都市快軌交通?第２０卷第１期２００７年２月《土建技術(shù)●Ⅲ型雙剛度軌道隔振器扣件的設(shè)計任靜（北京城建設(shè)計研究總院北京１０００３７）ｌ軌道減振器扣件改進(jìn)設(shè)計的必要性１．１減振器扣件改進(jìn)是軌道交通減振降噪的重要環(huán)節(jié)城市軌道交通的減振降噪是一個綜合問題，需相關(guān)專業(yè)共同配合解決。改善輪軌關(guān)系，采取軌道減振、隔振等技術(shù)措施，可使列車的振動和噪聲有效地衰減。軌道減振措施一般分三個等級，其中中等減振要求的技術(shù)措施一般采用彈性短枕式整體道床、軌道減振器扣件、粘結(jié)式扣件等減振措施。由于軌道減振器扣件鋪設(shè)安裝容易，使用情況易于觀察，養(yǎng)護(hù)、維修、更換方便，所以在城市軌道交通中已廣泛應(yīng)用，其減振性也得到不斷改進(jìn)。１．２軌道減振器扣件的研制歷程及更新?lián)Q代北京城建設(shè)計研究總院早在１９８８年就研究設(shè)計了Ｉ型軌道減振器扣件，并申請專利（見圖１），其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是利用將軌下承軌鐵墊板和連接軌枕的底座鐵墊板硫化于一體的橡膠圈來承受剪切作用。由于橡膠的剪切彈性優(yōu)于其壓縮彈性，軌道減振器扣件具有很低的垂直靜剛度，一般在１０～１８ｋＮ／ｍｍ。Ｉ型軌道減振器扣件（適用于６０ｋｇ／ｍ鋼軌）參考了德國“科隆蛋”的設(shè)計理念，即底板呈長方形、承軌板收稿日期：２００６—０７－２４作者簡介：任靜，女，高級工程師，總工辦主任，ｒｅｎｊｉｎｇ＠ｂｕｅｄｒｉ．ｃｏｍ圖１Ｉ型軌道減振器扣件與底座的連接呈橢圓形。橡膠圈的材質(zhì)采用了國產(chǎn)的氯丁橡膠，材料配方由產(chǎn)品制造廠研制。該產(chǎn)品于１９９０年通過上海市科研技術(shù)鑒定，并鋪設(shè)于上海地鐵１、２號線上。根據(jù)Ｉ型軌道減振器扣件的研究報告，第一代軌道減振器的試驗室檢測性能良好，減振效果顯著，振動加速級較ＤＴⅢ型扣件（一種普通地鐵扣件）減少１０～２０ｄＢ。在上海地鐵１號線的鋪設(shè)使用中，初期減振效果明顯，發(fā)揮了良好的減振作用，填補(bǔ)了我國當(dāng)時只有壓縮型扣件、沒有剪切型扣件的空白。據(jù)上海地鐵運(yùn)營公司的調(diào)查，部分Ｉ型軌道減振器扣件在鋪設(shè)３～５年后，減振效果逐步衰減，與一般軌道扣件基本等同。更有特例，擱置于露天環(huán)境中２年還未鋪設(shè)上道的Ｉ型減振器扣件，彈性已經(jīng)衰減了大半。經(jīng)過對國外軌道減振器扣件的技術(shù)調(diào)查，初步分析減振彈性衰減的主要原因是減振器橡膠圈的橡膠性能不穩(wěn)定、配方不佳等；另外，減振器的減振參數(shù)也不盡合理，如動靜剛度比偏大，在１０～４０ｋＮ荷載范圍內(nèi)達(dá)１．４。２０００年，經(jīng)過對橡膠材質(zhì)的優(yōu)選和橡膠配方的初步改進(jìn)，Ｉ型軌道減振器扣件陸續(xù)用于北京地鐵１３號線和八通線的較高減振地段，目前的使用狀況良好。ＵＲＢＡＮＲＡＰＩＤＲＡＩＬＴＲＡＮＳＩＴ鞫萬方數(shù)據(jù)都市快軌交通?第２０卷第１期２００７年２月２００１年，根據(jù)大連快速軌道交通３號線等工程的需求，調(diào)整了扣壓鋼軌部件，配套設(shè)計了適用于５０ｋｇ／ｍ鋼軌的Ⅱ型軌道減振器扣件，見圖２。圖２Ⅱ型軌道減振器扣件另外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，Ｉ型軌道減振器扣件按所有最不利條件疊加的安全性作為控制條件，在正常荷載條件下其減振性能稍差?