60 kg/m鋼軌9號(hào)單開減振道岔研究

李志群

(中鐵物資集團(tuán)有限公司，北京 100043)

道岔是軌道線路的重要設(shè)備，也是線路的薄弱環(huán)節(jié)，道岔的選型直接影響土建的投資、列車運(yùn)行的安全平穩(wěn)以及旅客的乘座舒適度。隨著城市地鐵線路的增多，受多方面的制約，目前城市軌道交通的減振要求越來越高，已成為不可回避的問題。對(duì)于區(qū)間線路，軌道的減振技術(shù)已逐步成熟，針對(duì)不同的減振要求，采用分級(jí)減振技術(shù)，也有相對(duì)應(yīng)的工程措施和產(chǎn)品。但對(duì)于道岔區(qū)，由于岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其減振設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，目前也缺少成熟的減振措施和相應(yīng)的軌道產(chǎn)品，為此有必要研制專門的減振道岔，以滿足城市軌道交通建設(shè)需要。

在我國(guó)城市軌道交通線路中，正線一般采用60 kg/m鋼軌9號(hào)固定型轍叉單開道岔。固定型轍叉結(jié)構(gòu)本身存在“有害空間”，車輪從轍叉咽喉走行至心軌實(shí)際尖端時(shí)線路中斷，此處車輪振動(dòng)及沖擊最大，是列車通過道岔時(shí)的主要振動(dòng)源。

1 減振道岔的研究現(xiàn)狀

軌道減振的措施主要有兩個(gè):①降低軌道的剛度;②增加軌道的參振質(zhì)量。軌道剛度是影響軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)度的重要參數(shù)之一，軌道剛度越小，減振效果越好，但過小的軌道剛度，也影響軌道的穩(wěn)定性和軌道部件的使用壽命。而增加參振質(zhì)量，將使軌道結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并極大地增加軌道的投資。

由于岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在道岔范圍內(nèi)，鋼軌件有多種形式，軌枕、墊板長(zhǎng)度是變化的，板下膠墊的剛度也是變化的，此外還有間隔鐵、護(hù)軌和滑床臺(tái)等區(qū)間線路沒有的軌道部件，使得岔區(qū)軌道剛度沿線路縱向分布不均勻，極大地增加了道岔區(qū)軌道減振的難度。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于道岔區(qū)減振主要采用兩種方法:①保持道岔本身結(jié)構(gòu)不變，利用道床減振，直接將道岔鋪設(shè)于浮置板道床上。該方法雖然具有較好的減振效果，但浮置板道床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)也較高，后期養(yǎng)護(hù)維修不便。②在道岔的鐵墊板與岔枕間增加軌道減振器，起到減振作用。但軌道減振器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，類型也較多，而且要增加軌道高度，不便于軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。

2 減振道岔的設(shè)計(jì)方案

為獲得更好的減振效果，各國(guó)對(duì)彈性墊板的材料進(jìn)行了大量的研究，其中高彈熱塑性彈性體是一種較好的新型減振材料。德國(guó)自20世紀(jì)90年代開始研制高彈性的扣件系統(tǒng)，并在道岔區(qū)推廣使用，可在道岔區(qū)實(shí)現(xiàn)17.5～30.0 kN/mm的扣件系統(tǒng)剛度，彈性主要由硫化橡膠墊層提供。該扣件系統(tǒng)有兩個(gè)重要作用，第一個(gè)作用是將鋼軌與軌枕“隔開”，用吸收能量的彈性材料吸收較高頻率的振動(dòng)，同時(shí)使更多的岔枕參與輪載的分配;第二個(gè)作用是為道岔區(qū)提供均勻的彈性，通過調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)轍器、導(dǎo)曲線和轍叉等不同部位得到相近的軌道剛度。

本文利用三元乙丙橡膠(簡(jiǎn)稱EPDM，一種高彈性熱塑性彈性體)制造道岔區(qū)用板下彈性墊層，將道岔區(qū)所用扣件進(jìn)行低剛度、均勻化處理，實(shí)現(xiàn)了道岔區(qū)減振的目的。在減振指標(biāo)要求不太高的情況下使用，對(duì)道岔結(jié)構(gòu)不作太大改變，即可保持道岔技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，同時(shí)軌道高度與區(qū)間變化不大，滿足一般地段減振要求。

本課題選擇城市軌道交通線路正線最為常用的60 kg/m鋼軌9號(hào)無砟單開道岔［1］為研究對(duì)象。研究的技術(shù)路線如下:①保持道岔主要尺寸不變，以方便站場(chǎng)設(shè)計(jì);②道岔的鋼軌件和轉(zhuǎn)換設(shè)備保持不變，以保持道岔技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，便于今后的養(yǎng)護(hù)維修;③道岔區(qū)的軌道高度不變，便于軌道系統(tǒng)的設(shè)計(jì);④道岔區(qū)的減振方案采用扣件系統(tǒng)減振，以降低造價(jià)，方便施工;⑤為保證減振效果，在岔區(qū)進(jìn)行軌道剛度的均勻化，合理確定岔區(qū)軌道剛度。

