壓板式雙層非線性減振扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊偉挺，王安斌，高曉剛，龔湛林，張漢平，熊俊杰

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,上海 201620; 2.廣東信力科技股份有限公司,廣東東莞 523145; 3.東莞市軌道交通有限公司,廣東東莞 523073)

引言

隨著“十四五”規(guī)劃的開局,我國城市軌道交通建設(shè)及運(yùn)營方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。根據(jù)2021年8月交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),全國共有48個(gè)城市開通地鐵線路,共計(jì)247條,累計(jì)運(yùn)營里程達(dá)到7 970 km。城市軌道交通的快速發(fā)展,首先解決了城市居民日益增長的交通需求與交通局限性之間的矛盾,其次也帶動(dòng)了線路周邊民生經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1],如新建住宅小區(qū)、商業(yè)發(fā)展及其他物業(yè)建設(shè)等。與此同時(shí),隨著交通線路對周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展的輻射,居民的生產(chǎn)生活在振動(dòng)與噪聲環(huán)境方面對城市軌道交通提出了更高的需求[2]。治理既有線路可能存在的噪聲與振動(dòng)環(huán)評超標(biāo)問題有很強(qiáng)的必要性和建設(shè)性。目前市場主流的軌道交通振源減振技術(shù)包括車輛減振、扣件產(chǎn)品、鋼軌吸振器產(chǎn)品、彈性軌枕產(chǎn)品以及鋼彈簧道床產(chǎn)品等[3]。而鋼軌扣件相比其他產(chǎn)品,以產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性高、更換相對方便的優(yōu)點(diǎn)成為優(yōu)先級較高的減振措施[4]。

鋼軌扣件系統(tǒng)對線路運(yùn)營的安全性及平穩(wěn)性起決定性作用,扣件是軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),通過扣壓件等結(jié)構(gòu)固定鋼軌,同時(shí)通過螺栓等結(jié)構(gòu)與軌下基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)[5]。以實(shí)現(xiàn)鋼軌扣件基礎(chǔ)作用為前提,減振扣件是在扣件系統(tǒng)中加入彈性材料單元層,從而利用彈性層的隔振特性有效地從振源處降低城市軌道交通的振動(dòng)與噪聲[6]。減振扣件目前在我國城市軌道交通中應(yīng)用較多,其中某型雙層非線性扣件是具有代表性的一類扣件產(chǎn)品[7]。

1 現(xiàn)有雙層非線性扣件研究現(xiàn)狀

1.1 雙層非線性減振扣件介紹

某型雙層非線性減振扣件被列為中等減振措施,該減振扣件結(jié)構(gòu)如圖1所示。相關(guān)公開技術(shù)文件顯示該扣件系統(tǒng)由軌下橡膠墊板、鋼軌軌距尼龍調(diào)節(jié)塊、兩層鑄鐵墊板、中間彈性單元層、自鎖套筒等結(jié)構(gòu)組成[8]。在地鐵線路運(yùn)行工況下,軌下橡膠墊板以及中間彈性層受荷載會發(fā)生非線性彈性壓縮變形,起到隔振效果,降低從鋼軌到道床的振動(dòng)傳遞,以達(dá)到中等減振效果[9]。

圖1 某型雙層非線性減振扣件

1.2 雙層非線性減振扣件存在的問題

隨著雙層非線性減振扣件在城市軌道交通線路中的應(yīng)用,有現(xiàn)場技術(shù)人員研究發(fā)現(xiàn)該減振扣件存在一定缺陷,如:雙層鐵墊板總體高度較高,勢必導(dǎo)致鋼軌橫向穩(wěn)定性降低且成本相對于普通扣件的單層金屬墊板大幅增加;扣件整體組裝配合需要精確的設(shè)計(jì)公差,否則將出現(xiàn)預(yù)緊力過大或過小現(xiàn)象,進(jìn)一步導(dǎo)致彈性層無法正常工作。

因此,在現(xiàn)有扣件系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上,為適應(yīng)市場需求,克服現(xiàn)有減振扣件中存在的缺陷,設(shè)計(jì)一款新型雙層非線性減振扣件很有必要。

2 新型壓板式扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

針對以上問題,設(shè)計(jì)一種帶預(yù)緊力的壓板式雙層非線性減振扣件,通過單層鐵墊板結(jié)構(gòu)達(dá)到中等減振的效果[10]。其中主要設(shè)計(jì)要求包括:

(1)為避免改造軌枕與道床結(jié)構(gòu),節(jié)省運(yùn)營維護(hù)成本,該扣件應(yīng)能使用在既有線路上,即接口與普通扣件DZⅢ-1一致;

(2)為適應(yīng)現(xiàn)場安裝條件,扣件系統(tǒng)的預(yù)緊力、安裝鋼軌軌距及高度應(yīng)有較大的可調(diào)范圍[11],即該扣件應(yīng)滿足相應(yīng)技術(shù)規(guī)范要求的軌距調(diào)整量和調(diào)高量;

(3)為達(dá)到中等減振效果,一組扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度設(shè)計(jì)為(14±3) kN/mm,而落錘沖擊試驗(yàn)減振效果相對于普通型號非減振扣件為7～10 dB[12];

