压板式双层非线性减振扣件系统设计研究

杨伟挺，王安斌，高晓刚，龚湛林，张汉平，熊俊杰

(1.上海工程技术大学城市轨道交通学院,上海 201620; 2.广东信力科技股份有限公司,广东东莞 523145; 3.东莞市轨道交通有限公司,广东东莞 523073)

引言

随着“十四五”规划的开局,我国城市轨道交通建设及运营方面取得了突飞猛进的发展。根据2021年8月交通运输部统计数据,全国共有48个城市开通地铁线路,共计247条,累计运营里程达到7 970 km。城市轨道交通的快速发展,首先解决了城市居民日益增长的交通需求与交通局限性之间的矛盾,其次也带动了线路周边民生经济的发展[1],如新建住宅小区、商业发展及其他物业建设等。与此同时,随着交通线路对周边经济发展的辐射,居民的生产生活在振动与噪声环境方面对城市轨道交通提出了更高的需求[2]。治理既有线路可能存在的噪声与振动环评超标问题有很强的必要性和建设性。目前市场主流的轨道交通振源减振技术包括车辆减振、扣件产品、钢轨吸振器产品、弹性轨枕产品以及钢弹簧道床产品等[3]。而钢轨扣件相比其他产品,以产品经济性高、更换相对方便的优点成为优先级较高的减振措施[4]。

钢轨扣件系统对线路运营的安全性及平稳性起决定性作用,扣件是轨道结构的基础,通过扣压件等结构固定钢轨,同时通过螺栓等结构与轨下基础联结[5]。以实现钢轨扣件基础作用为前提,减振扣件是在扣件系统中加入弹性材料单元层,从而利用弹性层的隔振特性有效地从振源处降低城市轨道交通的振动与噪声[6]。减振扣件目前在我国城市轨道交通中应用较多,其中某型双层非线性扣件是具有代表性的一类扣件产品[7]。

1 现有双层非线性扣件研究现状

1.1 双层非线性减振扣件介绍

某型双层非线性减振扣件被列为中等减振措施,该减振扣件结构如图1所示。相关公开技术文件显示该扣件系统由轨下橡胶垫板、钢轨轨距尼龙调节块、两层铸铁垫板、中间弹性单元层、自锁套筒等结构组成[8]。在地铁线路运行工况下,轨下橡胶垫板以及中间弹性层受荷载会发生非线性弹性压缩变形,起到隔振效果,降低从钢轨到道床的振动传递,以达到中等减振效果[9]。

图1 某型双层非线性减振扣件

1.2 双层非线性减振扣件存在的问题

随着双层非线性减振扣件在城市轨道交通线路中的应用,有现场技术人员研究发现该减振扣件存在一定缺陷,如:双层铁垫板总体高度较高,势必导致钢轨横向稳定性降低且成本相对于普通扣件的单层金属垫板大幅增加;扣件整体组装配合需要精确的设计公差,否则将出现预紧力过大或过小现象,进一步导致弹性层无法正常工作。

因此,在现有扣件系统研究基础上,为适应市场需求,克服现有减振扣件中存在的缺陷,设计一款新型双层非线性减振扣件很有必要。

2 新型压板式扣件系统设计

2.1 设计指标

针对以上问题,设计一种带预紧力的压板式双层非线性减振扣件,通过单层铁垫板结构达到中等减振的效果[10]。其中主要设计要求包括:

(1)为避免改造轨枕与道床结构,节省运营维护成本,该扣件应能使用在既有线路上,即接口与普通扣件DZⅢ-1一致;

(2)为适应现场安装条件,扣件系统的预紧力、安装钢轨轨距及高度应有较大的可调范围[11],即该扣件应满足相应技术规范要求的轨距调整量和调高量;

(3)为达到中等减振效果,一组扣件节点静刚度设计为(14±3) kN/mm,而落锤冲击试验减振效果相对于普通型号非减振扣件为7～10 dB[12];

(4)为保证行车安全,扣件系统在最大调高量组装条件下300万次疲劳试验后,轨距扩大量、轨头动态横向位移应满足安全技术要求;

(5)现场安装简单,拆卸与维修容易[13]。

2.2 减振扣件设计方案

根据设计要求,结合城市轨道交通线路的实际情况,创新性地使用压板式结构设计,设计研发了新型压板式减振扣件,如图2所示。

图2 压板式减振扣件系统

该新型减振扣件采用压板式双弹性层减振结构,包括铸铁承轨座、刚性结构压盖块、压块尼龙耐磨套、钢轨下弹性垫板、铸铁承轨座下弹性垫板、锚固螺栓及预埋螺栓套管、调高垫板与耦合垫板等。

其中刚性铸铁压盖先套上尼龙耐磨套,然后扣在铁垫板凹槽内。在这种结构下,来自轮轨激励的横向力先通过铁垫板传递至压盖结构,然后传递至锚固螺栓,以此保证锚固螺栓的稳定性;这种结构同时保证铸铁承轨座下弹性垫板有一定预紧力。底层弹性垫板正常工作,其材料绝缘且弹性充分发挥,提供对扣件系统的弹性及支撑作用,降低扣件系统的垂向刚度[14];设计尼龙耐磨套与压盖配套使用,避免压盖与铁垫板之间直接刚性接触,同时提高扣件系统绝缘性能。

压板式扣件系统如图3所示,扣件优势在于从工序及材料角度降低加工生产成本,且保证足够的强度与减振性能。同时,相比需要硫化、粘接、锁扣等安装工序的扣件,本压板式扣件整体安装流程以及后期养护维修过程简便,节省人力、物力[15]。

