城市軌道交通WJ-18B型減振扣件研發(fā)及應(yīng)用

趙寧寧 張歡 崔道金 李進 李彥山 蔡世生 陳晨

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

截至2021 年底，中國內(nèi)地累計有50 座城市投入運營城軌交通線路，總里程達到9 192.62 km。扣件系統(tǒng)是軌道結(jié)構(gòu)的重要部件，不但具有保持軌距、抵抗橫向荷載的能力，還可提供良好絕緣性能和彈性［1-3］。

目前我國一些城市軌道交通采用下鎖式雙層非線性減振扣件，服役一段時間后會出現(xiàn)扣件雙層鐵墊板間彈性墊板橫向位移過大、扣件空吊、尼龍鎖扣離縫、軌距難以保持、鋼軌波磨等情況［4-7］。因此，亟待研發(fā)出一套既滿足行車安全，又滿足減振需求的扣件系統(tǒng)。

1 減振扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)方案

我國高速鐵路道岔扣件已鋪設(shè)十余年，目前使用情況良好，彈性鐵墊板未出現(xiàn)開裂破損等現(xiàn)象［8-9］。WJ‐18B 型減振扣件（以下簡稱減振扣件）是在高速道岔扣件的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計的。

減振扣件由彈條、T形螺栓、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)埋套管等組成，見圖1。鋼軌高低調(diào)整時采用軌下調(diào)高墊板和鐵墊板下調(diào)高墊板。

圖1 減振扣件組成

減振扣件結(jié)構(gòu)特點：①在鋼軌軌底與彈性鐵墊板間設(shè)軌下墊板，不提供彈性，僅起絕緣緩沖作用，符合上硬下軟的設(shè)計理念；②鐵墊板與鋼套通過橡膠硫化成一體，可提供一定的橫向剛度；③彈性鐵墊板釘孔錯列式布置，可減小扣件橫向尺寸，滿足現(xiàn)場橫向空間小的施工要求。

1.2 減振扣件技術(shù)參數(shù)

①每組扣件鋼軌縱向阻力不小于9 kN；②彈性鐵墊板靜剛度為15 ～20 kN/mm，動靜剛度比不大于2.0；③軌距調(diào)整量為-20 ～＋16 mm；④鋼軌高低調(diào)整量為40 mm；⑤扣件單個彈條扣壓力9 kN，彈程8 mm；⑥預(yù)埋套管抗拔力不小于100 kN。

1.3 關(guān)鍵零部件設(shè)計

1）軌下墊板

考慮在列車運營過程中軌下墊板會發(fā)生縱向或橫向竄動，設(shè)計時沿鋼軌縱向?qū)④壪聣|板兩端的邊耳卡在承軌臺上，形成縱向限位；垂直鋼軌方向軌下墊板外凸邊緣與彈性鐵墊板的擋肩形成橫向限位，如圖2所示。該減振扣件軌下墊板不提供彈性，采用硬質(zhì)橡膠，厚度有2、6 mm兩種規(guī)格，用以調(diào)整鋼軌高低。

圖2 軌下墊板限位示意

2）彈性鐵墊板

參照高速鐵路道岔扣件的應(yīng)用經(jīng)驗設(shè)計本扣件的彈性鐵墊板?？紤]地鐵的空間尺寸，釘孔間距為230 mm（橫向）×110 mm（縱向）。

彈性鐵墊板由鐵墊板、鋼套和橡膠硫化成一體，整體性好。彈性鐵墊板總體高度為57 mm，其中鐵墊板厚度為25 mm，橡膠厚度為32 mm，如圖3 所示。彈性鐵墊板的高度也可根據(jù)現(xiàn)場的軌面標高進行特殊設(shè)計。

圖3 彈性鐵墊板橫斷面（單位：mm）

2 減振扣件組裝疲勞性能試驗

在標準狀態(tài)下進行減振扣件的組裝疲勞性能試驗，試驗荷載參照歐洲標準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 類扣件疲勞荷載參數(shù)取值。垂向力取43 kN，橫向力取34 kN。鋼軌高度100 mm。試驗方法參照TB/T 3396.4—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法第4 部分：組裝疲勞性能試驗》。

減振扣件經(jīng)300萬次荷載循環(huán)組裝疲勞性能試驗后，各零部件狀態(tài)良好，未出現(xiàn)傷損現(xiàn)象。軌距擴大量為2.0 mm，滿足TB/T 3395.1—2015《高速鐵路扣件第1 部分：通用技術(shù)條件》中軌距擴大量不應(yīng)大于6 mm的要求。

3 減振扣件現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 試驗段鋪設(shè)

選取寧波地鐵1 號線下行K11+600—K11+780 圓形盾構(gòu)隧道內(nèi)半徑400 m 的曲線段作為試驗段，鋪設(shè)減振扣件，采用60 kg/m 鋼軌，見圖4。試驗段為坡率3‰的下坡。目前扣件服役狀態(tài)良好，能夠滿足列車運營和日常養(yǎng)護維修要求。

