120 km/h地鐵快線“e”型彈條斷裂原因分析

周華龍,周昌盛,王小韜,楊文茂,金忠凱

(中鐵二院工程集團有限責任公司地下鐵道設計研究院,成都 610031)

1 研究背景

近年來，隨著城市化進程持續加快，城市人口及城市規模進一步擴大，為有效連接城市內各大板塊，縮短城市各區域的時空距離，120 km/h快速線路以及A型車已被更多地采用[1-3]。而由于國內120 km/h地鐵快線配套技術發展較晚，從設計、施工到后期養護維修經驗不足，這也給地鐵線路帶來了一些病害，如扣件彈條異常斷裂及擊打列車等[4-10]。

地鐵扣件選型設計中，無螺栓彈條扣件因具有零部件少、施工簡單以及運營維修量小等優點而得到推廣采用[11-13]。“e”型彈條扣件作為一種成熟的無螺栓彈條扣件型式，其穩定的性能在地鐵香港機場線得到檢驗后，也被廣泛運用于其他城市地鐵快線中，如廣州地鐵3號線、東莞地鐵2號線及深圳地鐵11號線等[14-15]。

為揭示120 km/h速度線路中A型車作用下“e”型彈條的斷裂規律與原因，以國內某地鐵A線為基礎，通過跟蹤統計，分析了彈條斷裂與平縱斷面要素、行車速度、列車加減速、超高設置情況、現場病害情況的關聯性；現場實測了彈條安裝情況與固有特性；現場動態采集了列車通過彈條斷裂區與非斷裂區時軌道結構的動力響應，綜合分析了彈條斷裂的原因。

2 現場彈條斷裂規律

2.1 地鐵A線概況

地鐵A線設計速度120 km/h，車輛采用8輛A型車編組方案，線路涵蓋地下及高架區間，地下線彈條選用“e”型常阻力彈條，高架線選用“e”型小阻力彈條。該線開通運營半年后陸續發生彈條斷裂及飛濺打車現象，據現場統計，1年時間內全線斷裂彈條371根，彈條斷裂呈現集中但不連續的特點，斷裂彈條個數約占全線彈條總數的0.5‰。

結合平縱斷面要素、行車速度、列車加減速、超高設置情況、現場病害情況等對彈條斷裂進行統計分析，以期能夠掌握彈條的斷裂規律及誘發原因，而后有針對性的采取措施，進一步降低彈條斷裂幾率。

2.2 按線路條件統計結果2.2.1 按平面要素統計

(1)按直線、緩和曲線及圓曲線情況統計

統計地下、高架段內彈條在直線、圓曲線及緩和曲線的斷裂情況，見表1。分析發現：高架圓曲線段彈條斷裂比例最高，為8.4個/km；其他區域，除地下直線段幾乎不斷裂外，均有彈條斷裂情況出現，斷裂比例在2.7～6.3個/km范圍。

表1 彈條斷裂情況統計(按直線、緩和曲線及圓曲線情況統計)

(2)按曲線半徑大小統計

統計地下、高架段內彈條在不同半徑曲線上的斷裂情況，見表2。分析發現：高架段半徑大于3 000 m的曲線地段、地下直線段與半徑大于3 000 m的曲線地段幾乎未發生彈條斷裂情況，其他區域均有彈條斷裂情況存在，斷裂比例在2.5～13.2個/km范圍。

表2 彈條斷裂情況統計(按曲線半徑大小統計)

2.2.2 按縱斷面要素統計

(1)按縱坡形式統計

統計地下、高架段內彈條在不同縱坡類型上的斷裂情況，見表3。分析發現：地下平坡地段幾乎未發生彈條斷裂情況，而其他區域均存在彈條斷裂，斷裂比例在2.9～8.4個/km范圍。

表3 彈條斷裂情況統計(按縱坡形式統計)

(2)按縱坡大小統計

統計地下、高架段內彈條在不同坡度上的斷裂情況，見表4。分析發現：在不同坡度情況下，均有彈條斷裂情況發生，且高架段彈條斷裂主要發生在20‰以內的小坡道區段，而在高于20‰的大坡道上彈條斷裂較少，地下段彈條斷裂在各個坡度工況下均有發生。此外，經排查，彈條斷裂在變坡點/非變坡點、豎緩重合/非豎緩重合地段也均有發生。

表4 彈條斷裂情況統計(按縱坡坡度統計)

2.3 按行車速度統計

統計地下、高架段內彈條在不同速度地段的分布，發現：在速度高于80 km/h時，高架/地下段彈條斷裂比例較高，在80 km/h以下速度范圍內彈條斷裂比例較低。

表5 彈條斷裂情況統計(按行車速度統計)