根據(jù)以上原則，研究設(shè)計(jì)了新型的道岔減振扣件，系統(tǒng)組成詳見圖1和圖2。

扣件的系統(tǒng)剛度由位于鐵墊板以及絕緣墊板之間的彈性墊板提供。彈性墊板的靜剛度為標(biāo)準(zhǔn)值Kelasticpad=22.5 kN/mm。軌下彈性墊板(剛度Krailpad)以及絕緣墊板(剛度Kinsulatingpad)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)剛度有影響，考慮自身的高剛度值，與彈性墊板相比，有

所有扣件節(jié)點(diǎn)的最小絕緣值要求根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13146-5［2］取值。

圖1 鋼軌區(qū)扣件系統(tǒng)

圖2 道岔區(qū)扣件系統(tǒng)

根據(jù)既有的60 kg/m鋼軌9號(hào)單開道岔結(jié)構(gòu)特征，劃分了4種不同類型的道岔彈性墊板。圖3中表示了這4種軌道彈性墊板的安裝位置圖。

圖3 彈性墊板位置示意

與既有道岔不同，本扣件不再采用軌距塊調(diào)整軌距，而是采用偏心襯套調(diào)整軌距(與高速道岔類似)見圖4，通過旋轉(zhuǎn)自身的偏心襯套，單股鋼軌可以實(shí)現(xiàn)±5 mm的調(diào)整量，軌距調(diào)整量為±10 mm，不僅調(diào)整量大，同時(shí)解決了以前滑床板和護(hù)軌部分軌距難以調(diào)整的難題。

為了在緊固岔枕螺栓時(shí)更好地控制彈性墊板的形變，在緊固時(shí)位于中心位置的襯套將會(huì)接觸絕緣墊板。經(jīng)過計(jì)算的襯套高度將保證加載到道岔區(qū)彈性墊板上所需要的預(yù)壓力。當(dāng)緊固岔枕螺栓后，彈性墊板不會(huì)因?yàn)檫^壓導(dǎo)致多余的形變損失。這種設(shè)計(jì)保證了在安裝過程中彈性墊板的剛度穩(wěn)定在Kelasticpad=22.5 kN/mm。

系統(tǒng)安裝時(shí)的扭矩被設(shè)計(jì)為200～250 N·m，螺栓上的兩個(gè)墊圈保證扭矩不會(huì)衰減，見圖5。

將彈條安裝在最終安裝位置后，扣件系統(tǒng)通過錨固螺栓和絕緣套管結(jié)合及定距襯套的作用，大大提高了整套系統(tǒng)抗橫向力的能力。

圖4 偏心襯套

圖5 扭矩墊圈

所有零部件都有精準(zhǔn)的預(yù)壓力設(shè)計(jì)，緊固SKL24彈條時(shí)，當(dāng)彈條中圈環(huán)精確接觸下層鑄鐵墊板時(shí)所需的扭力距約為180～200 N·m，見圖6。

圖6 彈條中的圈環(huán)

緊固貝式墊圈所需的扭矩約為200～250 N·m，彈性墊板在預(yù)壓力下的形變?yōu)?0.8±0.3)mm。

3 減振材料的研制及扣件系統(tǒng)的試驗(yàn)

EPDM材料(三元乙丙橡膠)在硫化生產(chǎn)過程中形成的單分子鏈結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 單分子鏈結(jié)構(gòu)

該材料具有極強(qiáng)的抗化學(xué)腐蝕作用、良好的穩(wěn)定性，以及抗溫度變化特性，明顯的溫度變化以及不同頻率的動(dòng)態(tài)荷載不會(huì)對(duì)材料的低剛度特性造成影響。動(dòng)態(tài)頻率與材料剛度之間的關(guān)系見圖8。

圖8 動(dòng)態(tài)頻率與材料剛度之間的變化關(guān)系

EPDM材料在動(dòng)態(tài)荷載，不同溫度環(huán)境下都能保持材料的穩(wěn)定性。由于材料的動(dòng)靜剛度比很低，因此行車安全以及乘坐舒適度也有了可靠的保障?？奂到y(tǒng)的整體剛度也可以通過替換不同的彈性墊板而改變(如過渡段軌道剛度需要調(diào)整時(shí))。材料應(yīng)具有高彈性，溫度變化以及動(dòng)態(tài)荷載對(duì)材料剛度影響很小，卓越的抗老化特性，吸水率小，抗紫外線腐蝕和抗氧化性能良好，性能穩(wěn)定抗水解。