圖4 WJ‐18B型減振扣件試驗段現(xiàn)場鋪設(shè)

3.2 軌道結(jié)構(gòu)動力性能測試

列車以59.5 ～65.2 km/h 通過試驗段時減振扣件各項動力學(xué)性能指標均滿足TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》要求。輪軌垂向力、橫向力最大值分別為83.6、24.8 kN，脫軌系數(shù)最大值為0.35，輪重減載率最大值為0.16，輪軸橫向力最大值為14.1 kN，列車可保證運行的安全性。鋼軌軌頭橫向位移最大值為1.56 mm，動態(tài)軌距擴大量最大值為2.66 mm，這兩個測試參數(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1.02 mm，扣件可有效提供彈性。

3.3 減振性能測試

3.3.1 對比段和測試斷面的選取

為測試減振扣件的減振性能，考慮隧道斷面形式、曲線半徑、坡度等因素，選取1 號線下行線圓形盾構(gòu)隧道內(nèi)半徑450 m 的曲線段作為對比段。鋪設(shè)無縫線路DTⅢ2 型普通扣件，采用60 kg/m 鋼軌；坡率26‰，下坡；列車行駛速度為60.0 ～66.1 km/h。

試驗段、對比段的測試斷面分別取在K11+700 和K17+200。

3.3.2 計算方法

人體敏感振動是鉛垂向的振動分量［10-12］。GB 10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》以鉛垂向Z振級來評價環(huán)境振動對人體的影響。借鑒GB/T 10071—88中關(guān)于鐵路測量評價量的規(guī)定，讀取每次列車通過時傳遞至隧道壁的振動加速度，采用GB/T 13441—92《人體全身振動環(huán)境的測量規(guī)范》中的鉛垂向計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對1 ～80 Hz 的振動信號計權(quán)，得到Z振級的最大值Lzmax。通過Lzmax的插入損失對不同扣件的減振效果進行評估。

CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》中減振效果測量的頻率范圍為1 ～200 Hz，測量參數(shù)為隧道壁垂向振動加速度。采用分頻振級均方根的差值ΔLa評價減振效果。ΔLa的計算公式［13］為

式中：Lq（i）、Lh（i）分別為普通扣件區(qū)段和減振扣件區(qū)段隧道壁垂向振動加速度在1/3 倍頻程第i個中心頻率的分頻振級，dB。

根據(jù)JGJ/T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動與二次輻射噪聲限值及其測量方法標準》規(guī)定，采用GB/T 13441.1—2007《機械振動與沖擊人體暴露于全身振動的評價第1 部分：一般要求》中的頻率計權(quán)方法計算得到4 ～200 Hz 的分頻振級，將分頻最大振級作為減振效果評估指標。

本文采用Lzmax的插入損失、ΔLa和分頻最大振級綜合評價減振扣件的減振效果。

3.3.3 測試內(nèi)容及結(jié)果分析

將加速度計布置在一側(cè)隧道壁距軌面以上1.4 m處，測試兩種扣件所在斷面隧道壁的垂向振動加速度。選取20 輛列車經(jīng)過試驗段和對比段時的有效數(shù)據(jù)進行分析。

普通扣件、減振扣件隧道壁Lzmax的平均值分別為83.4、77.1 dB，插入損失為6.3 dB。

20 輛列車通過試驗段和對比段時隧道壁垂向振動加速度分頻振級平均值見表1。由式（1）和表1中的數(shù)據(jù)計算得出ΔLa為9.8 dB。

表1 20輛列車通過時隧道壁垂向振動加速度分頻振級平均值

普通扣件隧道壁分頻最大振級為86.2 dB，減振扣件隧道壁分頻最大振級為73.4 dB。

4 結(jié)論

1）經(jīng)300 萬次荷載循環(huán)組裝疲勞性能試驗后，WJ‐18B型減振扣件各零部件狀態(tài)良好，未出現(xiàn)傷損現(xiàn)象；軌距擴大量為2.0 mm，滿足TB/T 3395.1—2015中軌距擴大量不超過6 mm的要求。

2）經(jīng)在寧波地鐵線路試驗段試用，減振扣件服役狀態(tài)良好，能夠滿足列車運營和日常養(yǎng)護維修要求。對軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能進行測試，減振扣件各項動力學(xué)性能指標均滿足規(guī)范要求。

3）經(jīng)減振性能測試，減振扣件區(qū)段隧道壁Lzmax插入損失為6.3 dB，ΔLa為9.8 dB。普通扣件隧道壁分頻最大振級為86.2 dB，減振扣件隧道壁分頻最大振級為73.4 dB。減振效果明顯。