小安裝尺寸剪切型軌道減振器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

宿國(guó)英，鄧 嬌，孫照亮，劉 剛

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

剪切型軌道減振器可以實(shí)現(xiàn)較低的剛度和較好的穩(wěn)定性，在國(guó)內(nèi)外各地鐵線路都得到了大量的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由頂板、底板和橡膠圈硫化而成。它是軌道減振器扣件的重要組成部分，是扣件系統(tǒng)中唯一一個(gè)提供減振的部件。來(lái)自軌道的振動(dòng)經(jīng)過(guò)頂板傳遞給橡膠圈，經(jīng)過(guò)橡膠圈的衰減后傳給底板和路基。安裝尺寸可以依照使用的彈條和地基接口尺寸靈活設(shè)計(jì)。

在既有線路的減振改造中，新扣件的高度和原線路的扣件高度要盡量保持一致，且混凝土基礎(chǔ)不改動(dòng)，這樣就要求減振扣件和混凝土基礎(chǔ)的安裝孔心距一致，因此，它對(duì)減振器提出了更高的要求。

本文所介紹的，是一種適用于既有線路改造，或者產(chǎn)品高度和安裝尺寸受到隧道或接觸網(wǎng)等限制時(shí)使用的新型硫化剪切型軌道減振器。

圖1 剪切型軌道減振器結(jié)構(gòu)示意

1 新型軌道減振器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

本文所述新型減振器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，與其它減振器相同，它是由頂板、橡膠圈和底座通過(guò)高溫和高壓硫化而成。

1)減振器與軌道基礎(chǔ)安裝孔心距與原結(jié)構(gòu)一致。原扣件系統(tǒng)的鐵墊板直接改造成為減振器的頂板，安裝彈條的鐵座及承軌臺(tái)的尺寸均不作改動(dòng)，且減振器與軌道基礎(chǔ)的安裝孔心距與原結(jié)構(gòu)保持一致。這樣，原系統(tǒng)的扣軌緊固件及線路基礎(chǔ)均不需要改動(dòng)。

減振器用來(lái)支撐彈條的鐵座，在承軌板兩側(cè)斜對(duì)角位置，即鋼軌兩側(cè)的彈條在鋼軌的長(zhǎng)度方向是偏心安裝的。此結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)有非減振的既有線路中原扣件系統(tǒng)的安裝形式。承軌板兩側(cè)的另一斜對(duì)角方向?yàn)榭瘴唬丝粘龅牟课粸榈鬃c路基的連接預(yù)留了空間，實(shí)現(xiàn)了減振器與軌道基礎(chǔ)的安裝孔心距與原結(jié)構(gòu)一致。

圖2 新型軌道減振器的結(jié)構(gòu)示意

2)安裝高度較小。傳統(tǒng)的剪切型軌道減振器硫化體高度一般均在70 mm以上，加上鋼軌下及減振器下隔離墊板，軌底至軌枕上平面的高度一般達(dá)到80 mm以上。而此產(chǎn)品的高度卻可以做到33～55 mm。

傳統(tǒng)剪切型減振器頂板外形多采用橢圓形或中間為長(zhǎng)方形而兩邊由相切圓弧內(nèi)收的形式。受彈條安裝鐵座的限制，頂板的外形尺寸必須有足夠大，進(jìn)而整個(gè)減振器高度和底座安裝孔距都比較大。而本文所述產(chǎn)品，因?yàn)榘惭b鐵座部分頂板的形狀方正，沒(méi)有空間的浪費(fèi)，加上對(duì)減振器的橡膠圈傾斜角度進(jìn)行調(diào)整，整個(gè)產(chǎn)品的高度就比較小。

非減振的既有線路中，軌道結(jié)構(gòu)大部分為鐵墊板加橡膠墊板的分體式結(jié)構(gòu)，其軌枕上平面至軌底的高度大部分均在35～55 mm之間。新型減振器更能夠與原線路高度保持一致。

3)防止軌距擴(kuò)張。在減振器的橫向受力位置，橡膠層及頂板和底板的高度均高于橡膠圈的其它位置。這樣，在減振器高度比較小，膠層厚度不變的情況下，仍有足夠的橡膠來(lái)承受軌道的橫向力。在保證減振器垂向性能的前提下能有效地防止軌距擴(kuò)張。

如上所述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)的減振器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)如表1所示。

表1 新型減振器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 靜剛度與動(dòng)靜比試驗(yàn)

靜剛度試驗(yàn)以15 kN/min的速度，以每2.5 kN為增量從0加載至40 kN，在每2.5 kN的加載增量時(shí)靜停60 s，并記錄對(duì)應(yīng)的位移值，以在有效輪載(5～25)kN下對(duì)應(yīng)的位移值計(jì)算割線靜剛度。

動(dòng)靜剛度比試驗(yàn)以名義載荷20 kN，振幅±0.5 mm，并分別使用10 Hz，15 Hz，20 Hz三種加載頻率進(jìn)行加載。每次試驗(yàn)進(jìn)行1 000次循環(huán)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄荷載—位移曲線并計(jì)算動(dòng)剛度值。

在動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試完成后5～10 min，測(cè)試產(chǎn)品的靜剛度，方法同前。從動(dòng)剛度荷載—位移曲線中尋找荷載峰谷值作為靜剛度計(jì)算荷載區(qū)間，加載到峰值、谷值荷載時(shí)分別靜停30 s，記錄對(duì)應(yīng)位移。通過(guò)荷載差與對(duì)應(yīng)位移差之比計(jì)算靜剛度。通過(guò)動(dòng)剛度與靜剛度之比計(jì)算動(dòng)靜剛度比。