(4)為保證行車安全,扣件系統(tǒng)在最大調(diào)高量組裝條件下300萬次疲勞試驗(yàn)后,軌距擴(kuò)大量、軌頭動(dòng)態(tài)橫向位移應(yīng)滿足安全技術(shù)要求;

(5)現(xiàn)場安裝簡單,拆卸與維修容易[13]。

2.2 減振扣件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,結(jié)合城市軌道交通線路的實(shí)際情況,創(chuàng)新性地使用壓板式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)研發(fā)了新型壓板式減振扣件,如圖2所示。

圖2 壓板式減振扣件系統(tǒng)

該新型減振扣件采用壓板式雙彈性層減振結(jié)構(gòu),包括鑄鐵承軌座、剛性結(jié)構(gòu)壓蓋塊、壓塊尼龍耐磨套、鋼軌下彈性墊板、鑄鐵承軌座下彈性墊板、錨固螺栓及預(yù)埋螺栓套管、調(diào)高墊板與耦合墊板等。

其中剛性鑄鐵壓蓋先套上尼龍耐磨套,然后扣在鐵墊板凹槽內(nèi)。在這種結(jié)構(gòu)下,來自輪軌激勵(lì)的橫向力先通過鐵墊板傳遞至壓蓋結(jié)構(gòu),然后傳遞至錨固螺栓,以此保證錨固螺栓的穩(wěn)定性;這種結(jié)構(gòu)同時(shí)保證鑄鐵承軌座下彈性墊板有一定預(yù)緊力。底層彈性墊板正常工作,其材料絕緣且彈性充分發(fā)揮,提供對扣件系統(tǒng)的彈性及支撐作用,降低扣件系統(tǒng)的垂向剛度[14];設(shè)計(jì)尼龍耐磨套與壓蓋配套使用,避免壓蓋與鐵墊板之間直接剛性接觸,同時(shí)提高扣件系統(tǒng)絕緣性能。

壓板式扣件系統(tǒng)如圖3所示,扣件優(yōu)勢在于從工序及材料角度降低加工生產(chǎn)成本,且保證足夠的強(qiáng)度與減振性能。同時(shí),相比需要硫化、粘接、鎖扣等安裝工序的扣件,本壓板式扣件整體安裝流程以及后期養(yǎng)護(hù)維修過程簡便,節(jié)省人力、物力[15]。

圖3 壓板式扣件系統(tǒng)示意

3 壓板式扣件系統(tǒng)仿真

3.1 有限元ABQUS分析

根據(jù)相關(guān)研究[16],扣件系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)剛度以及減振性能受扣件系統(tǒng)內(nèi)各部件強(qiáng)度及垂向剛度等參數(shù)直接影響。根據(jù)三維實(shí)體模型,在商業(yè)有限元軟件ABAQUS中建立仿真分析模型(圖4),進(jìn)行扣件強(qiáng)度分析。該模型采用通用單位制,各部件材料基本參數(shù)見表1。

表1 扣件系統(tǒng)各部件材料參數(shù)

圖4 有限元分析模型

根據(jù)相關(guān)研究[17-18],扣件系統(tǒng)仿真荷載為軌頭中央垂向40 kN,軌頭中央橫向20 kN,以此模擬地鐵列車運(yùn)行時(shí)對每組扣件節(jié)點(diǎn)施加的荷載力。鋼軌軌腳施加9 kN的彈條扣壓力,鐵墊板彈條座施加向下的9 kN彈條壓力,彈條孔施加18 kN向上的彈條力;蓋板上設(shè)置40 kN集中力模擬螺栓安裝情況及預(yù)緊力。

先進(jìn)行扣件系統(tǒng)組裝強(qiáng)度檢算,從圖5可以看出,鐵墊板最大應(yīng)力173 MPa出現(xiàn)在彈條座位置,上壓蓋板最大應(yīng)力為114 MPa。

圖5 扣件系統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果(單位:MPa)

考慮QT450-10材料的屈服強(qiáng)度為310 MPa以及輪軌接觸時(shí)的偶然沖擊載荷,按照鐵路設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求扣件應(yīng)達(dá)到2～2.5倍安全系數(shù),因此,鐵墊板及上壓蓋板強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足要求。

尼龍?zhí)撞馁|(zhì)選用尼龍66,為驗(yàn)證尼龍?zhí)讖?qiáng)度及耐磨能力,進(jìn)行尼龍?zhí)椎哪Σ聊p計(jì)算,以此模擬在行車條件下受到壓板和鐵墊板垂向及橫向相互摩擦作用。計(jì)算結(jié)果如圖6所示,疲勞仿真結(jié)果為0.035 mm,與室內(nèi)通過扣件300萬次疲勞試驗(yàn)測量的最大磨損量一致。

圖6 尼龍?zhí)啄Σ聊p計(jì)算

綜上所述,扣件各關(guān)鍵部件強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 扣件系統(tǒng)垂向剛度分析結(jié)果