图3 压板式扣件系统示意

3 压板式扣件系统仿真

3.1 有限元ABQUS分析

根据相关研究[16],扣件系统的节点刚度以及减振性能受扣件系统内各部件强度及垂向刚度等参数直接影响。根据三维实体模型,在商业有限元软件ABAQUS中建立仿真分析模型(图4),进行扣件强度分析。该模型采用通用单位制,各部件材料基本参数见表1。

表1 扣件系统各部件材料参数

图4 有限元分析模型

根据相关研究[17-18],扣件系统仿真荷载为轨头中央垂向40 kN,轨头中央横向20 kN,以此模拟地铁列车运行时对每组扣件节点施加的荷载力。钢轨轨脚施加9 kN的弹条扣压力,铁垫板弹条座施加向下的9 kN弹条压力,弹条孔施加18 kN向上的弹条力;盖板上设置40 kN集中力模拟螺栓安装情况及预紧力。

先进行扣件系统组装强度检算,从图5可以看出,铁垫板最大应力173 MPa出现在弹条座位置,上压盖板最大应力为114 MPa。

图5 扣件系统强度计算结果(单位:MPa)

考虑QT450-10材料的屈服强度为310 MPa以及轮轨接触时的偶然冲击载荷,按照铁路设计强度要求扣件应达到2～2.5倍安全系数,因此,铁垫板及上压盖板强度设计满足要求。

尼龙套材质选用尼龙66,为验证尼龙套强度及耐磨能力,进行尼龙套的摩擦磨损计算,以此模拟在行车条件下受到压板和铁垫板垂向及横向相互摩擦作用。计算结果如图6所示,疲劳仿真结果为0.035 mm,与室内通过扣件300万次疲劳试验测量的最大磨损量一致。

图6 尼龙套摩擦磨损计算

综上所述,扣件各关键部件强度验算结果均符合设计要求。

3.2 扣件系统垂向刚度分析结果

扣件系统位移如图7、图8所示,扣件系统垂向(U2方向)位移最大为2.68 mm,轨下垫的垂向平均位移为1.3 mm,板下垫的垂向平均位移为1.8 mm。计算轨下垫刚度为30.5 kN/mm,板下垫刚度为22.2 kN/mm,根据弹性体串联计算方法扣件系统的刚度为12.8 kN/mm。

图7 扣件系统仿真(U2方向)位移云图(单位:mm)

图8 扣件垫板仿真(U2方向)位移云图(单位:mm)

3.3 扣件安全性分析

为研究压板式扣件系统对列车运行安全性的影响,建立车辆-轨道动力学模型[19],如图9所示。扣件在仿真分析中第一层轨下弹性垫模型为弹簧,铸铁板简化为质量块,轨下弹性垫为第二弹簧,参数如表2所示。

表2 轨道系统及轮轨粗糙度

图9 轮轨动力学安全性分析模型

安全性分析结果如图10所示:当车辆速度为80 km/h时,轮对脱轨系数峰值为0.23,轮重减载率峰值为0.24,相关技术要求最大值分别为0.6、0.8。结果表明,该压板式扣件系统设计参数达到安全性要求。

图10 安全性分析

4 室内试验测试

借助实验测试平台,通过刚度试验研究减振扣件的结构强度[20],通过组装疲劳试验研究扣件的疲劳性能,通过落锤试验研究扣件的隔振性能。

4.1 扣件系统静刚度试验

依据相关标准,扣件系统安装钢轨,然后用工装固定,平置在MTS试验机平台上,如图11所示。

图11 扣件系统静刚度试验

为降低误差,进行3组试验,测试结果如表3所示。新型压板式双层非线性减振扣件系统疲劳试验前静刚度为15.6 kN/mm,疲劳试验后静刚度为16.5 kN/mm,平均刚度变化率为6.43%,满足设计要求。

表3 组装静刚度实验

4.2 组装疲劳试验

借鉴欧洲铁路标准进行减振扣件的组装疲劳试验,其中钢轨按最大调高量安装,试验现场如图12所示。疲劳试验结果如图13所示,疲劳试验加载300万次荷载循环,扣件系统各零件无伤损,其中钢轨轨头动态横移量为0.43 mm,钢轨轨底动态横移量为0.30 mm,钢轨轨底动态垂移量为1.79 mm,轨距扩大量 0.5 mm,达到技术指标。经过测试,扣件系统组装扣压力变化率6%,扣件系统组装静刚度变化率6.5%,钢轨纵向阻力变化率8.7%。综上所述,该扣件系统的疲劳性能达到扣件设计要求。

图12 扣件系统疲劳试验

图13 扣件疲劳试验完后部件无伤损

4.3 组装扣件系统落锤试验

为研究减振扣件的减振效果,选用DZIII-1型扣件为对照组进行落锤锤击试验,试验现场布置如图14所示。采用落锤锤击法模拟轮轨激励,布置加速度传感器、数据采集仪、计算机系统以分析扣件系统的减振效果。

图14 扣件系统落锤试验

分别采集记录距离钢轨轨底正中心25,50 cm的测点振动值,在20～200 Hz频段上该扣件对比DTIII-1型扣件1/3倍频程插入损失为8.9 dB,达到中等减振扣件的减振效果。

5 结论

研究了一种压板式双层非线性减振扣件,对该扣件进行结构设计、有限元仿真分析及轮轨动力学仿真计算工作,然后在室内进行扣件疲劳试验、扣件落锤试验及扣件刚度试验,主要结论如下。

(1)扣件系统采用单层铁垫板结构设计,显著降低了扣件安装高度。经过实验室疲劳试验及轮轨动力学仿真计算,扣件设计安全可靠。

(2)经过扣件系统室内静刚度测试,轨下扣件节点刚度在疲劳试验后为17 kN/mm;通过室内锤击测试表明,扣件减振效果达到8.9 dB,满足中等减振扣件设计要求。