橡膠浮筏板小半徑曲線行車安全性試驗研究

馮光福，張小華，張世榮，陳立俊，韋曉陽

（1. 南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧 530021；2. 中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090）

0 引言

橡膠浮筏板是一種采用橡膠隔振器作為彈性支承元件，并內置于道床板內的新型特殊減振軌道結構。它充分利用橡膠的黏彈和阻尼特性，減小支承元件的體積，降低道床板的厚度，從而有效降低軌道高度和重量，解決一些空間不足或承載能力小的線路減振和設計難題。通過調整橡膠隔振器配置，可以在不改變結構的情況下，實現剛度的調整，滿足不同區段的使用需求。橡膠浮筏板應用于城市軌道交通，可有效降低列車運行對周邊環境振動噪聲的影響。

本文結合南寧市軌道交通 2 號線的實際情況，對新型橡膠浮筏板在小半徑曲線段的行車安全性進行測試分析，以期為后續線路的規劃和設計提供參考。

1 測試概況

南寧市軌道交通 2 號線是連接南寧市南北方向的骨干線，全線采用地下線方式敷設，線路全長 21.2 km。其中，安吉綜合基地入段線區間的曲線半徑為 360 m，超高 112 mm，順坡率 1.9‰，設計速度 58.3 km/h。該路段采用了由南寧軌道交通集團有限責任公司與中國船舶重工集團公司第七一一研究所聯合研制的橡膠浮筏板軌道減振系統，主要由鋼軌、扣件和墊板、浮筏軌道板、橡膠隔振器、剪力鉸等組成（圖 1）。選取該地段的圓曲點（里程 DK0+162.5）作為測試斷面，進行橡膠浮筏板在小半徑曲線段的行車安全性試驗研究。

圖1 橡膠浮筏板軌道減振系統

2 安全性評價指標

根據車輛動力學性能指標的評價標準，一般以脫軌系數、輪重減載率和單側輪軌橫向力等指標來評定車輛運行的安全性。

（1）脫軌系數。指爬軌輪上的橫向水平力H與垂直力P1的比值H/P1，用于鑒定車輛的車輪在輪軌力作用下是否爬上鋼軌頂面而引起脫軌。根據相關標準規定，脫軌系數的限值見表 1。

表1 脫軌系數限值

表2 輪重減載率限值

（3）單側輪軌橫向力。指單側輪軌最大橫向力，用于鑒定車輛是否導致軌距擴寬（道釘拔起）或線路產生嚴重變形（鋼軌和軌枕在道床上出現橫向滑移或擠翻鋼軌）。根據相關標準規定，單側輪軌橫向力的限值為0.4P（P為軸重）。

3 現場測試

3.1 試驗車輛

采用地鐵 B 型車，列車 6 節編組（4 動 2 拖），動車質量 35 t，拖車質量 31 t。列車全長 120 m，車輛定距12.6 m，軸距 2.3 m。測試期間，空車以 60 km/h 的速度往返行車。

3.2 試驗方法

參考TB/T 2498-94《輪水軌平力、垂直力地面測試方法》，采用全橋剪應力法，測試列車通過測試斷面時鋼軌在垂向和橫向的動態應變。利用 DH5920 動態信號數據采集分析儀進行數據的采集記錄，采樣頻率設為2 000 Hz。

3.3 現場標定

現場標定是通過對鋼軌的垂向和橫向分別施加已知載荷，記錄相應的應變值，然后將已知載荷與對應的應變進行數據擬合，從而得到該測試通道力與應變之間的函數關系。采用載荷加載設備和標定架分別對垂向力和橫向力的測試通道進行現場標定，各測試通道的標定結果見圖 2。

圖2 現場標定結果

4 測試結果分析

（1）實測列車通過測試斷面時，鋼軌垂向和橫向對應的典型動態應變時程曲線如圖 3 所示。由圖 3 可知，列車經過時內、外軌的垂向應變時程曲線有明顯的 24 個峰值，表明該 6 節編組列車的 24 個輪對的載荷全部作用在鋼軌上，車輪垂向無跳脫現象。