；谀壳皣鴥?nèi)軌道減振器扣件的使用情況，根據(jù)國外剪切型扣件的技術(shù)發(fā)展，有必要進(jìn)行軌道減振器扣件的技術(shù)改進(jìn)研究。由于市場需求和技術(shù)進(jìn)步，改進(jìn)我國Ｉ型（Ⅱ型）軌道減振器扣件的技術(shù)和性能，開發(fā)以隔振性能為主的雙剛度Ⅲ型軌道隔振器扣件，已時機(jī)成熟。２Ⅲ型軌道隔振器的技術(shù)定位研究２．１滿足一般扣件的技術(shù)性能要求軌道隔振器要有堅固、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，耐久性好，保持軌道的幾何狀態(tài)，同時具有調(diào)整軌道幾何狀態(tài)的功能，以及較高的電絕緣性能。２．２兼顧軌道的強(qiáng)度和彈性、承載和隔振軌道隔振器扣件在設(shè)計時應(yīng)考慮兩種工況：正常運(yùn)營工況和偶然因輪、軌損傷而引起的沖擊荷載等突發(fā)大荷載工況。軌道隔振器扣件在正常荷載工況下，應(yīng)充分發(fā)揮其隔振性能；而在大荷載工況下，應(yīng)確保軌道幾何形位穩(wěn)定，保證行車安全，具備超載保護(hù)的功能，耐久性提高。２．３具有較高的抗疲勞性能考察扣件的一個關(guān)鍵指標(biāo)是抵抗疲勞荷載的能力，即考察其使用壽命。在疲勞循環(huán)荷載作用下，經(jīng)過３００萬次循環(huán)，隔振器扣件的各個部位均不得出現(xiàn)破壞。２．４．結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)具有通用性由于第一代軌道隔振器扣件已大量應(yīng)用，其減振效果隨著時間的推移逐漸衰減，需要以新隔振器扣件蔫國ＵＲＢＡＮＲＡＰＩＤＲＡＩＬＴＲＡＮＳＩＴ替換，因此新一代隔振器扣件的外部結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)能滿足更換空問的要求，即更換為新型的隔振器扣件后應(yīng)能保證軌道結(jié)構(gòu)的正確幾何形狀，同時不影響既有的道床結(jié)構(gòu)。３Ⅲ型雙剛度軌道隔振器扣件設(shè)計參數(shù)研究３．１軌道調(diào)整功能基于軌道隔振器扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計的通用性，在保持軌距性能和軌道幾何尺寸調(diào)整功能方面，應(yīng)與原有的減振器扣件一致，即滿足地鐵Ａ、Ｂ型車最高行車速度小于１００ｋｍ／ｈ行車條件下的抵抗輪軌橫向水平力的性能。其軌道調(diào)整功能如下：（１）軌距調(diào)整量：＋８～一１２ｍｍ。（２）鋼軌水平調(diào)整量：軌下允許調(diào)高１０ｍｉｌｌ，隔振器下允許調(diào)高２０ｍｍ。３．２鋼軌動態(tài)下沉與扣件節(jié)點(diǎn)組合靜剛度按城市軌道交通的列車運(yùn)營安全和運(yùn)行平順性要求，鋼軌動態(tài)下沉量限值?。常恚?。ＩＩＩ型軌道隔振器的靜剛度目標(biāo)值為８～１２ｋＮ／ｍ，動靜比不大于１．２５。３．３雙剛度設(shè)計以往在進(jìn)行扣件設(shè)計時，均以強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行剛度設(shè)計。由于按最大可能動荷載再乘以安全系數(shù)來控制剛度設(shè)計，扣件的彈性一般較小，只能滿足一般地段的承載和彈性需求。對于較高減振地段，如何在保證安全的情況下提高扣件的彈性，是一個綜合提高扣件技術(shù)性能的問題。在Ⅲ型軌道隔振器扣件設(shè)計中，提出了“雙剛度”扣件的設(shè)計理念。