新型橡膠浮置板軌道安全性能試驗研究

張馳易

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430063)

城市軌道交通在我國發(fā)展迅速，其運營產(chǎn)生的振動噪聲越來越受到人們的關注，由此衍生出許多類型的減振軌道，橡膠浮置板軌道是其中一種減振效果較好的減振軌道形式，在國內許多城市均有鋪設[1-2]。

傳統(tǒng)的橡膠浮置板軌道由鋼軌、扣件、軌枕、鋼筋混凝土道床、基底、橡膠彈性墊層(橡膠支座或橡膠墊)等組成[3]。隨著運營時間推移，其所存在的問題也逐漸顯現(xiàn)，如由于隧道沉降、變形等導致軌道幾何形位發(fā)生變化、軌道難以調整，橡膠彈性墊層檢修、更換困難等問題[4]。但橡膠材料作為一種兼具彈性和良好阻尼特性的天然材料[2]，是理想的減振材料，隨著技術水平的進步，新型的橡膠浮置板軌道應運而生。

新型橡膠浮置板軌道是在傳統(tǒng)橡膠浮置板軌道結構基礎上，將橡膠彈性墊層替換為便于拆卸、維修的橡膠隔振器，在點支承的軌道質量-彈簧振動體系中起彈性及阻尼作用，見圖1。

圖1 新型橡膠浮置板軌道

目前，新型橡膠浮置板軌道已在深圳地鐵11號線試鋪。由于動力仿真模擬研究的結果易受參數(shù)取值、模擬輸入條件等影響，因此本文開展了實地試驗研究，以便更為準確地探討這種新型減振軌道的安全性能。

1 安全性能評價指標

依據(jù)相關規(guī)范[5-8]及借鑒國內關于軌道安全性研究方法[9-11]，本文主要從以下幾方面對新型橡膠浮置板軌道安全性能進行評價。

1)鋼軌、道床板垂向位移

對于低軌道剛度的浮置板軌道，鋼軌及道床板的垂向位移是判別其安全性的重要指標。根據(jù)CJJ/T 191—2012 《浮置板軌道技術規(guī)范》的規(guī)定[5]，浮置板軌道鋼軌最大垂向位移不得超過4 mm，道床板最大垂向位移不得超過3 mm。

2)輪軌橫向力

GB 5599—85 《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》對輪軌橫向力Q的規(guī)定為[7]：Q≤2.9+0.3Pst為危險限度,Q≤1.9+0.3Pst為容許限度，其中Pst為車輪靜輪載。

試驗線路采用A型車，Pst取80 kN，因而輪軌橫向力容許限度為25.9 kN。

3)脫軌系數(shù)

脫軌系數(shù)為某一時刻作用在車輪上的橫向力Q與垂向力P的比值。TB/T 2360—93 《鐵道機車動力學性能試驗鑒定方法及評定標準》對脫軌系數(shù)的規(guī)定為[8]：Q/P=0.6為優(yōu)良;Q/P=0.8為良好;Q/P=0.9為合格。

4)輪重減載率

輪重減載率為評定車輛在輪對橫向力為0或接近為0的情況下，因一側車輪嚴重減載而脫軌的安全性指標。GB 5599—85對輪重減載率ΔP/P的規(guī)定為[7]：ΔP/P≤0.65為第一限度;ΔP/P≤0.60為第二限度。

本試驗研究擬對列車通過新型橡膠浮置板軌道及新型橡膠浮置板軌道與普通軌道過渡段時的鋼軌、道床板垂向相對位移以及輪軌垂向力、橫向力展開測試，得出鋼軌、道床板垂向位移指標及脫軌系數(shù)、輪重減載率等輪軌力指標，據(jù)此對軌道結構安全性能進行評價。

2 試驗測試設備及測點布置

本試驗主要的測試設備有IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、NS-WY02位移傳感器、自補償應變片及數(shù)據(jù)處理分析軟件等。

