上蓋開發車輛段庫內軌道高等級減振扣件研發及應用

冉 蕾 馬佳駿 孫井林 黃 承 曾 飛

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055; 2.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司， 河南洛陽 471000)

1 概述

城市軌道交通車輛段占用土地面積大、土地利用效率低，與日益緊張的城市土地資源之間產生了難以調和的矛盾。因此，國內北京、上海、廣州、南京等十幾個城市均開展了車輛段上蓋物業開發項目，以充分利用珍貴的城市土地資源。

車輛段振動與噪聲控制是關系上蓋物業開發成功與否的關鍵因素。根據《北京新機場線磁各莊車輛段上蓋物業開發環境影響咨詢報告》要求，車輛段庫內線應采用高等減振措施，減振效果不低于8 dB[1-4]。

車輛段庫內線有如下特點：一是空車、低速，庫內車速一般為5 km/h，出庫時速度可達10～20 km/h；二是道床結構類型較多，包括檢查坑道床、平過道以及各類檢修設備道床等。

圖1 浮軌式高等減振扣件

高等減振措施也可分為兩類，一類是道床減振，一類是扣件減振。道床減振存在成本較高、施工周期長、后期維修困難等問題，難以適應庫內線的一般工況；現有高等減振扣件(如圖1)均采用了從軌腰處對鋼軌進行支撐的結構形式，使得鋼軌懸浮于軌道上方，從而獲得較低的垂向剛度。

該類型扣件存在以下問題：①需采用專用工具在線安裝，施工及養護維修不便；②扣件定位塊易松動甚至脫出，影響行車安全；③鋼軌調高和調距不如普通扣件方便；④在鋼軌接頭、平過道等特殊地段無法使用。

綜上所述，迫切需求一種減振效果明顯、零配件通用性好、工程適應性強、安全可靠、便于施工及養護維修的車輛段庫內用高等減振扣件。

2 高等級減振扣件結構研究

2.1 研究目標

綜合前述，確定高等級減振扣件的研究目標，見表1。

表1 高等級減振扣件研究目標

2.2 研究重難點

(1)根據該車輛段的減振要求，庫內高等級減振扣件應較普通扣件減振8 dB以上。一般來說，鋼軌扣件具有較低的剛度是實現減振降噪的有效手段，但較低的剛度會影響軌道的穩定性。因此，需研究確定扣件剛度取值，同時合理匹配各彈性層的剛度，控制鋼軌位移，保證軌道的穩定性，實現扣件低剛度高減振性能與軌道穩定性兩者之間的平衡。

(2)扣件結構適用于眾多類型的道床，如短枕式道床、立柱式檢查坑以及特殊地段(如鋼軌接頭、平過道等)，并保證施工及養護維修的便利性。

2.3 扣件結構方案

借鑒城市軌道交通成熟產品—雙層非線性減振扣件的設計理念，采用可分離式三層減振結構，減振扣件整體組裝示意見圖2，減振器預組裝部分見圖3。主要特點如下。

圖2 庫內高等減振扣件整體組裝

圖3 減振器預組裝部分示意

①采用多重彈性層組成串聯結構，以獲得低剛度，進而實現高減振性能。

②研究橡膠墊板超低剛度對軌道穩定性和安全性的影響，通過調整橡膠墊板的配方參數和結構形式，提高軌道安全、穩定性和橡膠墊板的使用壽命。

③在錨固螺栓處采用獨立的支撐柱，與尼龍套等部件配合，實現板下彈性墊層的變形控制以及預組裝，且獨立支撐柱可從鐵墊板上部取出，方便彈性墊層的更換。

④取消減振扣件下的鐵墊板，減小扣件安裝高度，控制軌頭變形，減小部件應力。

⑤解決既有庫內減振扣件存在的問題，且扣件結構方案適用于有縫線路、無縫線路、庫內線路等各類型道床。

2.4 設計參數取值

(1)設計荷載

作用于扣件上的力取決于諸多因素：如車輛的軸重、固定軸距、曲線半徑、鋼軌抗彎剛度、扣件剛度等。采用目前通用的連續彈性支承梁模型進行計算[5-6]，可得到該扣件的設計荷載：垂向力R=40 kN，橫向力H=20 kN。

