一種新型中等減振扣件,該扣件可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求提供不同的鋼軌縱向阻力;鐵墊板承接彈條尾部的獨(dú)特設(shè)計(jì)可避免彈條的折斷;彈性鐵墊板的橡膠采用“炭黑原位接枝改性技術(shù)”,橡膠的耐老化性能有很大提升。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試鋪及實(shí)車試驗(yàn)考核了減振扣件的安全性和減振性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,該減振扣件所有性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,達(dá)到中等減振效果,可為未來(lái)城軌高架線的既有線改造提供技術(shù)儲(chǔ)備。