城市軌道交通高架線減振扣件設(shè)計及現(xiàn)場應(yīng)用

張 歡，胡岳銀，肖俊恒，胡尚衡，吳玥，朱煜，姜凱，賀志文

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

在城市軌道交通領(lǐng)域,很多線路為降低成本,采用高架橋的敷設(shè)方式建造,橋上對扣件的鋼軌縱向阻力要求比較苛刻,比如長大橋梁要采用小阻力扣件,普通的簡支梁要采用常阻力扣件,且橋梁線路沿線有居民、文教區(qū)等建筑,扣件還需要提供一定的減振性能[1-6]。

目前,我國一些城市軌道交通高架線采用下鎖式雙層非線性減振扣件(以下簡稱“雙非減振扣件”),列車運營一段時間后扣件會出現(xiàn)鋼軌空吊和軌距難以保持等情況,影響列車運行安全[7-11]。因此,亟需設(shè)計一套既滿足行車安全,又滿足鋼軌縱向阻力要求,且能達到中等減振效果的高架線減振扣件。

1 高架線雙非減振扣件傷損及原因分析

通過調(diào)研多個城市地鐵高架線路雙非減振扣件的服役情況,發(fā)現(xiàn)雙非減振扣件均出現(xiàn)了一些共性問題[12-15]。

(1)扣件雙層鐵墊板間彈性墊板橫向位移量過大,長期作用會壓潰從而造成鋼軌空吊;固定上下層鐵墊板的尼龍鎖扣出現(xiàn)離縫,致使列車途經(jīng)該區(qū)段出現(xiàn)晃車現(xiàn)象。

(2)在日常養(yǎng)護中發(fā)現(xiàn)線路軌距、方向數(shù)據(jù)經(jīng)常變化,難以保持,采用軌距拉桿來維持軌距,如圖1所示。

圖1 雙非減振扣件區(qū)段采用軌距拉桿保持軌距Fig.1 Gauge tie rod is used to keep gauge in the section of double-layer nonlinear vibration damping fastener

(3)隨著雙層減振扣件服役時間變長,其減振效果會明顯下降。

(4)從線路分布上來看,出現(xiàn)彈性墊板壓潰和鋼軌空吊問題的扣件約90%在曲線地段,且傷損數(shù)量隨曲線半徑的減小而增多。

綜合多座城市地鐵工務(wù)部門養(yǎng)護維修反饋和現(xiàn)場調(diào)研,通過對比不同地段雙非減振扣件的使用情況,并結(jié)合傷損扣件拆解分析,對其傷損進行綜合原因分析,結(jié)果如下。

(1)雙非減振扣件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件較多,容易引起尼龍件、橡膠件等非金屬件的老化和損壞。

(2)從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點上來看,雙非減振扣件自身存在設(shè)計缺陷,上、下層鐵墊板固定僅僅依靠尼龍鎖扣,無法長期承受橫向剪切力,自身約束力不足,尤其是在小半徑曲線地段,列車高速通過時極易造成尼龍鎖扣磨損、變形、甚至開裂,從而出現(xiàn)中間層彈性墊板橫向竄動;列車途經(jīng)該區(qū)段時,軌距保持較為困難,易造成晃車現(xiàn)象。

(3)長期使用過程中,雙層減振扣件上、下鐵墊板間的彈性墊板凸臺易發(fā)生磨損,造成減振效果下降。

(4)從使用環(huán)境上來看,高架線雙層減振扣件使用環(huán)境較為苛刻,受高溫高寒、風(fēng)吹日曬影響,會加速內(nèi)部尼龍件和橡膠件老化,相比地下段出現(xiàn)問題的數(shù)量較多。

2 高架線減振扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)方案

本文設(shè)計的高架線減振扣件命名為WJ-18C型中等減振扣件(以下簡稱“減振扣件”),由彈條、T型螺栓、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)埋套管組成。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。減振扣件組成如圖2所示。

