地鐵A型列車鋼彈簧浮置板適配設(shè)計(jì)簡述

李貴花

（北京九州一軌隔振技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 引言

隨著城市軌道交通的迅速發(fā)展，綠色出行方式越來越得到市民的認(rèn)可。尤其是人們在利用地鐵出行時(shí)，準(zhǔn)時(shí)、方便、快捷，更加使地鐵的運(yùn)量需求越來越大，在大城市尤為突出。為了緩解地鐵運(yùn)營的壓力，城市軌道交通行業(yè)提出將地鐵B型車14t軸重升級為A型車16～17t軸重。北京市大運(yùn)量地鐵項(xiàng)目在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。而作為特等軌道隔振措施—鋼彈簧浮置板的提供廠家，也需根據(jù)車型軸重為特等軌道隔振地段提出相應(yīng)合理的隔振措施。

北京市首個(gè)大運(yùn)量特等隔振項(xiàng)目的特殊之處在于：其是國內(nèi)首個(gè)17t軸重的大運(yùn)量項(xiàng)目，尚無同類工程應(yīng)用。因此，必須綜合考慮隔振效果、行車安全、經(jīng)濟(jì)成本等諸多因素，提出滿足隔振要求的安全可靠的鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)。

2 項(xiàng)目概況

該地鐵項(xiàng)目是北京市地鐵的一條南北向骨干線，途經(jīng)豐臺、西城和海淀3個(gè)行政區(qū)，南起豐臺區(qū)宛平城站，經(jīng)過北京市麗澤金融商務(wù)區(qū)、西城三里河、國家圖書館、蘇州街、永豐科技園區(qū)、海淀區(qū)山后地區(qū)，北至海淀區(qū)北安河。線路全長49.8km，全部為地下線，設(shè)29座車站和2座車輛基地（榆樹莊停車場和北安河車輛段）。

為降低地鐵運(yùn)行對周邊環(huán)境的振動影響，某些區(qū)段需鋪設(shè)特等減振道床—鋼彈簧浮置板道床。

3 地鐵A型車鋼彈簧浮置板適配設(shè)計(jì)方案

3.1 方案初選

根據(jù)以往B型車14t軸重鋼彈簧浮置板的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，浮置板主流結(jié)構(gòu)為：標(biāo)準(zhǔn)板長25m、隔振器二三布置（縱向每隔二個(gè)/三個(gè)軌枕布置一組隔振器），共需布置36個(gè)隔振器，見圖1。

圖1 隔振器二三布置的鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)

對于A型車17t軸重的浮置板，根據(jù)所需的承載力，通過類比，初步提出兩種設(shè)計(jì)方案：

1）不改變單個(gè)隔振器的承載能力，增加每塊板隔振器的布置密度，即采用隔振器二二布置（縱向每隔二個(gè)軌枕布置一組隔振器），共需布置42個(gè)隔振器，見圖2。

圖2 隔振器二二布置的鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)

2）提高單個(gè)隔振器的承載能力，即增加隔振器的彈簧剛度，但不改變隔振器的布置間距，即仍采用隔振器二三布置的結(jié)構(gòu)方式。

3.2 方案比選

3.2.1 隔振效果比較

從隔振理論來講，系統(tǒng)的固有頻率越低，隔振效果越好[1]。如式①所示，影響固有頻率的兩個(gè)因素為系統(tǒng)剛度和系統(tǒng)質(zhì)量。

式中：

K—系統(tǒng)剛度；

m—系統(tǒng)質(zhì)量。

圖3為剛彈簧浮置板截面圖，兩種布置方式鋼彈簧浮置板的橫截面相同，因此系統(tǒng)質(zhì)量對于浮置板的影響很小，又因兩種方案選擇的系統(tǒng)剛度相當(dāng)，剛度對系統(tǒng)的影響也很小，故從隔振效果來看，兩種方案均可滿足隔振需求。

圖3 鋼彈簧浮置板截面圖

3.2.2 行車安全比較

脫軌系數(shù)和輪重減載率是評價(jià)軌道交通行車安全性的兩個(gè)重要安全指標(biāo)。當(dāng)運(yùn)行車輛處在線路狀況、運(yùn)用條件和承載等因素最不利的組合條件下時(shí)，可能導(dǎo)致車輪脫軌，評定防止車輪脫軌的指標(biāo)是“脫軌系數(shù)”。輪對垂向減載量與垂向力之比稱為輪重減載率，其是衡量車輪是否因一側(cè)車輪減載過大而脫軌的指標(biāo)。但這兩個(gè)指標(biāo)手工計(jì)算較為困難，故在之后的仿真計(jì)算時(shí)用來驗(yàn)證方案是否可行。手工計(jì)算先考慮校核鋼彈簧浮置板系統(tǒng)處于最不利情況時(shí)，鋼彈簧隔振器首先損壞的零部件的強(qiáng)度。