（2）根據動態應變測試數據，結合現場標定所得應變與載荷的函數關系，計算出每趟列車的每個輪對經過測試斷面時的輪軌力。外軌和內軌輪軌力的典型樣本時程曲線如圖 4 所示。由圖 4 可知，外軌和內軌的輪軌垂向力清晰明顯，外軌受力整體大于內軌（實測運行速度 62 km/h 大于 58.3 km/h 的理論設計速度）。外軌的輪軌橫向力由于受到導向力、超高未平衡橫向力和輪軌摩擦阻力等綜合作用，受力情況比較復雜，輪軌橫向力主要指向軌道外側，但依然存在指向軌道中心線的較小橫向力（數值為負值）。內軌受到后輪的橫向作用力微弱，說明轉向架的后輪基本不擠壓內軌。

圖3 列車經過時的動態應變時程曲線

圖4 內、外軌輪軌力時程曲線

（3）經統計，實測不同車次列車通過時的輪軌垂向力最大值如圖 5 所示。由圖 5 可知，外軌的輪軌垂向力最大值在 57.34～61.73 kN 之間，內軌的輪軌垂向力最大值在 44.69～47.93 kN 之間。輪軌垂向力最大值、最大均值和均方差統計結果見表 3。由圖 5 和表 3 可知，實測列車輪軌垂向力最大值 61.73 kN 出現在外軌上，與文獻[7]規定的限值 250 kN 相比有足夠的安全裕量。

圖5 不同車次輪軌垂向力最大值

表3 輪軌垂向力統計表 kN

5 安全性指標評價

將所有車次的各輪動態軌輪力，分別按照安全性評價指標進行分析，然后得到每車次的最大值，最終統計出車輛經過小半徑曲線的橡膠浮筏板的運行安全性評價指標結果。

5.1 脫軌系數

實測列車經過測試斷面時，不同車次的外、內輪軌脫軌系數的最大值如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，內軌的輪軌最大脫軌系數在 0.35～0.53 之間，外軌的輪軌最大脫軌系數在 0.20～0.36 之間，內軌的脫軌系數明顯大于外軌。列車外、內軌脫軌系數的最大值、最大均值和均方差的統計結果見表 4。由圖 6 和表 4 可知，實測列車脫軌系數最大值為 0.53，與相關規范規定的車輛脫軌系數限值 0.8 相比有足夠的安全裕量。

圖6 不同車次輪軌脫軌系數最大值

表4 脫軌系數統計表

5.2 輪重減載率

實測列車經過測試斷面時，不同車次的最大輪重減載率在 0.19～0.27 之間，最大值出現在轉向架的第一輪對。列車輪重減載率的最大值、最大值均值和均方差的統計結果見表 5。由表 5 可知，實測列車輪重減載率最大值為 0.27，與相關規范規定的車輛輪重減載率限值 0.6相比有足夠的安全裕量。

表5 輪重減載率統計表

5.3 單側輪軌橫向力

實測列車經過測試斷面時，不同車次的外、內軌輪軌橫向力的最大值如圖 7 所示。內軌橫向力的最大值在14.18～21.67 kN 之間，外軌橫向力的最大值在 11.05～20.67 kN 之間，單側輪軌橫向力最大值、最大值均值和均方差的統計結果見表 6。由圖 7 和表 6 可知，實測列車輪軌橫向力最大值 21.67 kN 出現在內軌上，與文獻[6]規定的限值 56 kN 相比有一定的安全裕量。

圖7 不同車次輪軌橫向力最大值

表6 輪軌橫向力統計表 kN

6 結語

（1）通過對新型橡膠浮筏板減振軌道系統小半徑曲線的實車安全性運行試驗測試，脫軌系數、輪重減載率和單側輪軌橫向力最大值分別為 0.53、0.27 和 21.67 kN，均滿足相應安全限值的要求，且還有一定的安全裕量。測試結果表明，新型橡膠浮筏板減振軌道系統在小半徑曲線段依然能保證列車運營安全。

（2）在橡膠浮筏板的小半徑曲線段（R= 360 m），曲線外側的輪軌垂向力大于內側，最大輪軌橫向力和最大脫軌系數則出現在內側，轉向架的前輪輪重減載率一般大于后輪。研究成果可為后續小半徑曲線減振設計和規劃提供參考。