圖2 減振扣件組成Fig.2 Composition of vibration damping fastener

減振扣件結(jié)構(gòu)的特點如下:①彈性鐵墊板采用單層鐵墊板,可有效降低成本,同樣剛度條件下減振效果好于雙非減振扣件;②軌下采用高剛度墊板,僅起緩沖作用,不提供彈性,能夠有效保持軌距;③軌下墊板可使用普通橡膠墊板或聚四氟乙烯與橡膠復(fù)合墊板,根據(jù)實際需求可提供不同的鋼軌縱向阻力;④在彈性鐵墊板上設(shè)置1∶40軌底坡,混凝土軌枕或軌道板承軌面為平坡,方便現(xiàn)場施工作業(yè)。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如下:①一般區(qū)段每組扣件鋼軌縱向阻力≮7 kN,長大橋梁扣件有小阻力需求時采用復(fù)合墊板,每組扣件鋼軌縱向阻力為3～5 kN;②彈性鐵墊板靜剛度為10～15 kN/mm,動靜剛度比為1.1～1.5;③軌距調(diào)整量為-24～+20 mm;④鋼軌高低調(diào)整量為40 mm;⑤扣件單個彈條扣壓力6 kN,彈程8.8 mm;⑥扣件絕緣電阻≮10 kΩ;⑦預(yù)埋套管抗拔力≮100 kN。

2.3 關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.3.1 絕緣軌距塊和緩沖調(diào)距塊

絕緣軌距塊根據(jù)軌距調(diào)整的需要分4號、6號、8號、10號、12號和14號,共6個型號,標(biāo)準(zhǔn)軌距時外側(cè)采用8號,內(nèi)側(cè)采用10號。

緩沖調(diào)距塊根據(jù)軌距調(diào)整的需要分10-10號和4-16號,共2個型號,標(biāo)準(zhǔn)軌距時鋼軌內(nèi)外側(cè)均采用10-10號。

為提高絕緣軌距塊和緩沖調(diào)距塊的絕緣性能,原材料均選用玻纖增強聚酰胺66。

2.3.2 軌下墊板

2.3.3 彈性鐵墊板

考慮地鐵高架線的空間尺寸,該扣件錨固螺栓釘孔呈錯列式布置,并與普通區(qū)段WJ-2A型扣件釘孔間距保持一致,即為290 mm(橫向)×127 mm(縱向)?？紤]與橋上既有雙非減振扣件的高程匹配,故將彈性鐵墊板的總厚度設(shè)計為57 mm。

采用橡膠硫化技術(shù)將帶軌底坡的鐵墊板和鋼套硫化成一體,此結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)垂向低剛度并能提供一定的橫向剛度,如圖3所示。

圖3 彈性鐵墊板主視Fig.3 Main view of elastic baseplate

(1)鐵墊板優(yōu)化設(shè)計

鐵墊板設(shè)計厚度為25 mm,根據(jù)高速鐵路扣件鐵墊板的使用經(jīng)驗,本設(shè)計對鐵墊板上彈條跟端支承座進行優(yōu)化,減小鐵墊板上彈條跟端支承座前端限位槽長度,見圖4,避免彈條安裝時鐵墊板支承座圓弧內(nèi)側(cè)和彈條中肢接觸從而產(chǎn)生過大接觸應(yīng)力造成彈條斷裂。

圖4 鐵墊板彈條支承座示意Fig.4 Illustration of clip support seat of baseplate

(2)橡膠型面設(shè)計

①橡膠材料為天然橡膠,橡膠層型面如圖5所示。設(shè)計厚度為32 mm,底厚5 mm。在橡膠凸臺上設(shè)計“高度差”特征,一級凸臺高27 mm,二級凸臺高20 mm,可實現(xiàn)“變剛度”和過載保護功能;在橡膠凸臺之間設(shè)計加強筋,肋帶高10 mm,增加穩(wěn)定性;保證鋼軌在安裝狀態(tài)下兩側(cè)正下方均存在承載橡膠凸臺,增強鐵墊板疲勞性能;增加錨固螺栓固定處橡膠接觸面積,提高彈性鐵墊板與軌枕面的橫向摩擦阻力。

