城市轨道交通高架线减振扣件设计及现场应用

张 欢，胡岳银，肖俊恒，胡尚衡，吴玥，朱煜，姜凯，贺志文

(1.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司,北京 102206; 2.宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司, 宁波 315201)

在城市轨道交通领域,很多线路为降低成本,采用高架桥的敷设方式建造,桥上对扣件的钢轨纵向阻力要求比较苛刻,比如长大桥梁要采用小阻力扣件,普通的简支梁要采用常阻力扣件,且桥梁线路沿线有居民、文教区等建筑,扣件还需要提供一定的减振性能[1-6]。

目前,我国一些城市轨道交通高架线采用下锁式双层非线性减振扣件(以下简称“双非减振扣件”),列车运营一段时间后扣件会出现钢轨空吊和轨距难以保持等情况,影响列车运行安全[7-11]。因此,亟需设计一套既满足行车安全,又满足钢轨纵向阻力要求,且能达到中等减振效果的高架线减振扣件。

1 高架线双非减振扣件伤损及原因分析

通过调研多个城市地铁高架线路双非减振扣件的服役情况,发现双非减振扣件均出现了一些共性问题[12-15]。

(1)扣件双层铁垫板间弹性垫板横向位移量过大,长期作用会压溃从而造成钢轨空吊;固定上下层铁垫板的尼龙锁扣出现离缝,致使列车途经该区段出现晃车现象。

(2)在日常养护中发现线路轨距、方向数据经常变化,难以保持,采用轨距拉杆来维持轨距,如图1所示。

图1 双非减振扣件区段采用轨距拉杆保持轨距Fig.1 Gauge tie rod is used to keep gauge in the section of double-layer nonlinear vibration damping fastener

(3)随着双层减振扣件服役时间变长,其减振效果会明显下降。

(4)从线路分布上来看,出现弹性垫板压溃和钢轨空吊问题的扣件约90%在曲线地段,且伤损数量随曲线半径的减小而增多。

综合多座城市地铁工务部门养护维修反馈和现场调研,通过对比不同地段双非减振扣件的使用情况,并结合伤损扣件拆解分析,对其伤损进行综合原因分析,结果如下。

(1)双非减振扣件结构复杂,零部件较多,容易引起尼龙件、橡胶件等非金属件的老化和损坏。

(2)从产品结构特点上来看,双非减振扣件自身存在设计缺陷,上、下层铁垫板固定仅仅依靠尼龙锁扣,无法长期承受横向剪切力,自身约束力不足,尤其是在小半径曲线地段,列车高速通过时极易造成尼龙锁扣磨损、变形、甚至开裂,从而出现中间层弹性垫板横向窜动;列车途经该区段时,轨距保持较为困难,易造成晃车现象。

(3)长期使用过程中,双层减振扣件上、下铁垫板间的弹性垫板凸台易发生磨损,造成减振效果下降。

(4)从使用环境上来看,高架线双层减振扣件使用环境较为苛刻,受高温高寒、风吹日晒影响,会加速内部尼龙件和橡胶件老化,相比地下段出现问题的数量较多。

2 高架线减振扣件结构设计

2.1 结构方案

本文设计的高架线减振扣件命名为WJ-18C型中等减振扣件(以下简称“减振扣件”),由弹条、T型螺栓、螺母、平垫圈、绝缘轨距块、轨下垫板、弹性铁垫板、锚固螺栓、重型弹簧垫圈、盖板、缓冲调距块和预埋于混凝土轨枕中的预埋套管组成。钢轨高低调整时采用轨下调高垫板和铁垫板下调高垫板。减振扣件组成如图2所示。

图2 减振扣件组成Fig.2 Composition of vibration damping fastener

减振扣件结构的特点如下:①弹性铁垫板采用单层铁垫板,可有效降低成本,同样刚度条件下减振效果好于双非减振扣件;②轨下采用高刚度垫板,仅起缓冲作用,不提供弹性,能够有效保持轨距;③轨下垫板可使用普通橡胶垫板或聚四氟乙烯与橡胶复合垫板,根据实际需求可提供不同的钢轨纵向阻力;④在弹性铁垫板上设置1∶40轨底坡,混凝土轨枕或轨道板承轨面为平坡,方便现场施工作业。

2.2 主要技术参数

主要技术参数如下:①一般区段每组扣件钢轨纵向阻力≮7 kN,长大桥梁扣件有小阻力需求时采用复合垫板,每组扣件钢轨纵向阻力为3～5 kN;②弹性铁垫板静刚度为10～15 kN/mm,动静刚度比为1.1～1.5;③轨距调整量为-24～+20 mm;④钢轨高低调整量为40 mm;⑤扣件单个弹条扣压力6 kN,弹程8.8 mm;⑥扣件绝缘电阻≮10 kΩ;⑦预埋套管抗拔力≮100 kN。