2.4 按未被平衡超高統計

統計得到不同未被平衡超高(橫向力)情況下彈條斷裂比例，見表6。分析發現：不同未被平衡超高條件下，彈條斷裂比例差別不大，斷裂比例在3.0～3.9個/km。

表6 彈條斷裂情況統計(按未被平衡超高統計)

2.5 按現場條件統計

(1)按彈條斷裂部位統計

調查現場斷裂位置發現，斷裂位置有后拱小圓弧及前拱大圓弧兩處，統計情況見表7。分析發現：后拱小圓弧斷裂個數占總傷損個數的86%，前拱大圓弧占14%。

表7 彈條斷裂情況統計(按彈條斷裂位置統計)

(2)按彈條位置統計

統計彈條斷裂沿線路橫斷面的分布情況，見表8。分析發現：彈條斷裂主要發生在下股軌道，特別是在下股外側(斷裂比例58%)，但曲線上股也仍然有彈條斷裂發生。

表8 彈條斷裂情況統計(按彈條位置統計)

(3)與鋼軌波磨伴隨關系統計

通過現場觀察，彈條斷裂地段絕大多數伴隨短波波磨現象。如圖1所示，根據運維統計結果，一年內發生的371根彈條傷損中波磨地段有341根，占比92%；無波磨地段30根，占比8%。

圖1 與波磨伴隨關系統計

2.6 小結

綜上所述，可以發現：(1)“e”彈條斷裂多發生于曲線半徑3 000 m以下曲線地段，少量發生于直線地段，而曲線半徑3 000 m以上曲線地段未發生彈條斷裂；(2)曲線地段中，彈條斷裂多發生于曲線下股；(3)“e”型彈條斷裂位置僅存在于后拱小圓弧及前拱大圓弧兩處；(4)彈條斷裂區域多伴隨著波磨情況；(5)彈條斷裂主要發生于速度為80 km/h以上區域；(6)初步分析，彈條斷裂與未被平衡超高、縱坡形式及縱坡大小無明顯關聯性。

此外現場發現鋼軌波磨多存在于曲線地段，特別是曲線下股，而直線段及半徑大于3 000 m曲線段鋼軌波磨較少。通過統計可以得出，彈條斷裂也多集中于曲線地段，特別是曲線下股。因此可以得出：曲線半徑的變化導致鋼軌波磨程度的變化，彈條斷裂與鋼軌波磨有較強關系。

3 彈條安裝情況與固有特性測試

引起彈條斷裂的直接原因是受力過大。彈條使用過程中分別受初始扣壓力和輪軌激振產生的動力作用[16-17]。靜力條件與彈條安裝情況有關，而動力特性應考慮彈條本身的固有頻率[18]。因此，對斷裂頻繁地段彈條的安裝情況及彈條固有頻率進行了現場數據采集。

3.1 彈條安裝情況測試

“e”型彈條正常安裝時，其尾部小圓弧內側距鐵墊板插入孔斷面為8～10 mm[19-20]。選取地鐵A線中一頻繁發生彈條斷裂的地段進行了4組斷面的隨機抽樣測試，測試情況與結果分別見圖2及表9。

圖2 彈條安裝情況測試

由表9可知，現場彈條存在部分過安裝及欠安裝情況。過安裝情況下，彈條中肢插入鐵墊板插孔的長度過長，使得彈條后端圓弧與鐵墊板端部形成擠壓，導致彈條與鐵墊板之間發生應力集中，造成彈條的破壞。現場發現，彈條斷裂點與過安裝情況下彈條應力集中點較吻合，因此，過安裝是引起彈條斷裂的原因之一。

