橡胶浮筏板小半径曲线行车安全性试验研究

冯光福，张小华，张世荣，陈立俊，韦晓阳

（1. 南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁 530021；2. 中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090）

0 引言

橡胶浮筏板是一种采用橡胶隔振器作为弹性支承元件，并内置于道床板内的新型特殊减振轨道结构。它充分利用橡胶的黏弹和阻尼特性，减小支承元件的体积，降低道床板的厚度，从而有效降低轨道高度和重量，解决一些空间不足或承载能力小的线路减振和设计难题。通过调整橡胶隔振器配置，可以在不改变结构的情况下，实现刚度的调整，满足不同区段的使用需求。橡胶浮筏板应用于城市轨道交通，可有效降低列车运行对周边环境振动噪声的影响。

本文结合南宁市轨道交通 2 号线的实际情况，对新型橡胶浮筏板在小半径曲线段的行车安全性进行测试分析，以期为后续线路的规划和设计提供参考。

1 测试概况

南宁市轨道交通 2 号线是连接南宁市南北方向的骨干线，全线采用地下线方式敷设，线路全长 21.2 km。其中，安吉综合基地入段线区间的曲线半径为 360 m，超高 112 mm，顺坡率 1.9‰，设计速度 58.3 km/h。该路段采用了由南宁轨道交通集团有限责任公司与中国船舶重工集团公司第七一一研究所联合研制的橡胶浮筏板轨道减振系统，主要由钢轨、扣件和垫板、浮筏轨道板、橡胶隔振器、剪力铰等组成（图 1）。选取该地段的圆曲点（里程 DK0+162.5）作为测试断面，进行橡胶浮筏板在小半径曲线段的行车安全性试验研究。

图1 橡胶浮筏板轨道减振系统

2 安全性评价指标

根据车辆动力学性能指标的评价标准，一般以脱轨系数、轮重减载率和单侧轮轨横向力等指标来评定车辆运行的安全性。

（1）脱轨系数。指爬轨轮上的横向水平力H与垂直力P1的比值H/P1，用于鉴定车辆的车轮在轮轨力作用下是否爬上钢轨顶面而引起脱轨。根据相关标准规定，脱轨系数的限值见表 1。

表1 脱轨系数限值

表2 轮重减载率限值

（3）单侧轮轨横向力。指单侧轮轨最大横向力，用于鉴定车辆是否导致轨距扩宽（道钉拔起）或线路产生严重变形（钢轨和轨枕在道床上出现横向滑移或挤翻钢轨）。根据相关标准规定，单侧轮轨横向力的限值为0.4P（P为轴重）。

3 现场测试

3.1 试验车辆

采用地铁 B 型车，列车 6 节编组（4 动 2 拖），动车质量 35 t，拖车质量 31 t。列车全长 120 m，车辆定距12.6 m，轴距 2.3 m。测试期间，空车以 60 km/h 的速度往返行车。

3.2 试验方法

参考TB/T 2498-94《轮水轨平力、垂直力地面测试方法》，采用全桥剪应力法，测试列车通过测试断面时钢轨在垂向和横向的动态应变。利用 DH5920 动态信号数据采集分析仪进行数据的采集记录，采样频率设为2 000 Hz。

3.3 现场标定

现场标定是通过对钢轨的垂向和横向分别施加已知载荷，记录相应的应变值，然后将已知载荷与对应的应变进行数据拟合，从而得到该测试通道力与应变之间的函数关系。采用载荷加载设备和标定架分别对垂向力和横向力的测试通道进行现场标定，各测试通道的标定结果见图 2。

图2 现场标定结果

4 测试结果分析

（1）实测列车通过测试断面时，钢轨垂向和横向对应的典型动态应变时程曲线如图 3 所示。由图 3 可知，列车经过时内、外轨的垂向应变时程曲线有明显的 24 个峰值，表明该 6 节编组列车的 24 个轮对的载荷全部作用在钢轨上，车轮垂向无跳脱现象。