2.3 关键零部件设计

2.3.1 绝缘轨距块和缓冲调距块

绝缘轨距块根据轨距调整的需要分4号、6号、8号、10号、12号和14号,共6个型号,标准轨距时外侧采用8号,内侧采用10号。

缓冲调距块根据轨距调整的需要分10-10号和4-16号,共2个型号,标准轨距时钢轨内外侧均采用10-10号。

为提高绝缘轨距块和缓冲调距块的绝缘性能,原材料均选用玻纤增强聚酰胺66。

2.3.2 轨下垫板

2.3.3 弹性铁垫板

考虑地铁高架线的空间尺寸,该扣件锚固螺栓钉孔呈错列式布置,并与普通区段WJ-2A型扣件钉孔间距保持一致,即为290 mm(横向)×127 mm(纵向)。考虑与桥上既有双非减振扣件的高程匹配,故将弹性铁垫板的总厚度设计为57 mm。

采用橡胶硫化技术将带轨底坡的铁垫板和钢套硫化成一体,此结构可实现垂向低刚度并能提供一定的横向刚度,如图3所示。

图3 弹性铁垫板主视Fig.3 Main view of elastic baseplate

(1)铁垫板优化设计

铁垫板设计厚度为25 mm,根据高速铁路扣件铁垫板的使用经验,本设计对铁垫板上弹条跟端支承座进行优化,减小铁垫板上弹条跟端支承座前端限位槽长度,见图4,避免弹条安装时铁垫板支承座圆弧内侧和弹条中肢接触从而产生过大接触应力造成弹条断裂。

图4 铁垫板弹条支承座示意Fig.4 Illustration of clip support seat of baseplate

(2)橡胶型面设计

①橡胶材料为天然橡胶,橡胶层型面如图5所示。设计厚度为32 mm,底厚5 mm。在橡胶凸台上设计“高度差”特征,一级凸台高27 mm,二级凸台高20 mm,可实现“变刚度”和过载保护功能;在橡胶凸台之间设计加强筋,肋带高10 mm,增加稳定性;保证钢轨在安装状态下两侧正下方均存在承载橡胶凸台,增强铁垫板疲劳性能;增加锚固螺栓固定处橡胶接触面积,提高弹性铁垫板与轨枕面的横向摩擦阻力。

2、屋面结构安全可靠，屋面整体达到正常使用及遭遇地震、暴雪、大风、暴雨时的安全性要求，无漏雨、渗水现象。

图5 弹性铁垫板橡胶型面Fig.5 Rubber profile of elastic baseplate

②采用“炭黑原位接枝改性技术”使胶料不但具有了良好的流动性,而且橡胶耐老化性能有很大提升。

③采用有限元分析软件对弹性铁垫板进行强度分析计算,在100 kN垂向载荷下铁垫板及橡胶应力分布云图分别如图6和图7所示,铁垫板的最大应力位于承轨面处,为63.33 MPa,远小于金属材料QT450-10的极限抗拉强度,符合强度要求。橡胶部分的最大应力在凸台边缘处,为3.14 MPa,远小于橡胶的许用应力。

图6 铁垫板应力云图(单位:MPa)Fig.6 Stress nephogram of baseplate (unit: MPa)

图7 橡胶底面应力云图(单位:MPa)Fig.7 Stress nephogram of rubber bottom(unit: MPa)

3 减振扣件组装性能试验

减振扣件组装性能试验均按照TB/T 3396—2015《高速铁路扣件系统试验方法》系列标准进行。

3.1 钢轨纵向阻力试验

减振扣件的钢轨纵向阻力测试结果见表1,结果表明,减振扣件钢轨纵向阻力满足技术要求。

表1 钢轨纵向阻力测试结果 kNTab.1 Test results of rail longitudinal resistance

3.2 组装疲劳性能试验

组装疲劳性能试验荷载参照欧洲标准EN 13481—5:2012《铁路应用-轨道-扣件系统性能要求 第5部分:钢轨在表面或钢轨被埋置在槽中的板式轨道扣件系统》中B类扣件疲劳载荷参数取值。垂向力取43 kN,横向力取34 kN。钢轨高度100 mm。

组装疲劳试验后,减振扣件各零部件状态良好,试验数据见表2,轨距扩大量为3.2 mm,组装静刚度变化率最大值为-3.3%,均满足技术要求。

表2 组装疲劳性能试验结果Tab.2 Test results of assembly fatigue performance

3.3 绝缘性能试验

扣件的绝缘性能试验结果见图8(a),减振扣件两轨间最小绝缘电阻为90 kΩ,满足技术条件≮10 kΩ的技术要求。同时,也对双非减振扣件进行了绝缘性能试验,试验结果见图8(b),双非减振扣件两轨间最小绝缘电阻为37 kΩ。