表9 現場彈條安裝間隙統計 mm

欠安裝情況下(圖3)，彈條中肢插入鐵墊板插孔的長度不足，將引起彈條后肢與鐵墊板發生單點接觸，導致彈條被割傷，將縮短彈條的疲勞壽命。

圖3 欠安裝下彈條被割傷

現場發現，彈條斷裂點與欠安裝下彈條“割傷點”不一致，因此欠安裝不是引起彈條斷裂的主要原因，但欠安裝不利于扣件受力，現場發現此情況也應及時重新正確調整。

3.2 彈條固有頻率測試

彈條固有頻率測試采用多點拾振多點激振的方法，測點布置如圖4所示，傳感器布置于彈條趾端、前拱大圓弧、后拱小圓弧處，共有6個激振點，如圖4中紅色箭頭所示[21]。

圖4 彈條模態測點布置

通過模態分析，可得Ⅲ型彈條前四階固有頻率如表10所示。

表10 Ⅲ型彈條各階固有頻率 Hz

通過模態分析，可得小阻力彈條前四階固有頻率如表11所示。

表11 小阻力彈條各階固有頻率 Hz

4 軌道結構動力響應測試與分析

針對扣件彈條異常斷裂的情況，為找出彈條斷裂的原因，對現場軌道動態位移、振動加速度情況進行了測試，以分析彈條斷裂原因。

4.1 測點情況介紹

在統一曲線半徑、行車速度、扣件型式等條件的情況下，分別測試對比了彈條斷裂區域與非斷裂區域軌道系統的位移、加速度情況，測點情況見表12。

表12 測點布置情況

4.2 位移測試情況

通過測點1測得的鋼軌、彈條、鐵墊板動態位移結果如圖5(a)～圖5(c)所示，圖5(d)所示為彈條動態變形量，為彈條相對于鐵墊板的位移，圖中位移以向上為正。

圖5 軌道各部件垂向位移

表13中統計給出測點2與測點1測試結果的對比情況。

表13 彈條斷裂區/非斷裂區位移測試結果 mm

從表13可知，列車經過時，非斷裂區彈條變形最大值為-0.25 mm，斷裂區為-0.27 mm，均處于規范要求的-0.9～+0.5 mm范圍內；另外，鋼軌、鐵墊板的動態位移也均較小。因此，彈條斷裂并非由彈條位移過大這一因素引起。

4.3 加速度測試情況

圖6 鋼軌垂向加速度對比

通過測點3與測點4測得的鋼軌與彈條振動加速度時程曲線分別見圖6(a)與圖7(a)。實測得到，在相同設計條件(包括行車速度、曲線半徑、軌道結構形式等)下，彈條非斷裂區鋼軌、彈條振動加速度最大值分別為573，455 m/s2，斷裂區域鋼軌、彈條振動加速度最大值分別為3 359，3 654 m/s2，鋼軌、彈條振動加速度最大值分別放大了4.86，7.03倍。更大的振動加速度說明彈條承擔更大的慣性力，通過慣性定律進行計算，斷裂區域彈條受力比非斷裂區域彈條受力大2.68 kN左右。

為進一步分析引起彈條振動加速度顯著放大的原因，對實測的加速度時程數據進行頻域轉化，結果如圖6(b)與圖7(b)所示。統計得到，彈條非斷裂區域鋼軌、彈條振動加速度未出現明顯的加速度主頻，而彈條斷裂區域鋼軌、彈條的振動加速度在712，751 Hz處均出現明顯主頻。

以上情況說明，在彈條斷裂區域，彈條承受高頻高幅值振動強度，在此條件下彈條的疲勞壽命將大大降低，彈條疲勞破壞將顯著提前。

另一方面，由前面實測可知Ⅲ型彈條的第三階固有頻率為753 Hz，這與波磨引起的輪軌激振頻率751 Hz幾乎吻合，顯然的，輪軌高頻激振引發了彈條的共振，導致彈條的振動二次放大而發生脆性斷裂。

5 結論

通過對彈條斷裂情況進行現場實測觀察，并將實測得到的結果進行分類統計分析，初步確定與彈條斷裂相關聯的主要因素；其次，現場實測了彈條安裝情況與固有特性；最后，對比實測了不同情況下軌道結構的動力響應。基于之前文獻對“e”型彈條的理論研究，以實驗測試及統計分析為主要方法，能更直觀可靠地得到“e”型彈條的斷裂規律。綜合實驗測試結果及理論分析，得到結論與建議如下。

(1)通過現場實測并對實測數據進行統計，可以很清晰地看出：120 km/h速度線路A型車作用下，“e”型彈條斷裂位置主要位于后拱小圓弧及前拱大圓弧兩處，斷裂情況多發生于曲線地段，且多位于曲線下股；彈條斷裂主要發生于速度為80 km/h以上區域。

(2)彈條過安裝是引起彈條斷裂的原因之一，過安裝情況下彈條初始安裝應力將放大。“e”型彈條安裝時應按安裝規范，避免過安裝情況發生。

(3)通過現場實測統計可以看出，彈條斷裂區域幾乎伴隨著短波波磨病害，結合理論分析該現象短波波磨引發的高幅值高頻激振力，一方面降低了彈條的疲勞壽命，導致彈條過早出現疲勞斷裂；另一方面，高頻激振力易誘發彈條共振，導致彈條受力二次放大，導致彈條脆性破壞。

(4)軌道的高平順性是保證列車運行的重中之重，對于速度更高的地鐵快線，應加強線路養護維修，特別是提高對鋼軌短波波磨的打磨標準。