上盖开发车辆段库内轨道高等级减振扣件研发及应用

冉 蕾 马佳骏 孙井林 黄 承 曾 飞

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055; 2.洛阳双瑞橡塑科技有限公司， 河南洛阳 471000)

1 概述

城市轨道交通车辆段占用土地面积大、土地利用效率低，与日益紧张的城市土地资源之间产生了难以调和的矛盾。因此，国内北京、上海、广州、南京等十几个城市均开展了车辆段上盖物业开发项目，以充分利用珍贵的城市土地资源。

车辆段振动与噪声控制是关系上盖物业开发成功与否的关键因素。根据《北京新机场线磁各庄车辆段上盖物业开发环境影响咨询报告》要求，车辆段库内线应采用高等减振措施，减振效果不低于8 dB[1-4]。

车辆段库内线有如下特点：一是空车、低速，库内车速一般为5 km/h，出库时速度可达10～20 km/h；二是道床结构类型较多，包括检查坑道床、平过道以及各类检修设备道床等。

图1 浮轨式高等减振扣件

高等减振措施也可分为两类，一类是道床减振，一类是扣件减振。道床减振存在成本较高、施工周期长、后期维修困难等问题，难以适应库内线的一般工况；现有高等减振扣件(如图1)均采用了从轨腰处对钢轨进行支撑的结构形式，使得钢轨悬浮于轨道上方，从而获得较低的垂向刚度。

该类型扣件存在以下问题：①需采用专用工具在线安装，施工及养护维修不便；②扣件定位块易松动甚至脱出，影响行车安全；③钢轨调高和调距不如普通扣件方便；④在钢轨接头、平过道等特殊地段无法使用。

综上所述，迫切需求一种减振效果明显、零配件通用性好、工程适应性强、安全可靠、便于施工及养护维修的车辆段库内用高等减振扣件。

2 高等级减振扣件结构研究

2.1 研究目标

综合前述，确定高等级减振扣件的研究目标，见表1。

表1 高等级减振扣件研究目标

2.2 研究重难点

(1)根据该车辆段的减振要求，库内高等级减振扣件应较普通扣件减振8 dB以上。一般来说，钢轨扣件具有较低的刚度是实现减振降噪的有效手段，但较低的刚度会影响轨道的稳定性。因此，需研究确定扣件刚度取值，同时合理匹配各弹性层的刚度，控制钢轨位移，保证轨道的稳定性，实现扣件低刚度高减振性能与轨道稳定性两者之间的平衡。

(2)扣件结构适用于众多类型的道床，如短枕式道床、立柱式检查坑以及特殊地段(如钢轨接头、平过道等)，并保证施工及养护维修的便利性。

2.3 扣件结构方案

借鉴城市轨道交通成熟产品—双层非线性减振扣件的设计理念，采用可分离式三层减振结构，减振扣件整体组装示意见图2，减振器预组装部分见图3。主要特点如下。

图2 库内高等减振扣件整体组装

图3 减振器预组装部分示意

①采用多重弹性层组成串联结构，以获得低刚度，进而实现高减振性能。

②研究橡胶垫板超低刚度对轨道稳定性和安全性的影响，通过调整橡胶垫板的配方参数和结构形式，提高轨道安全、稳定性和橡胶垫板的使用寿命。

③在锚固螺栓处采用独立的支撑柱，与尼龙套等部件配合，实现板下弹性垫层的变形控制以及预组装，且独立支撑柱可从铁垫板上部取出，方便弹性垫层的更换。

④取消减振扣件下的铁垫板，减小扣件安装高度，控制轨头变形，减小部件应力。

⑤解决既有库内减振扣件存在的问题，且扣件结构方案适用于有缝线路、无缝线路、库内线路等各类型道床。

2.4 设计参数取值

(1)设计荷载

作用于扣件上的力取决于诸多因素：如车辆的轴重、固定轴距、曲线半径、钢轨抗弯刚度、扣件刚度等。采用目前通用的连续弹性支承梁模型进行计算[5-6]，可得到该扣件的设计荷载：垂向力R=40 kN，横向力H=20 kN。