新型橡膠浮置板軌道及過渡段軌道的測點布置見圖2。

圖2 新型橡膠浮置板軌道及過渡段軌道測點布置示意

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 新型橡膠浮置板軌道地段

試驗中，采集、記錄多趟列車通過各軌道測點處的測試數(shù)據(jù)。任意抽取其中1組列車通過新型橡膠浮置板軌道地段的位移測試數(shù)據(jù)樣本。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得出鋼軌及道床板位移時程曲線，見圖3、圖4。

圖3 鋼軌垂向相對位移時程曲線

圖4 道床板垂向位移時程曲線

由圖4可見，迎車端(B-B截面)道床板位移小于遠車端(C-C截面)道床板位移。主要是由于車輛走行部從迎車端運行至遠車端過程中，已完成對橡膠隔振器的“加載”，故而遠車端位移稍大。

抽取20組鋼軌及道床板的垂向位移幅值，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出鋼軌相對道床板垂向位移幅值平均值為1.02 mm，道床板垂向位移幅值平均值為2.12 mm(B-B截面)和2.67 mm(C-C截面)，由此得出鋼軌垂向絕對位移為3.14～3.69 mm。

任意抽取1組列車通過新型橡膠浮置板軌道地段輪軌力的測試數(shù)據(jù)樣本，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出輪軌垂向力、橫向力時程曲線，見圖5。

采集到的輪軌力數(shù)據(jù)為微應變，根據(jù)現(xiàn)場標定及輪軌力與應變轉換關系，輪軌垂向力為每微應變4.89 kN，輪軌橫向力為每微應變1.59 kN，由此可以換算出相關輪軌力值。抽取50組輪軌力幅值數(shù)據(jù)樣本，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得出輪軌力幅值、脫軌系數(shù)及輪重減載率的散點圖，見圖6—圖8。

圖7 脫軌系數(shù)散點圖

圖8 輪重減載率散點圖

經(jīng)統(tǒng)計，輪軌力的相關指標見表1。

表1 新型浮置板軌道安全性能相關指標

由圖6—圖8、表1可見，3個安全性能相關指標值均有較大的數(shù)據(jù)離散性，其中輪軌橫向力最大值為13.18 kN，脫軌系數(shù)最大值為0.23，輪重減載率最大值為0.22。

3.2 過渡段軌道

過渡段軌道設計是減振軌道設計的重要環(huán)節(jié)。由于過渡段是軌道剛度連續(xù)變化的區(qū)段，也是車輛運行狀態(tài)持續(xù)變化的區(qū)段，其動態(tài)位移及輪軌力情況對于行車安全至關重要。

同3.1節(jié)數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計方法，得出過渡段軌道的鋼軌相對道床板垂向位移幅值平均值為0.84 mm，道床板垂向位移幅值均值為1.86 mm(B-B截面)和2.38 mm(C-C截面)，由此得出鋼軌垂向絕對位移為2.70～3.22 mm。

過渡段軌道輪軌橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率指標見表2。

從過渡段軌道測試數(shù)據(jù)看，安全性能相關指標值同樣有較大的數(shù)據(jù)離散性，輪軌橫向力最大值為15.66 kN，脫軌系數(shù)最大值為0.26，輪重減載率最大值為0.16，輪軌橫向力和脫軌系數(shù)指標較浮置板軌道地段均有增大，輪重減載率減小。

表2 過渡段軌道安全性能相關指標

4 結論

通過對列車通過新型橡膠浮置板軌道及過渡段軌道的試驗測試研究，得出以下結論：

1)試鋪新型橡膠浮置板軌道及過渡段軌道鋼軌垂向位移最大值分別為3.69,3.22 mm，小于限值4 mm；道床板垂向位移最大值分別為2.67,2.38 mm，小于限值3 mm。

2)輪軌橫向力最大值分別為13.18,15.66 kN，小于容許值25.9 kN；脫軌系數(shù)最大值分別為0.23,0.26，小于優(yōu)級指標0.6；輪重減載率最大值分別為0.22,0.16，小于第二限度值0.6。

因而，以上各安全性能指標均滿足規(guī)范要求，試鋪新型橡膠浮置板軌道安全性能較好。

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