小半徑曲線橡膠浮筏板軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)測試*

張小華 張世榮 馮光福 張晚晴 馬佳駿

(1.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所,201108,上海；2.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,530021，南寧；3.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,100055,北京//第一作者，高級工程師)

軌道交通領(lǐng)域的橡膠浮筏板是一種新型的特殊減振軌道結(jié)構(gòu)，應(yīng)用船用動(dòng)力設(shè)備的浮筏減振技術(shù)，采用橡膠隔振器作為彈性阻尼支承元件，結(jié)合浮筏板的質(zhì)量慣性作用和參數(shù)的合理設(shè)定，利用質(zhì)量效應(yīng)和調(diào)諧效應(yīng)，可大幅衰減輪軌振動(dòng)向基礎(chǔ)的傳遞，可有效地解決列車運(yùn)行對周邊環(huán)境的振動(dòng)噪聲污染問題[1、2]。

橡膠浮筏板軌道主要由鋼軌、扣件、浮筏軌道板和橡膠隔振器等組成(如圖1所示)。橡膠浮筏板軌道采用整體硫化的圓錐形橡膠隔振器作為彈性支承元件，并內(nèi)置于道床板中，充分利用橡膠的粘彈特性和自帶阻尼效果，提供合適的三向剛度和阻尼。由于無需外加阻尼材料，其結(jié)構(gòu)尺寸較常規(guī)浮置板的支承元件明顯減小，相應(yīng)的道床板厚度小，軌道高度低且質(zhì)量輕，可有效解決空間不足或承載能力小的線路減振規(guī)劃和設(shè)計(jì)難題。

圖1 橡膠浮筏板軌道結(jié)構(gòu)

通過調(diào)整橡膠隔振器配方，可以在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)整，以滿足不同區(qū)段的使用需求。

列車運(yùn)行時(shí)輪對會對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的垂向和橫向的沖擊力，極易造成軌道部件的損壞，加速鋼軌表面不平順。在小半徑曲線段此種情況尤為嚴(yán)重。各運(yùn)動(dòng)部件之間以及輪對與鋼軌之間還會產(chǎn)生相對位移。即使是較小的軌道不平順，可能也會導(dǎo)致動(dòng)力響應(yīng)的超限，從而導(dǎo)致軌距擴(kuò)大、鋼軌翻轉(zhuǎn)和磨耗加劇等，使線路的維修工作量大大增加，甚至危及行車安全[3-4]。嚴(yán)重的動(dòng)力響應(yīng)超限會加劇惡化線路不平順性，從而影響運(yùn)營列車的穩(wěn)定性[5]。然而在城市軌道交通中，受投資及地形等因素影響，不可避免會出現(xiàn)小半徑曲線[6]。因此，為了驗(yàn)證新型橡膠浮筏板軌道結(jié)構(gòu)在城市軌道交通小半徑曲線段的適用性，南寧軌道交通2號線試鋪了一段半徑曲線為360 m的橡膠浮筏板軌道，以對其可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

本文以小半徑曲線的橡膠浮筏板試驗(yàn)段作為研究對象，通過實(shí)車運(yùn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場測量輪軌力和結(jié)構(gòu)位移，詳細(xì)掌握列車經(jīng)過時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。選擇軌道系統(tǒng)安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)行新型橡膠浮筏板軌道結(jié)構(gòu)在小半徑曲線段的適用性評估。為新型橡膠浮筏板的深化應(yīng)用研究和軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)積累基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)工況

南寧軌道交通2號線試鋪了新型橡膠浮筏板的區(qū)段(以下簡為“試鋪段”)里程為DK0+150—DK0+300，為盾構(gòu)法施工的圓形隧道。隧道半徑為2 600 mm，隧道中心線偏移量為132 mm。試鋪段未設(shè)置緩和曲線。軌道為有縫線路，采用60 kg/m鋼軌。最小曲線半徑為360 m。