３．３．１第一階剛度——減振剛度“減振剛度”是為了提高減振效果，對系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)最優(yōu)化設(shè)計所期望的剛度值．＇可按正常運(yùn)營狀態(tài)下的疲勞荷載乘以安全系數(shù)來控制設(shè)計。一階剛度拐點(diǎn)的載荷值應(yīng)為２５～３０ｋＮ，第一階剛度的計算取值在１５ｋＮ一拐點(diǎn)范圍內(nèi)，靜剛度為８～１２ｋＮ／ｍｍ。在這個荷載范圍內(nèi)，扣件的荷載一位移曲線基本為一個斜率值。３．３．２第二階剛度——安全剛度“安全剛度”是保證鋼軌幾何形位變化在安全范圍內(nèi)所必需的支承剛度，按運(yùn)營時最大可能動荷載來控制設(shè)計。第二階剛度的計算取值在拐點(diǎn)～３５ｋＮ范圍內(nèi)。當(dāng)荷載值超出正常運(yùn)營荷載范圍后，扣件的荷載一位移曲線產(chǎn)生拐點(diǎn)，斜率突然變大，扣件自身發(fā)揮超載保護(hù)作用，扣件不單靠橡膠圈的剪切起作用，上下面橡萬方數(shù)據(jù)皿型雙剛度軌道隔振器扣件的設(shè)計膠墊板的壓縮也起作用，從而達(dá)到控制軌道幾何形位變化的目的。這一靜剛度值控制在一般扣件的彈性范圍內(nèi)，即２５～４０ｋＮ／ｍｍ。３．４動靜比動靜比（Ｒ＝ｋｄ／ｋ。）直接影響扣件的工作彈性和減振效果，受結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料配方等多因素影響，是需通過橡膠配方研究反復(fù)調(diào)整的參數(shù)。動靜比的設(shè)計控制值在１．２～１．２５，扣件的減振效果４０較好，彈性，”３０衰減也很嘉綜小。Ⅲ型軌?。保档栏粽衿骺郏保患湫偷暮伞陛d一位移圖見圖３。，（≯，√ｒ．，７１膏，，’，一，，圖３荷載一位移圖３．５扣件絕緣性能軌道隔振器扣件各部位絕緣件的絕緣電阻和扣件綜合絕緣電阻值均不低于１０８ｎ。４Ⅲ型軌道隔振器結(jié)構(gòu)設(shè)計研究４．１扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計扣件的結(jié)構(gòu)高度、與軌枕的連接釘孔尺寸等參數(shù)，均與Ｉ型軌道減振器扣件一致，即仍然采用橢圓外形，利用四角的４個螺旋道釘與軌枕連接（見圖４），以達(dá)到通用互換。圖４Ⅲ型軌道隔振器扣件在扣件結(jié)構(gòu)設(shè)計上，為避免產(chǎn)生垂直沖擊，在承軌板下，設(shè)計了５ｍｍ厚的橡膠墊層，起超載后的緩沖作用。４．２材質(zhì)的優(yōu)化４．２．１承軌板最初研制的承軌板采用了可鍛鑄鐵，制造過程中需要熱處理，工藝相對復(fù)雜。熱處理產(chǎn)生擠壓變形，易出現(xiàn)廢品。另外，可鍛鑄鐵在地下隧道的潮濕環(huán)境下容易銹蝕。為提高扣件結(jié)構(gòu)耐銹蝕性能和制造精度，增加抗沖擊韌性，材料改用球墨鑄鐵。４．２．２橡膠氯丁橡膠具有耐天候性好的特點(diǎn)，因此應(yīng)用于第一代產(chǎn)品，但它存在著滯后損耗稍大等缺點(diǎn)。天然橡膠機(jī)械性能好且穩(wěn)定，滯后損耗小，在橡膠中自振頻率最低。如果配方良好，橡膠表面沒有大的拉伸應(yīng)力，則天然橡膠具有良好的耐天候性能。目前，國外逐漸采用天然橡膠作為軌道減振材料，因此本次優(yōu)化設(shè)計時將橡膠圈的材質(zhì)改為天然橡膠。４．３對扣壓件的適應(yīng)性改進(jìn)目前，有兩大類扣壓鋼軌彈條：一是采用無螺栓ｅ形彈條，如地鐵的ＤＴＶＩ型扣件系列；二是采用有螺栓（１）形彈條，如鐵路的彈條Ｉ型、地鐵ＤＴｌｌｌ型扣件系列。