該項(xiàng)目鋼彈簧浮置板區(qū)段最小曲線半徑為330m，車速63km/h、超高120mm（欠超高20mm）。由于曲線路段采用傾斜基底設(shè)計(jì)，列車在運(yùn)行過程中受離心力和列車重力的影響，浮置板最不利的工況為隔振器水平限位器被剪斷。因此，對最不利工況下的水平限位器強(qiáng)度進(jìn)行檢算。

對于一塊25m標(biāo)準(zhǔn)鋼彈簧浮置板，方案一布置42個(gè)隔振器，42個(gè)水平限位器；方案二布置36個(gè)隔振器，36個(gè)水平限位器。浮置板最不利工況為同時(shí)有3個(gè)轉(zhuǎn)向架作用于一塊板上，以此為基礎(chǔ)，當(dāng)列車通過曲線浮置板時(shí)，如不考慮隔振器下部橡膠墊與基底的摩擦力，水平限位器受浮置板重力分力作用以及列車離心力的作用，分別考慮這兩種情況下水平限位器的受力情況（見表1）。

表1 兩種方案水平限位器受力比較

水平限位器設(shè)計(jì)的最大剪力為40kN，從表1可看出，兩種方案水平剪力鉸的強(qiáng)度均足夠，故兩種方案均能滿足行車安全需求。

3.2.3 經(jīng)濟(jì)成本比較

從經(jīng)濟(jì)成本來看，方案二提高單個(gè)隔振器的彈簧剛度，每個(gè)隔振器僅零部件彈簧成本少量增加，整體成本增加較少；而方案一加密隔振器布置，每25m需增加6套隔振器，成本增幅較大。

綜合考慮隔振效果、行車安全性及經(jīng)濟(jì)成本三方面的因素，選定方案二為后續(xù)工程實(shí)施方案。

4 有限元仿真分析

依據(jù)方案二的鋼彈簧浮置板的結(jié)構(gòu)形式，通過Ansys軟件建立基地傾斜的隧道結(jié)構(gòu)鋼彈簧浮置板模型（見圖4），進(jìn)行鋼彈簧浮置板的減振效果及安全性能分析。

圖4 浮置板-隧道有限元模型斷面圖

4.1 減振效果分析

根據(jù)減振效果評價(jià)要求，仿真計(jì)算鋼彈簧浮置板的Z振級減振量。對比列車通過浮置板時(shí)傳到隧道壁的Z振級相對普通整體道床振動減少量（普通整體道床振動級根據(jù)以前的測試結(jié)果獲得）。

在模型上施加列車荷載，分析在不同頻率時(shí)不同軌道結(jié)構(gòu)隧道壁振動加速度級。根據(jù)計(jì)權(quán)振動加速度計(jì)算公式[2]計(jì)算浮置板相對整體道床的Z振級減少量。

計(jì)權(quán)振動加速度計(jì)算公式：

式中：

VL—振動計(jì)權(quán)加速度級，dB；

Li—每個(gè)頻帶的振動加速度級，dB；

ai—各個(gè)頻帶的計(jì)權(quán)因子，dB。

表2為普通整體道床和鋼彈簧浮置板道床隧道壁振動加速度級Z計(jì)權(quán)值。

由上述分析可知，浮置板在列車通過時(shí)傳到隧道壁的Z振級相對普通整體道床振動減少量為19.7dB，可滿足軌道交通的隔振要求。

4.2 行車安全性分析

將鋼彈簧浮置板系統(tǒng)處于最不利情況時(shí)的列車荷載施加在模型上，模擬10趟列車通過，提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析左右軌脫軌系數(shù)及輪重減載率。脫軌系數(shù)（Q/P）限值[3]應(yīng)滿足：

式中：

Q—輪軌橫向力，kN；

表2 不同軌道結(jié)構(gòu)減振量Z計(jì)權(quán)值

P—輪軌垂向力，kN。

式中：

如表3所示，選取兩股鋼軌輪軌垂向力、橫向力、輪重減載量、脫軌系數(shù)、輪重減載率的最大值作為行車安全性指標(biāo)，其結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 行車安全性指標(biāo)結(jié)果

5 結(jié)語

結(jié)合地鐵大運(yùn)量特殊減振工程實(shí)際需求，并結(jié)合已應(yīng)用B型列車鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)形式，對大軸重A型列車進(jìn)行了鋼彈簧浮置板的適配設(shè)計(jì)。從隔振性能、行車安全性能及經(jīng)濟(jì)成本三方面對比論證，獲得了較優(yōu)的地鐵A型列車鋼彈簧浮置板適配設(shè)計(jì)方案。通過模擬仿真，獲得了該方案的減振效果與行車安全性能，減振效果達(dá)19.7dB；左右軌脫軌系數(shù)與輪重減載率等行車安全性能指標(biāo)也均滿足規(guī)范要求。但由于工程進(jìn)度較緩，目前按這種布置方式設(shè)計(jì)的隔振區(qū)段尚未開始鋪設(shè)，后續(xù)工程鋪設(shè)運(yùn)營后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤測試，積累實(shí)測資料，以便于方案的修正和改進(jìn)。該工程對后續(xù)同類工程的實(shí)施和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。