(2)静刚度取值

根据相关车辆段环评报告的预测结论，列车进出库速度达到10～20 km/h时超标5～8 dB。因此，本次研究目标为减振效果≥8 dB，扣件节点垂向刚度宜为6～9 kN/mm[7-9]。

(3)轨距和高低调整量

扣件轨距调整量为-12～+8 mm，高低调整量为20 mm，满足无砟轨道轨距加宽、施工误差等的调整要求。

3 扣件性能理论分析

通过有限元理论分析[10-12]，计算其节点静刚度、减振性能并校核各零部件的强度。减振扣件受力情况见图4。

图4 减振扣件受力情况

3.1 组装静刚度

轨头加载35 kN，垂向最大变形为3.97 mm，由此得出扣件静刚度为8.8 kN/mm，满足设计值6～9 kN/mm要求。扣件变形见图5。

图5 扣件变形

3.2 减振性能

建立有限元实体模型，高等级减振扣件和普通扣件均采用弹簧阻尼单元进行模拟，钢轨采用梁单元模拟，道床及道床基础采用三维实体单元模拟。在道床基础周边设置三维黏弹性人工边界条件，模型及单元划分见图6。计算时，在钢轨上施加载荷，记录距钢轨中心2.5 m处道床基础的振动加速度[13-15]。

图6 减振性能计算网格划分

经分析，相较于普通扣件(1～80 Hz频段内)，高等级减振扣件的减振量为12.8 dB，60 Hz处的最大减振量为21.1 dB，满足研究目标要求。

3.3 扣件部件强度

扣件各部件强度检算结果见表2，各部件应力见图7～图11，扣件各部件应力水平均小于材料许用应力，满足强度设计要求[16-18]。

表2 扣件各部件强度检算结果

图7 上铁垫板Mises应力

图8 中间铁垫板Mises应力

图9 支撑柱Mises应力

图10 尼龙套Mises应力

图11 盖板Mises应力

4 扣件性能试验及在线测试

4.1 扣件性能试验

扣件组装性能试验包括静动刚度[19]、疲劳性能、落锤试验、纵向阻力和绝缘电阻。其中，300万次组装疲劳试验的结果为：扣件各零部件无伤损，扣件疲劳测试前后静刚度变化率约为8%，扣件疲劳测试前后纵向阻力变化率约为6%，扣件单边动态轨距扩张小于3 mm，轨底动态横向位移量小于2.5 mm，均满足规范和设计要求。

4.2 在线性能测试

在南京地铁1号线小行车辆段试车线隧道内的整体道床上，进行了库内高等级减振扣件的铺设，见图12。南京地铁1号线车辆编组为6A，接触网供电，试车线全长1.3 km，隧道内整体道床长约800 m。线路均为直线，列车最高运行速度为80 km/h。

经在线测试[20]，扣件减振效果≥8 dB，达到研究预期目标；轨道安全性指标(脱轨系数、轮重减载率)和列车运行平稳性指标(竖向、横向)均满足规范要求，见表3。

表3 减振扣件在线测试结果

图12 减振扣件现场铺设

5 结论

根据地铁上盖物业开发车辆段减振需求以及库内线轨道特点，研发出一种库内高等级减振扣件，并完成一系列室内试验及在线性能测试，结论如下：

(1)库内高等级减振扣件解决了既有库内减振产品存在的问题，其采用多重弹性层组成串联结构，低速情况下减振效果≥8 dB。该扣件采用独立支撑柱和预组装结构，方便施工及养护。

(2)该扣件已在速度80 km/h、A型车的某线路上应用近2年，减振扣件使用状态稳定、良好，现场养护维修工作量少，满足运营的各项要求。

(3)库内高等级减振扣件已在北京新机场线磁各庄车辆段铺设。该扣件具有减振效果良好、便于养护维修等优势，得到建设和运营单位认可，并得到国内多个城市地铁上盖车辆段的采纳。