扣件系統(tǒng)位移如圖7、圖8所示,扣件系統(tǒng)垂向(U2方向)位移最大為2.68 mm,軌下墊的垂向平均位移為1.3 mm,板下墊的垂向平均位移為1.8 mm。計(jì)算軌下墊剛度為30.5 kN/mm,板下墊剛度為22.2 kN/mm,根據(jù)彈性體串聯(lián)計(jì)算方法扣件系統(tǒng)的剛度為12.8 kN/mm。

圖7 扣件系統(tǒng)仿真(U2方向)位移云圖(單位:mm)

圖8 扣件墊板仿真(U2方向)位移云圖(單位:mm)

3.3 扣件安全性分析

為研究壓板式扣件系統(tǒng)對列車運(yùn)行安全性的影響,建立車輛-軌道動(dòng)力學(xué)模型[19],如圖9所示?？奂诜抡娣治鲋械谝粚榆壪聫椥詨|模型為彈簧,鑄鐵板簡化為質(zhì)量塊,軌下彈性墊為第二彈簧,參數(shù)如表2所示。

表2 軌道系統(tǒng)及輪軌粗糙度

圖9 輪軌動(dòng)力學(xué)安全性分析模型

安全性分析結(jié)果如圖10所示:當(dāng)車輛速度為80 km/h時(shí),輪對脫軌系數(shù)峰值為0.23,輪重減載率峰值為0.24,相關(guān)技術(shù)要求最大值分別為0.6、0.8。結(jié)果表明,該壓板式扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到安全性要求。

圖10 安全性分析

4 室內(nèi)試驗(yàn)測試

借助實(shí)驗(yàn)測試平臺,通過剛度試驗(yàn)研究減振扣件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[20],通過組裝疲勞試驗(yàn)研究扣件的疲勞性能,通過落錘試驗(yàn)研究扣件的隔振性能。

4.1 扣件系統(tǒng)靜剛度試驗(yàn)

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),扣件系統(tǒng)安裝鋼軌,然后用工裝固定,平置在MTS試驗(yàn)機(jī)平臺上,如圖11所示。

圖11 扣件系統(tǒng)靜剛度試驗(yàn)

為降低誤差,進(jìn)行3組試驗(yàn),測試結(jié)果如表3所示。新型壓板式雙層非線性減振扣件系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)前靜剛度為15.6 kN/mm,疲勞試驗(yàn)后靜剛度為16.5 kN/mm,平均剛度變化率為6.43%,滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 組裝靜剛度實(shí)驗(yàn)

4.2 組裝疲勞試驗(yàn)

借鑒歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行減振扣件的組裝疲勞試驗(yàn),其中鋼軌按最大調(diào)高量安裝,試驗(yàn)現(xiàn)場如圖12所示。疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,疲勞試驗(yàn)加載300萬次荷載循環(huán),扣件系統(tǒng)各零件無傷損,其中鋼軌軌頭動(dòng)態(tài)橫移量為0.43 mm,鋼軌軌底動(dòng)態(tài)橫移量為0.30 mm,鋼軌軌底動(dòng)態(tài)垂移量為1.79 mm,軌距擴(kuò)大量 0.5 mm,達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過測試,扣件系統(tǒng)組裝扣壓力變化率6%,扣件系統(tǒng)組裝靜剛度變化率6.5%,鋼軌縱向阻力變化率8.7%。綜上所述,該扣件系統(tǒng)的疲勞性能達(dá)到扣件設(shè)計(jì)要求。

圖12 扣件系統(tǒng)疲勞試驗(yàn)

圖13 扣件疲勞試驗(yàn)完后部件無傷損

4.3 組裝扣件系統(tǒng)落錘試驗(yàn)

為研究減振扣件的減振效果,選用DZIII-1型扣件為對照組進(jìn)行落錘錘擊試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖14所示。采用落錘錘擊法模擬輪軌激勵(lì),布置加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以分析扣件系統(tǒng)的減振效果。

圖14 扣件系統(tǒng)落錘試驗(yàn)

分別采集記錄距離鋼軌軌底正中心25,50 cm的測點(diǎn)振動(dòng)值,在20～200 Hz頻段上該扣件對比DTIII-1型扣件1/3倍頻程插入損失為8.9 dB,達(dá)到中等減振扣件的減振效果。

5 結(jié)論

研究了一種壓板式雙層非線性減振扣件,對該扣件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元仿真分析及輪軌動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算工作,然后在室內(nèi)進(jìn)行扣件疲勞試驗(yàn)、扣件落錘試驗(yàn)及扣件剛度試驗(yàn),主要結(jié)論如下。

(1)扣件系統(tǒng)采用單層鐵墊板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),顯著降低了扣件安裝高度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室疲勞試驗(yàn)及輪軌動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算,扣件設(shè)計(jì)安全可靠。

(2)經(jīng)過扣件系統(tǒng)室內(nèi)靜剛度測試,軌下扣件節(jié)點(diǎn)剛度在疲勞試驗(yàn)后為17 kN/mm;通過室內(nèi)錘擊測試表明,扣件減振效果達(dá)到8.9 dB,滿足中等減振扣件設(shè)計(jì)要求。