2、屋面結(jié)構(gòu)安全可靠，屋面整體達到正常使用及遭遇地震、暴雪、大風(fēng)、暴雨時的安全性要求，無漏雨、滲水現(xiàn)象。

圖5 彈性鐵墊板橡膠型面Fig.5 Rubber profile of elastic baseplate

②采用“炭黑原位接枝改性技術(shù)”使膠料不但具有了良好的流動性,而且橡膠耐老化性能有很大提升。

③采用有限元分析軟件對彈性鐵墊板進行強度分析計算,在100 kN垂向載荷下鐵墊板及橡膠應(yīng)力分布云圖分別如圖6和圖7所示,鐵墊板的最大應(yīng)力位于承軌面處,為63.33 MPa,遠(yuǎn)小于金屬材料QT450-10的極限抗拉強度,符合強度要求。橡膠部分的最大應(yīng)力在凸臺邊緣處,為3.14 MPa,遠(yuǎn)小于橡膠的許用應(yīng)力。

圖6 鐵墊板應(yīng)力云圖(單位:MPa)Fig.6 Stress nephogram of baseplate (unit: MPa)

圖7 橡膠底面應(yīng)力云圖(單位:MPa)Fig.7 Stress nephogram of rubber bottom(unit: MPa)

3 減振扣件組裝性能試驗

減振扣件組裝性能試驗均按照TB/T 3396—2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗方法》系列標(biāo)準(zhǔn)進行。

3.1 鋼軌縱向阻力試驗

減振扣件的鋼軌縱向阻力測試結(jié)果見表1,結(jié)果表明,減振扣件鋼軌縱向阻力滿足技術(shù)要求。

表1 鋼軌縱向阻力測試結(jié)果 kNTab.1 Test results of rail longitudinal resistance

3.2 組裝疲勞性能試驗

組裝疲勞性能試驗荷載參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)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類扣件疲勞載荷參數(shù)取值。垂向力取43 kN,橫向力取34 kN。鋼軌高度100 mm。

組裝疲勞試驗后,減振扣件各零部件狀態(tài)良好,試驗數(shù)據(jù)見表2,軌距擴大量為3.2 mm,組裝靜剛度變化率最大值為-3.3%,均滿足技術(shù)要求。

表2 組裝疲勞性能試驗結(jié)果Tab.2 Test results of assembly fatigue performance

3.3 絕緣性能試驗

扣件的絕緣性能試驗結(jié)果見圖8(a),減振扣件兩軌間最小絕緣電阻為90 kΩ,滿足技術(shù)條件≮10 kΩ的技術(shù)要求。同時,也對雙非減振扣件進行了絕緣性能試驗,試驗結(jié)果見圖8(b),雙非減振扣件兩軌間最小絕緣電阻為37 kΩ。

圖8 扣件絕緣電阻試驗結(jié)果Fig.8 Insulation resistance test results of fastener

通過試驗結(jié)果可知:減振扣件的絕緣性能優(yōu)于雙非減振扣件。

4 減振扣件現(xiàn)場試鋪及實車測試

4.1 減振扣件現(xiàn)場試鋪

選取寧波地鐵1號線下行邱隘東至五鄉(xiāng)區(qū)間K24+667～K24+847高架段作為試驗段,該區(qū)段既有扣件為下鎖式雙層非線性減振扣件,由于現(xiàn)場出現(xiàn)前面所述的病害,特此進行新型減振扣件的試鋪。線路采用 60 kg/m 鋼軌無縫線路,曲線半徑R=1 200 m,坡度為20‰ 上坡,鋪設(shè)總長度為180 m,見圖9。

圖9 WJ-18C型減振扣件現(xiàn)場試鋪Fig.9 Field trial laying of WJ-18C vibration damping fastener