每塊浮筏板的長度為25 m，厚度為340 mm。試鋪段采用的ZX-3型扣件，靜剛度為40 kN/mm，布置間距為0.6 m。減振器采用DT50型橡膠隔振器，其靜剛度為10 kN/mm，動(dòng)靜比小于1.4。減振器在板中以1.168 m的間距均勻布置，在板端增加6組以0.600 m為間距加密布置。

2017年11月15日和16日在試輔段進(jìn)行正式實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛采用地鐵B型車。列車6節(jié)編組(4動(dòng)2拖)，軸重為14 t，動(dòng)車質(zhì)量為35 t，拖車質(zhì)量為31 t。列車全長120 m，車輛定距為12.6 m，軸距為2.3 m。

試驗(yàn)列車分別以40 km/h、50 km/h、60 km/h和70 km/h等不同的速度進(jìn)行試驗(yàn)測試。測試期間列車空車運(yùn)行。

1.1 輪軌力測試

輪軌力的測試按照TB/T 2498—1994《輪軌水平力、垂直力地面測試方法》中的“全橋剪應(yīng)力法”進(jìn)行。測量輪軌垂向力和輪軌水平力的應(yīng)變片貼片和組橋?qū)嵕耙妶D2。記錄儀采用DH5920動(dòng)態(tài)信號數(shù)據(jù)采集分析儀，采樣頻率設(shè)為2 000 Hz。垂向和橫向輪軌力的標(biāo)定，利用液壓千斤頂及標(biāo)定架在現(xiàn)場進(jìn)行。

圖2 測試用應(yīng)變片貼片和組橋?qū)嵕皥D

1.2 鋼軌、浮筏板位移測試

鋼軌和浮筏板的位移采用激光位移計(jì)進(jìn)行測試，記錄儀采用DH5920動(dòng)態(tài)信號數(shù)據(jù)采集分析儀。激光位移計(jì)采用特制的高強(qiáng)度、高剛度錨固裝置進(jìn)行固定。

2 測試結(jié)果及其分析

2.1 輪軌力測試結(jié)果

為了掌握列車經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板的動(dòng)態(tài)參數(shù)，對不同速度條件下列車經(jīng)過時(shí)的輪軌垂向力和橫向力進(jìn)行測試，每個(gè)速度測量10次。外軌、內(nèi)軌的垂向力及橫向力典型時(shí)域波形見圖3。

由圖3可以看出，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，內(nèi)軌和外軌的垂向力時(shí)程曲線有明顯的24個(gè)峰值，表明列車24個(gè)輪對的載荷全部作用到鋼軌上，車輪垂向無跳脫現(xiàn)象。外軌的輪軌橫向力由于受到導(dǎo)向力、超高未平衡橫向力和輪軌摩擦阻力等綜合作用，其受力情況復(fù)雜，故每個(gè)輪對的作用力變化幅度較大。輪軌橫向力主要指向軌道外側(cè)。內(nèi)軌受到后輪的橫向作用力微弱，說明轉(zhuǎn)向架的后輪基本不擠壓內(nèi)軌。

將每個(gè)速度條件下不同車次各輪對的動(dòng)態(tài)軌輪力實(shí)測峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后選取最大值,得到該速度級別下的輪軌力最大值，最終統(tǒng)計(jì)出4種不同速度下車輛經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板時(shí)輪軌垂向力和橫向力的實(shí)測最大數(shù)值,見表1。

a) 外軌垂向力

b) 內(nèi)軌垂向力

c) 外軌橫向力

d) 內(nèi)軌橫向力

列車運(yùn)行速度/(km/h)輪軌垂向力/kN輪軌橫向力/kN外軌內(nèi)軌外軌內(nèi)軌4054.4750.3916.8822.295053.8453.0120.6723.596061.7347.9321.2221.677062.9042.1723.6320.52

由表1可知，列車經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板時(shí)，輪軌垂向力的最大實(shí)測值為62.90 kN，小于規(guī)定的限值250 kN[7]，有足夠的安全裕量。

