温州市域铁路减振扣件设计研发

周 磊,李秋义,韩志刚

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 市域铁路减振扣件技术研究现状

市域铁路是我国新型城镇化发展中产生的一种新型客运轨道交通方式[1]，主要服务于城市与郊区、卫星城之间的铁路客运。温州市域铁路S1线是“国家战略新兴产业示范工程”，温州在市域铁路的研究、设计、建设等方面承担着引领示范的角色[2-3]。温州市域铁路经过瓯海、鹿城、龙湾等人口稠密地区，后期配套物业开发较多，对轨道减振提出了较高的要求。根据温州市域铁路环境影响评估报告书[4]，温州市域铁路S1线中等减振里程总计约48 km，中等减振地段通常采用减振扣件达到中等减振效果，因此需要安装超过16万套中等减振扣件。环境保护与工程建设都对市域铁路中等减振扣件提出了紧迫的需求，以温州市域铁路S1线为依托，对市域铁路减振扣件进行设计研发。

减振扣件在我国城市轨道交通中运用广泛，正线及道岔地段均有减振的需求[5-6]。减振扣件一般通过在钢轨和铁垫板下设置减振橡胶垫板等方法减振，如：剪切型、双层铁垫板式和压缩型扣件等。

剪切型减振扣件典型的有Cologne-Egg弹性扣件[7-9](图1)，该扣件的承轨板与底座之间用减振橡胶硫化粘贴在一起，利用橡胶圈的剪切变形获得较低竖向刚度，较普通弹性分开式扣件的振动传递有明显减少，但该类扣件硫化减振层易失效，无法现场更换，使用成本较高。

图1 Cologne-Egg弹性扣件

双层铁垫板式减振扣件有Z系列、GJ-Ⅲ型扣件和Lord扣件等产品[10-11](图2)，该类扣件弹性垫板工作时无预压，具有良好的减振效果，缺点是拆卸不方便，不利于养护维修。

图2 Lord扣件

压缩型减振扣件有DTⅢ型扣件[12]等(图3)，该类扣件一般采用二级减振，在钢轨和铁垫板下都设绝缘橡胶板，扣件的弹性、减振效果较好，但使用时一般对板下弹性垫板有预压，影响了减振降噪效果。

图3 DTⅢ型扣件

上述城市轨道交通的减振扣件大多用于地铁线路，车辆轴重不大于16 t，最大运行速度80～120 km/h。对比温州市域铁路，运行轴重17 t市域动车组列车，设计速度120～140 km/h，现有的城市轨道交通减振扣件均不能完全满足市域铁路运营条件和技术标准要求。

2 温州市域铁路减振扣件设计

2.1 设计要求

减振扣件的弹条、预埋套管、锚固螺栓及钉孔距应与温州市域S1线普通不减振扣件(WJ-7B型)通用，减少建设施工及运营维护时的工作和成本。其中减振扣件的弹条与WJ-7B的弹条一致；预埋套管采用与WJ-7B一致的D2套管；锚固螺栓的钉孔距为直列式(382±1) mm，与WJ-7B一致。

减振扣件需满足轴重17 t市域动车组列车，最高速度140 km/h的运行条件(温州市域铁路S1线的设计速度为120 km/h，温州市域铁路S2线设计速度为140 km/h)。

减振扣件的实际减振效果需达到3～5 dB[13]。

减振扣件应具有良好的形位保持能力，保障列车-轨道系统的安全运营。

2.2 减振扣件设计方案

根据设计要求，结合温州市域铁路的实际情况，设计研发了如图4所示的市域铁路减振扣件。该市域铁路减振扣件采用镶嵌式双层减振结构：通过上、下铁垫板的镶嵌结构和绝缘垫及螺栓对中间弹性垫板实现固定，对中间弹性垫板无预紧，充分发挥其减振性能，整体结构无硫化、粘接，无锁扣，安装简便，易于在养护维修时更换失效的中间弹性垫板。考虑到温州所处沿海环境，所有扣件的铁件均采用可靠的防锈蚀处理措施，满足“经360 h中性盐雾试验(NSS试验)保护级不得低于9级”的要求。