图8 扣件绝缘电阻试验结果Fig.8 Insulation resistance test results of fastener

通过试验结果可知:减振扣件的绝缘性能优于双非减振扣件。

4 减振扣件现场试铺及实车测试

4.1 减振扣件现场试铺

选取宁波地铁1号线下行邱隘东至五乡区间K24+667～K24+847高架段作为试验段,该区段既有扣件为下锁式双层非线性减振扣件,由于现场出现前面所述的病害,特此进行新型减振扣件的试铺。线路采用 60 kg/m 钢轨无缝线路,曲线半径R=1 200 m,坡度为20‰ 上坡,铺设总长度为180 m,见图9。

图9 WJ-18C型减振扣件现场试铺Fig.9 Field trial laying of WJ-18C vibration damping fastener

目前试铺的减振扣件服役状态良好,能够满足列车运营和日常养护维修要求。

4.2 测试内容及测点布置

测试内容包括:轨道结构动力性能测试的轮轨垂向力、轮轨横向力;钢轨横向位移、钢轨垂向位移;减振性能测试的减振扣件和参照扣件的梁面垂向振动加速度,测点布置如图10所示。

图10 减振扣件实车试验测点布置Fig.10 Layout of measuring points for real vehicle test of vibration damping fasteners

4.3 轨道结构动力性能测试结果

列车以68.8～76.0 km/h速度通过试验段时,各项轨道结构动力学性能指标均满足 TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》[16]要求。轮轨垂向力和轮轨横向力最大值分别为83.1 kN和13.3 kN,脱轨系数最大值为0.20,轮重减载率最大值为0.17,轮轴横向力最大值为15.3 kN,列车可保证运行的安全性。钢轨轨头横向位移最大值为0.82 mm,动态轨距扩大量最大值为1.14 mm,这两个测试参数均较小,扣件可有效保持轨距,钢轨不易发生波磨。钢轨垂向位移最大值0.78 mm,扣件可有效提供弹性。

综上所述,减振扣件各项轨道结构动力学性能指标均满足规范要求。

4.4 减振性能测试结果

根据高架桥的特征和测试断面附近的线路条件,特选取普通WJ-2A型扣件作为减振性能评价的参照扣件。此外,为对比WJ-18C减振扣件的减振效果,在铺设WJ-18C型减振扣件前即进行了同位置双非减振扣件的减振性能测试,再将两种减振扣件的减振效果进行对比。

4.4.1 减振性能评价方法

目前,地铁减振性能评价主要参照GB/T 10071—88《城市区域环境振动测量方法》[17]、CJJ/T 191—2012《浮置板轨道技术规范》[18]和JGJ/T 170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》[19]等标准来进行。采用最大Z振级的插入损失、分频振级均方根的差值和分频最大振级综合评价减振扣件的减振效果,具体评价方法参见《城市轨道交通WJ-18B型减振扣件研发及应用》[20]。

4.4.2 减振效果对比分析

(1)最大Z振级的插入损失

减振扣件梁面最大Z振级的插入损失结果如表3所示。

表3 减振扣件最大Z振级的插入损失测试结果 dBTab.3 Test results of insertion loss of maximum Z vibration level of vibration damping fastener

(2)分频振级均方根差值

双非减振扣件梁面分频振级均方根差值为8.8 dB,WJ-18C型减振扣件梁面分频振级均方根差值为9.8 dB。

(3)最大分频振级

WJ-2A型扣件梁面分频最大振级为84.2 dB,双非减振扣件梁面分频最大振级为72.6 dB,WJ-18C型减振扣件梁面分频最大振级为72.1 dB,中心频率均为50 Hz。

综上所述,3种减振性能评判方法均表明,WJ-18C型减振扣件的减振性能达到了中等减振效果。

5 结语

高架线既有下锁式双层非线性减振扣件所带来的病害影响列车运营安全和减振性能,减振扣件的更新换代已经成为未来既有线提升运营安全性和减振性的重要手段。本文结合目前高架线减振扣件的问题,从问题导向出发,设计出一种新型中等减振扣件,该扣件可根据现场实际需求提供不同的钢轨纵向阻力;铁垫板承接弹条尾部的独特设计可避免弹条的折断;弹性铁垫板的橡胶采用“炭黑原位接枝改性技术”,橡胶的耐老化性能有很大提升。通过室内试验、现场试铺及实车试验考核了减振扣件的安全性和减振性能,试验结果表明,该减振扣件所有性能指标均满足设计要求,达到中等减振效果,可为未来城轨高架线的既有线改造提供技术储备。