(2)靜剛度取值

根據相關車輛段環評報告的預測結論，列車進出庫速度達到10～20 km/h時超標5～8 dB。因此，本次研究目標為減振效果≥8 dB，扣件節點垂向剛度宜為6～9 kN/mm[7-9]。

(3)軌距和高低調整量

扣件軌距調整量為-12～+8 mm，高低調整量為20 mm，滿足無砟軌道軌距加寬、施工誤差等的調整要求。

3 扣件性能理論分析

通過有限元理論分析[10-12]，計算其節點靜剛度、減振性能并校核各零部件的強度。減振扣件受力情況見圖4。

圖4 減振扣件受力情況

3.1 組裝靜剛度

軌頭加載35 kN，垂向最大變形為3.97 mm，由此得出扣件靜剛度為8.8 kN/mm，滿足設計值6～9 kN/mm要求。扣件變形見圖5。

圖5 扣件變形

3.2 減振性能

建立有限元實體模型，高等級減振扣件和普通扣件均采用彈簧阻尼單元進行模擬，鋼軌采用梁單元模擬，道床及道床基礎采用三維實體單元模擬。在道床基礎周邊設置三維黏彈性人工邊界條件，模型及單元劃分見圖6。計算時，在鋼軌上施加載荷，記錄距鋼軌中心2.5 m處道床基礎的振動加速度[13-15]。

圖6 減振性能計算網格劃分

經分析，相較于普通扣件(1～80 Hz頻段內)，高等級減振扣件的減振量為12.8 dB，60 Hz處的最大減振量為21.1 dB，滿足研究目標要求。

3.3 扣件部件強度

扣件各部件強度檢算結果見表2，各部件應力見圖7～圖11，扣件各部件應力水平均小于材料許用應力，滿足強度設計要求[16-18]。

表2 扣件各部件強度檢算結果

圖7 上鐵墊板Mises應力

圖8 中間鐵墊板Mises應力

圖9 支撐柱Mises應力

圖10 尼龍套Mises應力

圖11 蓋板Mises應力

4 扣件性能試驗及在線測試

4.1 扣件性能試驗

扣件組裝性能試驗包括靜動剛度[19]、疲勞性能、落錘試驗、縱向阻力和絕緣電阻。其中，300萬次組裝疲勞試驗的結果為：扣件各零部件無傷損，扣件疲勞測試前后靜剛度變化率約為8%，扣件疲勞測試前后縱向阻力變化率約為6%，扣件單邊動態軌距擴張小于3 mm，軌底動態橫向位移量小于2.5 mm，均滿足規范和設計要求。

4.2 在線性能測試

在南京地鐵1號線小行車輛段試車線隧道內的整體道床上，進行了庫內高等級減振扣件的鋪設，見圖12。南京地鐵1號線車輛編組為6A，接觸網供電，試車線全長1.3 km，隧道內整體道床長約800 m。線路均為直線，列車最高運行速度為80 km/h。

經在線測試[20]，扣件減振效果≥8 dB，達到研究預期目標；軌道安全性指標(脫軌系數、輪重減載率)和列車運行平穩性指標(豎向、橫向)均滿足規范要求，見表3。

表3 減振扣件在線測試結果

圖12 減振扣件現場鋪設

5 結論

根據地鐵上蓋物業開發車輛段減振需求以及庫內線軌道特點，研發出一種庫內高等級減振扣件，并完成一系列室內試驗及在線性能測試，結論如下：

(1)庫內高等級減振扣件解決了既有庫內減振產品存在的問題，其采用多重彈性層組成串聯結構，低速情況下減振效果≥8 dB。該扣件采用獨立支撐柱和預組裝結構，方便施工及養護。

(2)該扣件已在速度80 km/h、A型車的某線路上應用近2年，減振扣件使用狀態穩定、良好，現場養護維修工作量少，滿足運營的各項要求。

(3)庫內高等級減振扣件已在北京新機場線磁各莊車輛段鋪設。該扣件具有減振效果良好、便于養護維修等優勢，得到建設和運營單位認可，并得到國內多個城市地鐵上蓋車輛段的采納。