外軌的垂向力整體大于內(nèi)軌，所以外軌的垂向接觸應(yīng)力大于內(nèi)軌，從而導(dǎo)致外軌軌頂?shù)膿p耗快于內(nèi)軌。當(dāng)列車運(yùn)行速度為50 km/h時(shí)，內(nèi)外軌的垂向力基本達(dá)到平衡。此時(shí)列車處于平衡工況。隨著列車速度的提高，由于列車所受離心力的增加，車輛輪軌力作用中心逐漸外移，導(dǎo)致外軌垂向力逐漸增加，而內(nèi)軌則逐漸降低。實(shí)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律也與之吻合。外軌垂向力的最大值為62.90 kN，內(nèi)軌垂向力的最小值為42.17 kN，都出現(xiàn)在列車運(yùn)行速度為70 km/h時(shí)。相對平衡工況，外軌垂向力提高了16.83%，內(nèi)軌垂向力則下降了20.45%。可見，列車運(yùn)行速度的變化對鋼軌的內(nèi)軌影響大于外軌。

輪軌橫向力最大值的測試結(jié)果較為穩(wěn)定，表明速度的不同對其影響不大。總體來看，隨著列車速度的增加，外軌的輪軌橫向力增大，而內(nèi)軌的輪軌橫向力則是逐步減小。

2.2 列車運(yùn)行安全性分析

為了進(jìn)一步掌握列車經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板的運(yùn)行安全性，選擇不同速度條件下列車經(jīng)過時(shí)的單側(cè)輪軌橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率進(jìn)行安全性分析研究[8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，B型列車的單側(cè)輪軌橫向力限值為56 kN(0.4倍軸重)。根據(jù)GB 5599—1985《鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》、GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》和GB/T 14894—2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》中的規(guī)定，脫軌系數(shù)的限值選擇較為嚴(yán)苛的0.8，輪重減載率限值選為0.6。列車經(jīng)過小半徑曲線段時(shí)各速度條件相應(yīng)的安全性指標(biāo)最大實(shí)測值見表2。

表2 列車運(yùn)行安全性指標(biāo)最大實(shí)測值

實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 各項(xiàng)安全性參數(shù)指標(biāo)實(shí)測值均在安全限度內(nèi)，說明列車以不超過70 km/h的速度在小半徑曲線段的橡膠浮筏板軌道結(jié)構(gòu)上運(yùn)行是安全可靠的。

(2) 輪軌橫向力受力復(fù)雜，影響因素較多。各速度對應(yīng)的實(shí)測最大值相對穩(wěn)定，雖與運(yùn)營速度有一定關(guān)系，但受其影響較小。單側(cè)輪軌橫向力最大值為23.63 kN，出現(xiàn)在列車速度為70 km/h時(shí)，遠(yuǎn)小于其限值56 kN。

(3) 總體來看，脫軌系數(shù)和輪重減載率基本是隨著列車運(yùn)行速度的提高而逐步增加的，脫軌系數(shù)的變化不太明顯。在列車速度超過設(shè)計(jì)速度時(shí)或欠超高狀態(tài)下，脫軌系數(shù)變化不大，但輪重減載率出現(xiàn)明顯增大。列車速度為70 km/h時(shí)的輪重減載率為0.29，而在平衡工況下僅為0.13。可見，過高的列車運(yùn)行速度減小了列車的運(yùn)行安全余量。