目前試鋪的減振扣件服役狀態(tài)良好,能夠滿足列車運營和日常養(yǎng)護維修要求。

4.2 測試內(nèi)容及測點布置

測試內(nèi)容包括:軌道結(jié)構(gòu)動力性能測試的輪軌垂向力、輪軌橫向力;鋼軌橫向位移、鋼軌垂向位移;減振性能測試的減振扣件和參照扣件的梁面垂向振動加速度,測點布置如圖10所示。

圖10 減振扣件實車試驗測點布置Fig.10 Layout of measuring points for real vehicle test of vibration damping fasteners

4.3 軌道結(jié)構(gòu)動力性能測試結(jié)果

列車以68.8～76.0 km/h速度通過試驗段時,各項軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能指標(biāo)均滿足 TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》[16]要求。輪軌垂向力和輪軌橫向力最大值分別為83.1 kN和13.3 kN,脫軌系數(shù)最大值為0.20,輪重減載率最大值為0.17,輪軸橫向力最大值為15.3 kN,列車可保證運行的安全性。鋼軌軌頭橫向位移最大值為0.82 mm,動態(tài)軌距擴大量最大值為1.14 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0.78 mm,扣件可有效提供彈性。

綜上所述,減振扣件各項軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4.4 減振性能測試結(jié)果

根據(jù)高架橋的特征和測試斷面附近的線路條件,特選取普通WJ-2A型扣件作為減振性能評價的參照扣件。此外,為對比WJ-18C減振扣件的減振效果,在鋪設(shè)WJ-18C型減振扣件前即進行了同位置雙非減振扣件的減振性能測試,再將兩種減振扣件的減振效果進行對比。

4.4.1 減振性能評價方法

目前,地鐵減振性能評價主要參照GB/T 10071—88《城市區(qū)域環(huán)境振動測量方法》[17]、CJJ/T 191—2012《浮置板軌道技術(shù)規(guī)范》[18]和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(biāo)準(zhǔn)》[19]等標(biāo)準(zhǔn)來進行。采用最大Z振級的插入損失、分頻振級均方根的差值和分頻最大振級綜合評價減振扣件的減振效果,具體評價方法參見《城市軌道交通WJ-18B型減振扣件研發(fā)及應(yīng)用》[20]。

4.4.2 減振效果對比分析

(1)最大Z振級的插入損失

減振扣件梁面最大Z振級的插入損失結(jié)果如表3所示。

表3 減振扣件最大Z振級的插入損失測試結(jié)果 dBTab.3 Test results of insertion loss of maximum Z vibration level of vibration damping fastener

(2)分頻振級均方根差值

雙非減振扣件梁面分頻振級均方根差值為8.8 dB,WJ-18C型減振扣件梁面分頻振級均方根差值為9.8 dB。

(3)最大分頻振級

WJ-2A型扣件梁面分頻最大振級為84.2 dB,雙非減振扣件梁面分頻最大振級為72.6 dB,WJ-18C型減振扣件梁面分頻最大振級為72.1 dB,中心頻率均為50 Hz。

綜上所述,3種減振性能評判方法均表明,WJ-18C型減振扣件的減振性能達到了中等減振效果。

5 結(jié)語

高架線既有下鎖式雙層非線性減振扣件所帶來的病害影響列車運營安全和減振性能,減振扣件的更新?lián)Q代已經(jīng)成為未來既有線提升運營安全性和減振性的重要手段。本文結(jié)合目前高架線減振扣件的問題,從問題導(dǎo)向出發(fā),設(shè)計出一種新型中等減振扣件,該扣件可根據(jù)現(xiàn)場實際需求提供不同的鋼軌縱向阻力;鐵墊板承接彈條尾部的獨特設(shè)計可避免彈條的折斷;彈性鐵墊板的橡膠采用“炭黑原位接枝改性技術(shù)”,橡膠的耐老化性能有很大提升。通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試鋪及實車試驗考核了減振扣件的安全性和減振性能,試驗結(jié)果表明,該減振扣件所有性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求,達到中等減振效果,可為未來城軌高架線的既有線改造提供技術(shù)儲備。