图4 市域铁路减振扣件组装示意

3 扣件系统仿真检算

3.1 有限元模型检算

扣件系统内各弹性部件刚度等参数的确定和组合是扣件系统设计的关键[14-16]，基于2.2节设计的减振扣件结构，本文建立了减振扣件有限元分析模型，对扣件系统设计参数取值(系统刚度取值分配)进行仿真计算分析。

扣件系统如图5、图6所示，包含两个弹条、轨下橡胶垫板、铁垫板下橡胶垫板、铁垫板和锚固螺栓。钢轨采用实体SOLID185单元模拟，铁垫板简化为一块规则矩形板，采用SHELL181板壳单元模拟。轨下橡胶垫板采用LINK10单元模拟，钢轨底部每个节点均与铁垫板相应节点生成一个LINK10单元，可以较好地模拟橡胶垫板的线性行为；在钢轨翻转时，部分轨底与橡胶垫板分离，对应的LINK10单元受拉，受拉时这部分单元刚度降为0，可以很好地模拟分离行为。固定铁垫板的锚固螺栓和弹条的竖向扣压均采用单向单压杆单元LINK10模拟，并且对其赋予初始应变来反映预压力。铁垫板下橡胶垫板及钢轨的横向阻力均采用单向弹簧单元COMBIN14模拟，根据理论分析赋予合适的刚度值，合理反映相应的弹性约束。

图5 扣件方案有限元模型

图6 扣件方案有限元模型截面示意

当扣件节点刚度为18 kN/mm时，轨下橡胶垫板与铁垫板下橡胶垫板不同刚度组合下，钢轨的应力及垂、横向位移的仿真计算结果如图7所示。由图7可见，保持扣件节点刚度为18 kN/mm大小不变的条件下，轨下橡胶垫板的刚度越大，钢轨垂向位移、横向位移以及钢轨应力就越小。

图7 扣件节点刚度18 kN/mm时的计算结果

当轨下弹性垫板刚度固定为50 kN/mm，改变铁垫板下弹性垫板刚度，钢轨应力及垂、横向位移的仿真计算结果如图8所示。板下刚度从30 kN/mm增加至70 kN/mm，钢轨垂向位移从2.663 mm减小到2.395 mm，减少量为0.268 mm；钢轨横向位移从3.804 mm减小到3.792 mm，减少量为0.012 mm；钢轨应力几乎保持133 MPa无变化。

图8 不同铁垫板下刚度计算结果

当铁垫板下弹性垫板刚度固定为50 kN/mm，改变轨板下弹性垫板刚度，钢轨应力及垂、横向位移的仿真计算结果如图9所示。轨下刚度从30 kN/mm增加至70 kN/mm，钢轨垂向位移从3.465 mm减小到2.026 mm，减少量为1.439 mm；钢轨横向位移从5.295 mm减小到3.058 mm，减少量为2.237 mm；钢轨应力减少69 MPa，从179 MPa减小到110 MPa。

图9 不同轨下刚度计算结果

从图8和图9可以看出，轨下刚度变化远比板下刚度变化对钢轨各项指标的影响大。上述计算结果显示，考虑列车轴重17 t的工况下，轨下橡胶垫板刚度50 kN/mm，铁垫板下橡胶垫板刚度28 kN/mm，轨下扣件节点刚度18 kN/mm满足设计和使用要求。

3.2 车辆轨道系统动力学模型检算

本文建立了考虑扣件系统的车辆轨道系统动力学模型[17-18]，研究该减振扣件对列车运行安全性的影响。

车辆模型由车体、构架及轮对共7个刚体以及一、二系悬挂组成，如图10所示。考虑垂向、横向、侧滚、摇头、点头5个运动自由度，共35个自由度。

图10 车辆动力学模型

轨道模型基于市域铁路普遍采用的整体道床结构建立，如图11所示。左右两股钢轨均视为离散弹性点支承基础上的无限长Euler梁，并考虑其垂向、横向及扭转自由度[19-20]，钢轨表面不平顺选用美国五级谱。