北京5號(hào)線減振器靜剛度要求(6.5～8.0)kN/mm，各頻率的動(dòng)靜比要求≤1.25，選取10件產(chǎn)品進(jìn)行垂向靜剛度和動(dòng)靜比的試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可見(jiàn)，產(chǎn)品靜剛度和動(dòng)靜比滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 減振器樣品靜剛度及動(dòng)靜比數(shù)據(jù)

2.2 產(chǎn)品橫向剛度

因?yàn)槎嘞虺休d的橡膠存在不同程度的預(yù)應(yīng)力特性，因此，本產(chǎn)品的橫向靜剛度分別用橫向力(L)與縱向力(V)之比為L(zhǎng)/V=0.3和L/V=0.5進(jìn)行了試驗(yàn)。

將兩個(gè)樣品以0.6 m間距用一根長(zhǎng)鋼軌(長(zhǎng)1 m，60 kg/m軌)組裝在一起，軌下與產(chǎn)品下分別放置塑料墊板，并將產(chǎn)品用螺栓固定在試驗(yàn)臺(tái)上。4個(gè)百分表分別放在鋼軌外側(cè)軌頂下16 mm和軌底位置，見(jiàn)圖3。

取兩個(gè)產(chǎn)品間中點(diǎn)位置向軌頭施加垂向荷載80 kN，向軌頭內(nèi)側(cè)同步施加橫向荷載。橫向加載速度為5 kN/min，以4 kN為增量。記錄每一增量四表讀數(shù)，精確到0.025。根據(jù)橫向荷載—變形數(shù)據(jù)，得到的荷載—變形試驗(yàn)曲線如圖4和圖5所示。

取垂向載荷為(25～40)kN的有效載荷計(jì)算橫向靜剛度，則可以由曲線得出產(chǎn)品在L/V=0.3和L/V=0.5時(shí)的橫向靜剛度分別為25.5 kN/mm和19.3 kN/mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 橫向剛度與疲勞試驗(yàn)的安裝

圖4 L/V=0.3時(shí)產(chǎn)品的橫向靜剛度曲線

圖5 L/V=0.5時(shí)產(chǎn)品的橫向靜剛度曲線

2.3 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)安裝方式同橫向靜剛度試驗(yàn)。垂向與橫向同步加載作300萬(wàn)次循環(huán)。垂向載荷為8～40 kN，橫向載荷為垂向載荷的0.5倍。加載頻率為3～5 Hz。疲勞試驗(yàn)后的大荷載循環(huán)加載試驗(yàn):垂向加載范圍為8～50 kN，橫向荷載為垂向荷載的0.5倍，10萬(wàn)次。樣品無(wú)破壞。垂向靜剛度和動(dòng)靜比的變化率均＜10%。

2.4 絕緣電阻

電阻試驗(yàn)采用高值絕緣電阻儀。將刷完油漆72 h后的減振器置于一塊銅電極上，減振器上平面承軌槽位置再放置另一塊銅板。測(cè)試電源的兩個(gè)觸頭分別連在兩銅電極上。

測(cè)試電壓500 V。用高值絕緣電阻儀讀出電阻值，任取3件產(chǎn)品的絕緣電阻值如表3所示。

2.5 黏結(jié)力

黏結(jié)力試驗(yàn)采用Instron8802彈性體動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)機(jī)，將減振器樣品倒置(頂板朝下)，支撐并固定減振器底板四角，對(duì)其頂板中心施以垂直壓力。荷載80 kN，以50 mm/min的速度給試件加載。樣品無(wú)破壞。

表3 產(chǎn)品的絕緣電阻值 ×1010Ω

3 應(yīng)用情況

因?yàn)闇p振器的頂板及底板的接口與原扣件系統(tǒng)一致，所以，使用本減振器對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行減振改造時(shí)，使用減振器直接替換掉原系統(tǒng)中的鐵墊板及鐵墊板下橡膠墊板即可。

本結(jié)構(gòu)形式的減振器，曾經(jīng)在北京地鐵5號(hào)線和日本地鐵線使用。2007年，對(duì)北京5號(hào)線的減振器進(jìn)行了落錘沖擊試驗(yàn)，見(jiàn)圖6?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)了產(chǎn)品的減振效果滿足設(shè)計(jì)要求。

該線路于2007年10月開(kāi)通至今，運(yùn)行狀況良好?，F(xiàn)在，在上海明珠線的舊線改造試驗(yàn)段，長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線都基本確定了采用這種減振器的結(jié)構(gòu)。

圖6 產(chǎn)品在北京5號(hào)線上的落錘沖擊試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本文所述結(jié)構(gòu)的軌道減振器，能夠保證軌道減振的性能要求，同時(shí)，滿足低安裝高度和較小的安裝孔心距，施工方便，在線路中可以大量應(yīng)用，尤其是在軌道線路的舊線改造以及軌道結(jié)構(gòu)高度受到隧道空間、接觸網(wǎng)等限制時(shí)，使用更加便捷。

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［5］蔡成標(biāo)，翟婉明，王其昌．高速列車(chē)與高架橋上無(wú)碴軌道相互作用研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2000(3):29-32．