2.3 軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

為了詳細(xì)掌握列車經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板時(shí)軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對不同速度條件下列車經(jīng)過時(shí)的鋼軌相對浮筏板的垂向和橫向位移、浮筏板垂向位移、浮筏板橫向位移等參數(shù)進(jìn)行了測試研究。軌道結(jié)構(gòu)的位移典型時(shí)域波形見圖4，每個(gè)速度條件下軌道結(jié)構(gòu)各部件的位移最大數(shù)值見表3。

a) 鋼軌相對浮筏板的垂向變形

b) 鋼軌相對浮筏板橫向變形

c) 浮筏板垂向變形

d) 浮筏板橫向變形

列車運(yùn)行速度/(km/h)鋼軌相對浮筏板垂向位移/mm鋼軌相對浮筏板橫向位移/mm浮筏板垂向位移/mm外軌內(nèi)軌外軌內(nèi)軌外軌內(nèi)軌浮筏板橫向位移/mm400.4690.5740.1510.1521.7981.8540.110500.4890.5270.1600.1661.8371.7840.133600.4740.5010.1610.1641.9421.6790.206700.4960.4860.1740.1492.0811.5570.285注:浮筏板垂向位移為板中位移,表示列車經(jīng)過時(shí)浮筏板的最大變形量。

由表3可知，鋼軌、浮筏板的垂向位移都滿足規(guī)范[10]的要求。浮筏板的最大垂向位移遠(yuǎn)大于鋼軌的位移，分?jǐn)偭酥饕能壍澜Y(jié)構(gòu)變形，明顯地減小了鋼軌的撓度。因此，浮筏板軌道減振結(jié)構(gòu)，在一定程度上能提高鋼軌的使用壽命。隨著列車速度的提高，浮筏板外側(cè)位移大于內(nèi)側(cè)，同時(shí)橫向位移指向鋼軌外側(cè)，說明在欠超高工況下浮筏板向外側(cè)傾斜。文獻(xiàn)[3]通過有限元模擬分析了城市軌道交通大坡道及小半徑曲線地段軌道結(jié)構(gòu)受力和變形特性，所得結(jié)論與本文實(shí)測結(jié)論一致。

隨著列車運(yùn)行速度的提高，鋼軌及浮筏板的垂向最大位移變化規(guī)律和輪軌力的變化規(guī)律基本相同。其中外側(cè)的鋼軌和浮筏板的位移分別增加了15.2%和15.7%，內(nèi)側(cè)的鋼軌和浮筏板的位移則分別減小了10.2%和16.0%。鋼軌和浮筏板內(nèi)外側(cè)的垂向位移平均值幾乎不受列車的運(yùn)行速度影響。由此可見，軌道結(jié)構(gòu)的位移，主要由列車靜態(tài)載荷引起，動(dòng)態(tài)激勵(lì)較小，軌道平順性的現(xiàn)狀較好。浮筏板的橫向最大位移隨著速度的提高相應(yīng)地增加，變化幅度遠(yuǎn)大于鋼軌，因此，在列車高速運(yùn)行時(shí)，應(yīng)做好浮筏板的橫向限位保護(hù)。

3 結(jié)語

通過對南寧軌道交通2號線橡膠浮筏板減振軌道系統(tǒng)小半徑曲線的軌道狀態(tài)與動(dòng)力參數(shù)測試可知，列車以不大于70 km/h的速度在小半徑曲線的新型橡膠浮筏板減振軌道上在運(yùn)行時(shí)，軌道系統(tǒng)的垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率及結(jié)構(gòu)位移都滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的限值要求，并留有足夠的安全裕量。新型橡膠浮筏板軌道結(jié)構(gòu)在小半徑曲線段能保證列車的平穩(wěn)、安全運(yùn)營，適用于小半徑曲線段城市軌道交通的設(shè)計(jì)和建設(shè)。

新型橡膠浮筏板軌道結(jié)構(gòu)在小半徑曲線段的輪軌力和結(jié)構(gòu)位移等隨列車運(yùn)行速度變化的規(guī)律與普通軌道結(jié)構(gòu)相同，普通軌道的成熟經(jīng)驗(yàn)同樣適用于橡膠浮筏板；在欠超高工況下浮筏板會向外側(cè)傾斜，因此，在后續(xù)設(shè)計(jì)和維護(hù)時(shí)應(yīng)做好浮筏板外側(cè)的橫向限位保護(hù)和監(jiān)測。