（2）根据动态应变测试数据，结合现场标定所得应变与载荷的函数关系，计算出每趟列车的每个轮对经过测试断面时的轮轨力。外轨和内轨轮轨力的典型样本时程曲线如图 4 所示。由图 4 可知，外轨和内轨的轮轨垂向力清晰明显，外轨受力整体大于内轨（实测运行速度 62 km/h 大于 58.3 km/h 的理论设计速度）。外轨的轮轨横向力由于受到导向力、超高未平衡横向力和轮轨摩擦阻力等综合作用，受力情况比较复杂，轮轨横向力主要指向轨道外侧，但依然存在指向轨道中心线的较小横向力（数值为负值）。内轨受到后轮的横向作用力微弱，说明转向架的后轮基本不挤压内轨。

图3 列车经过时的动态应变时程曲线

图4 内、外轨轮轨力时程曲线

（3）经统计，实测不同车次列车通过时的轮轨垂向力最大值如图 5 所示。由图 5 可知，外轨的轮轨垂向力最大值在 57.34～61.73 kN 之间，内轨的轮轨垂向力最大值在 44.69～47.93 kN 之间。轮轨垂向力最大值、最大均值和均方差统计结果见表 3。由图 5 和表 3 可知，实测列车轮轨垂向力最大值 61.73 kN 出现在外轨上，与文献[7]规定的限值 250 kN 相比有足够的安全裕量。

图5 不同车次轮轨垂向力最大值

表3 轮轨垂向力统计表 kN

5 安全性指标评价

将所有车次的各轮动态轨轮力，分别按照安全性评价指标进行分析，然后得到每车次的最大值，最终统计出车辆经过小半径曲线的橡胶浮筏板的运行安全性评价指标结果。

5.1 脱轨系数

实测列车经过测试断面时，不同车次的外、内轮轨脱轨系数的最大值如图 6 所示。由图 6 可以看出，内轨的轮轨最大脱轨系数在 0.35～0.53 之间，外轨的轮轨最大脱轨系数在 0.20～0.36 之间，内轨的脱轨系数明显大于外轨。列车外、内轨脱轨系数的最大值、最大均值和均方差的统计结果见表 4。由图 6 和表 4 可知，实测列车脱轨系数最大值为 0.53，与相关规范规定的车辆脱轨系数限值 0.8 相比有足够的安全裕量。

图6 不同车次轮轨脱轨系数最大值

表4 脱轨系数统计表

5.2 轮重减载率

实测列车经过测试断面时，不同车次的最大轮重减载率在 0.19～0.27 之间，最大值出现在转向架的第一轮对。列车轮重减载率的最大值、最大值均值和均方差的统计结果见表 5。由表 5 可知，实测列车轮重减载率最大值为 0.27，与相关规范规定的车辆轮重减载率限值 0.6相比有足够的安全裕量。

表5 轮重减载率统计表

5.3 单侧轮轨横向力

实测列车经过测试断面时，不同车次的外、内轨轮轨横向力的最大值如图 7 所示。内轨横向力的最大值在14.18～21.67 kN 之间，外轨横向力的最大值在 11.05～20.67 kN 之间，单侧轮轨横向力最大值、最大值均值和均方差的统计结果见表 6。由图 7 和表 6 可知，实测列车轮轨横向力最大值 21.67 kN 出现在内轨上，与文献[6]规定的限值 56 kN 相比有一定的安全裕量。

图7 不同车次轮轨横向力最大值

表6 轮轨横向力统计表 kN

6 结语

（1）通过对新型橡胶浮筏板减振轨道系统小半径曲线的实车安全性运行试验测试，脱轨系数、轮重减载率和单侧轮轨横向力最大值分别为 0.53、0.27 和 21.67 kN，均满足相应安全限值的要求，且还有一定的安全裕量。测试结果表明，新型橡胶浮筏板减振轨道系统在小半径曲线段依然能保证列车运营安全。

（2）在橡胶浮筏板的小半径曲线段（R= 360 m），曲线外侧的轮轨垂向力大于内侧，最大轮轨横向力和最大脱轨系数则出现在内侧，转向架的前轮轮重减载率一般大于后轮。研究成果可为后续小半径曲线减振设计和规划提供参考。