图11 无砟轨道模型

扣件系统的建模参数如表1所示。

表1 扣件系统建模参数

计算列车以160 km/h速度通过时，车体最大加速度为0.08g，脱轨系数为0.086，轮重减载率为0.17，倾覆系数为0.13，均满足我国TB/T 2360—1993《铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准》和GB 5599—198《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》要求。计算结果表明该减振扣件参数取值满足列车运行安全性要求。

4 室内试验测试

为研究减振扣件的结构强度、疲劳性能及隔振性能，在室内实验室对该减振扣件进行了静压试验、组装疲劳试验和隔振效果检测。

4.1 静压试验

静压试验采用单节点扣件，以0.3～0.5 kN/s的加载速度进行静压，在扣件承轨槽两端安放2个位移传感器，检测扣件的垂向变形量。

按客车轴重17 t计算的轨道单节点最大垂向力约为26 kN。经过试验检测，当垂向加载力为28～29 kN时，扣件垂向变形量达到1.5 mm，扣件及零部件均未发现伤损现象，说明该减振扣件的结构强度及材料性能满足设计和使用要求。

4.2 组装疲劳试验

减振扣件的组装疲劳试验按欧洲铁路标准EN13481《铁路设施.轨道.紧固系统的性能要求》和EN13146《铁路设施·轨道·紧固系统的试验方法》进行，扣件按最大调高量组装，试验现场如图12所示。经300万次[21]荷载循环后各零部件无损伤，组装扣压力变化率8%，钢轨纵向阻力变化率9.7%，组装静刚度变化率6%，轨距扩大量3 mm，符合规范和设计要求，说明该减振扣件的结构强度及材料性能满足设计和使用要求。

图12 组装疲劳试验现场

4.3 隔振效果试验

为了明确该减振扣件和WJ-7B型扣件相比的减振效果，本文对两种扣件进行了隔振效果检测。试验采用敲击法进行，力锤敲击测试可以获得扣件系统对不同频率载荷的传递效果，从而判断扣件系统的固有频率和对不同频率载荷的减振效果。对两种不同扣件的激振器测试数据进行比对，试验现场如图13所示。

图13 隔振效果试验现场

隔振效果的测试结果如表2所示，从表2可以看出，在20～200 Hz频段上，本文设计的减振扣件比WJ-7B型扣件的隔振效率提高17.5%，1/3倍频A计权提高了3.74 dB，达到设计要求。

表2 隔振效果测试结果

5 现场测试

5.1 现场测试简介

为进一步确定该减振扣件的减振性能，在温州市域铁路S1线高架桥区间上的直线和曲线(半径700 m)的地段分别选取测试断面，开展现场测试与分析。测试断面位于高架桥上，考虑到列车运行所引发的振动在传递至桥梁后，需经过桥墩往地面进行传播，因此为获取减振扣件的减振效果，着重对桥墩处(即简支梁梁端)桥梁的振动进行测试。测试选在简支梁梁端，具体为靠近桥梁梁缝第2组与第3组扣件之间的位置，如图14所示。测试内容包括动态变形和振动加速度两个方面，其中动态变形主要为钢轨动态变形和道床板动态变形，振动加速度主要为钢轨振动加速度和道床板振动加速度。

图14 位移测点布置示意

钢轨垂向振动加速度测点置于钢轨轨底，钢轨横向加速度测点置于钢轨轨腰。道床板加速度测点置于道床板外侧板边。桥梁振动加速度测点置于距离道床板内侧边缘15～20 cm的位置，测点布置如图15所示。

图15 加速度测点布置示意

5.2 轨道动态位移分析

列车在直线上运行时，普通扣件区段和减振扣件区段的轨道动态位移幅值如图16和图17所示。从图中可以看出，在直线地段，钢轨横向位移和垂向位移均较小。普通轨道内、外轨垂向位移幅值均小于0.5 mm，横向位移幅值均小于0.3 mm；减振扣件断面内、外轨垂向位移幅值均小于1.0 mm，横向位移幅值均小于0.3 mm。