336SD［3］扣件減振系統(tǒng)憑借其適應(yīng)不同荷載以及不同環(huán)境下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，已經(jīng)在世界各地的道岔上擁有超過40年的使用經(jīng)驗(yàn)?？奂到y(tǒng)軌下彈性墊板由單分子鏈結(jié)構(gòu)的材料構(gòu)成，擁有可靠的阻尼減振效果。

在＞50 Hz的頻率范圍內(nèi)，平直軌道部分的插入損失值為－12 dB，而道岔區(qū)的插入損失值為－13 dB。試驗(yàn)大綱根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN13146-4［4］(板式無砟軌道)以及 EN13481-5:2012［5］(地鐵扣件系統(tǒng)測(cè)試大綱)。在300萬次疲勞荷載后并且將系統(tǒng)拆除后，軌距變化為0.68 mm(合理范圍內(nèi))。除了細(xì)微的部件磨損之外，扣件系統(tǒng)狀態(tài)良好、穩(wěn)定。

4 關(guān)鍵技術(shù)

新扣件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于道岔整體低剛度及剛度均勻化的實(shí)現(xiàn)。由于岔區(qū)道岔鐵墊板的數(shù)量及種類較多，道岔區(qū)軌道受力復(fù)雜，若想實(shí)現(xiàn)剛度均勻化需要分區(qū)段采用不同的彈性墊層發(fā)泡技術(shù)。與既有扣件系統(tǒng)相比，主要有以下創(chuàng)新點(diǎn):

1)絕緣性能。新扣件系統(tǒng)在彈性墊板與軌枕之間增設(shè)絕緣偏心襯套，增強(qiáng)了道岔整體的絕緣性能。

2)軌距調(diào)整能力。通過旋轉(zhuǎn)岔枕螺栓上的絕緣偏心襯套，可以移動(dòng)鋼軌下的鐵墊板，單股鋼軌可以實(shí)現(xiàn)±5 mm的調(diào)整值，道岔軌距整體可實(shí)現(xiàn)±10 mm的調(diào)整值。這種設(shè)計(jì)同時(shí)解決了以前滑床板和護(hù)軌部分軌距難以調(diào)整的難題。

3)預(yù)壓力控制。為了在緊固岔枕螺栓時(shí)更好地控制彈性墊板的形變，在緊固時(shí)位于中心位置的襯套將會(huì)接觸絕緣墊板。經(jīng)過計(jì)算的襯套高度將保證加載到道岔區(qū)彈性墊板上所需要的預(yù)壓力。在緊固岔枕螺栓后，彈性墊板不會(huì)因?yàn)檫^壓導(dǎo)致多余的形變損失。

5 結(jié)語

新設(shè)計(jì)的60 kg/m鋼軌9號(hào)單開減振道岔采用336SD扣件系統(tǒng)，道岔區(qū)系統(tǒng)靜剛度控制在22.5 kN/mm左右，且在不同區(qū)域采用不同類型的彈性墊板，道岔區(qū)剛度進(jìn)行了均勻化處理，使得整個(gè)道岔區(qū)呈現(xiàn)有效可控的阻尼減振特征，實(shí)現(xiàn)了道岔區(qū)減振的目的。

當(dāng)緊固M30岔枕螺栓時(shí)系統(tǒng)不再出現(xiàn)預(yù)壓力過大的情況，緊固狀態(tài)下系統(tǒng)的剛度亦處于可控狀態(tài)。由于整個(gè)道岔區(qū)的扣件節(jié)點(diǎn)剛度由扣件的墊板剛度決定，新減振道岔中使用4種不同剛度墊板的方法可以使整個(gè)道岔區(qū)的剛度保持一致。新減振道岔絕緣性能以及軌距調(diào)整能力也有很大改進(jìn)。阻尼減振特征方面，與既有道岔系統(tǒng)相比新減振道岔可以達(dá)到插入損失值－8 dB的效果，系統(tǒng)的阻尼減振優(yōu)勢(shì)可以提升乘坐舒適度、減少噪聲等級(jí)并且明顯減少道岔維護(hù)費(fèi)用。

［1］中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.60 kg/m鋼軌9號(hào)單開道岔［R］.北京:中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2009.

［2］EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.EN13146-5 Rail Fastening System 336 DUO［S］.Brussels:EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION，2012.

［3］EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.Railway Applications Track Test Methods for Fastening Systems Part 5:Determination of Electrical Resistance［S］.Brussels:EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION，2012.

［4］EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.Railway Applications Track Test Methods for Fastening Systems Part 4:Effect of Repeated Loading［S］.Brussels:EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION，2012.

［5］EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.Railway Applications Track Performance Requirements for Fastening Systems Part 5:Fastening Systems for Slab Track［S］.Brussels:EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION，2012.