图16 直线普通扣件区段钢轨位移

图17 直线减振扣件区段钢轨位移

列车在曲线上运行时，普通扣件区段轨道动态位移幅值如图18所示。从图18可以看出，在普通扣件区段，内、外轨垂向位移幅值均小于0.9 mm，横向位移幅值均小于0.9 mm。受曲线地段欠、过超高的影响，内、外轨的横向位移幅值存在一定差异，外轨横向位移幅值为0.63 mm，内轨横向位移幅值为0.85 mm，后者约为前者的1.3倍。

图18 曲线普通扣件区段钢轨位移

列车在曲线上运行时，减振扣件区段轨道动态位移幅值如图19所示。从图19可以看出，减振扣件区段内、外轨垂向位移幅值均小于1.6 mm，横向位移幅值均小于1.1 mm。受曲线地段欠、过超高的影响，内、外轨垂向位移幅值相差较大，外轨垂向位移幅值为1.17 mm，内轨垂向位移幅值为1.41 mm，后者约为前者的1.2倍；曲线地段减振扣件断面外轨横向位移幅值为1.03 mm，内轨横向位移幅值为0.58 mm，前者约为后者的1.8倍。

图19 曲线减振扣件区段钢轨位移

5.3 减振效果分析

本文采用CJJ/T191—2012《浮置板道床技术规范》规定的评价方法，在4～200 Hz频率范围内进行分析，以减振扣件轨道与普通轨道桥面垂向加速度1/3倍频程分频振级的均方根差值作为减振效果评价指标，其中计权处理采用ISO2613—1997规定的Z计权因子。

直线地段中等减振扣件断面实测行车速度73.0 km/h，普通扣件断面实测行车速度78.7 km/h；曲线地段中等减振扣件断面实测行车速度105.5 km/h，普通扣件断面实测行车速度108.4 km/h；两者速度相当，可近似进行对比分析。随机抽取减振扣件断面和普通轨道断面各20组数据进行分析，分析频率为4～200 Hz，各样本的振级分析结果如图20和图21所示。在直线上，普通扣件区段桥面振级的平均值为93.8 dB，减振扣件区段断面该值为88.3 dB，因此，获得该中等减振扣件产品在直线段的减振效果为5.5 dB，满足中等需求。在曲线上，普通扣件区段桥面振级的平均值为96.1 dB，减振扣件区段断面该值为91.3 dB，因此，获得该中等减振扣件产品在直线段的减振效果为4.8 dB，满足轨道中等减振需求。

图20 直线减振扣件与普通道床桥面振级对比

图21 曲线减振扣件与普通道床桥面振级对比

6 结论

以温州市域铁路为依托，对市域铁路减振扣件进行了设计研发，包括扣件结构设计，有限元及车辆轨道耦合动力学检算、扣件室内试验、扣件现场测试等方面，主要结论如下。

(1)扣件接口与现有成熟扣件产品接口保持一致，能够有效减少建设施工及后期养护维修工作量，降低运营成本。

(2)扣件整体结构无硫化、粘接，无锁扣，安装简便，易于在养护维修时更换失效的中间弹性垫板，具备较好的防腐蚀能力。

(3)通过有限元计算发现，扣件轨下刚度变化远比板下刚度变化对钢轨各项指标的影响大，检算轨下橡胶垫板刚度50 kN/mm、铁垫板下橡胶垫板刚度28 kN/mm、轨下扣件节点刚度18 kN/mm满足设计使用要求。

(4)通过车辆轨道耦合动力学计算，列车的脱轨系数、倾覆系数、车体加速度等车辆系统安全性指标满足规范要求，扣件参数取值满足列车运行安全性的要求。

(5)通过扣件静压试验和组装疲劳试验的检测，该减振扣件结构强度、材料性能、疲劳性能满足设计和使用要求。

(6)通过现场测试发现，安装该减振扣件后钢轨的垂向位移幅值均小于1.5 mm，横向位移幅值均小于1.1 mm，满足设计使用要求。

(7)通过室内敲击测试表明扣件减振效果达到3.74 dB，现场减振效果评估测试表明扣件减振效果达到4.8 dB，满足市域铁路中等减振设计要求。

(8)基于上述结果，该减振扣件适用于市域铁路中等减振轨道，填补了我国市域铁路减振扣件产品的空白。