這兩大類扣件都是目前國內(nèi)鐵路和地鐵大量采用、技術(shù)成熟的扣件，扣壓力和各項技術(shù)指標(biāo)均可以滿足軌道的要求。由于目前越來越多的普通地鐵扣件均采用無螺栓彈條件為扣壓件，所以Ⅲ型軌道隔振器扣件也從原來的∞形彈條改為可適應(yīng)這兩種情況的彈條，以便與全線地鐵扣件的形式統(tǒng)一，提高該扣件的適應(yīng)性。４．４超載保護(hù)設(shè)計首先應(yīng)確定地鐵正常運(yùn)營條件下的荷載。４．４．１理論分析根據(jù)預(yù)測的扣件彈性值和軌道幾何形位尺寸，采用有限元理論建模計算，分析單個扣件所承受的垂直荷載，見表１和圖５。表１扣件計算參數(shù)ｌ堡一ｌ垡ｌ垡ｌｇＩ４魚一Ｌ?。?！—Ｌ—』Ｌ—Ｌ—４ｊＬＩ圖５荷載分析圖式經(jīng)計算，單個扣件承受的最大垂直靜荷載２２ｋＮ，扣件產(chǎn)生壓縮變形２．４７ｍｍ；承受的最大動荷載２５ｋＮ，產(chǎn)生動位移２．１ｍｍ。ＵＲＢＡＮＲＡＰＩＤＲＡＩＬＴＲＡＮＳＩＴ６１萬方數(shù)據(jù)都市快軌交通?第２０卷第１期２００７年２月４．４．２國內(nèi)地鐵測試分析根據(jù)廣州地鐵的測試資料，Ｒ＝３００ｍ曲線扣件所承受的橫向水平荷載一般在１４～１５ｋＮ，約有１％車輛產(chǎn)生的橫向水平力超過１８ｋＮ。據(jù)此推算，Ｒ圭３００ｍ曲線扣件所承受的垂直荷載一般應(yīng)在２３～２５ｋＮ，偶然垂直荷載可能會超過３０ｋＮ。４．４．３國際同類產(chǎn)品設(shè)計荷載情況國際同類產(chǎn)品有ＬＯＲＤ扣件、ＤＥＬＫＯＲ扣件等，設(shè)計荷載情況見表２。表２國際同類產(chǎn)品設(shè)計荷載對照表ｋＮ一般垂直荷載ｌＯ～４５一般水平橫向荷載１０～２５１０～４０１０～２３１５—３０１０～１８綜上分析，確定Ⅲ型隔振器扣件的一般設(shè)計荷載為：垂直荷載１５～３５ｋＮ，水平橫向荷載１０～２０ｋＮ，即在上述荷載范圍內(nèi)發(fā)揮有效的減振作用。４．５橡膠圈外形的優(yōu)化設(shè)計（１）加大了橡膠圈上表面的自由表面；（２）橡膠圈的高度降低１２ｍｍ，改善了隔振器的剪切彈性。４．６提高材料耐久性的優(yōu)化與試驗研究４．６．１橡膠層材料的彈性模量與隔振器動靜比的關(guān)系橡膠材料的動靜彈性模量比隨材料硬度（模量）的升高逐漸變大，軌道隔振器的動靜剛度隨材料的彈性模量的升高而升高，其動靜剛度比和材料的動靜彈性模量比變化趨勢一致，數(shù)值也比較接近。在滿足隔振器安全剛度的前提下，盡量降低材料的硬度，對于降低隔振器的動靜比和整體隔振效果非常有效。４．６．２橡膠層材料的阻尼性能與隔振器動靜比的關(guān)系隔振器的模態(tài)阻尼和橡膠層材料的損耗因子近似成正比關(guān)系，在隔振器垂向振動模態(tài)下，橡膠層材料的應(yīng)變能分?jǐn)?shù)均在９８％以上，因此橡膠層材料的損耗因子決定了該模態(tài)下隔振器的模態(tài)阻尼；隨著隔振器模態(tài)阻尼的增加，隔振器的動靜比也單調(diào)升高。要盡量減小阻尼，降低材料的發(fā)熱。５檢驗方法研究５．１靜剛度先進(jìn)行試件預(yù)壓，以１～２ｋＮ／ｓ的速度垂向加載至３５ｋＮ，靜停６０ｓ后卸載，如此加載３次后進(jìn)行靜剛度６２ＵＲＢＡＮＲＡＰＩＤＲＡＩＬＴＲＡＮＳＩＴ測試。載荷范圍：０～３５ｋＮ；加載方式：以每２．５ｋＮ為一個增量加載至３５ｋＮ，每加載２．５ｋＮ靜停３０ｓ，并記錄對應(yīng)的位移值，同時計算其正割剛度。５．２動剛度名義載荷為１８ｋＮ，加載頻率為１０Ｈｚ，振幅為±０．５ｍｍ，進(jìn)行１３００次循環(huán)。記錄１２００～１２０４次所對應(yīng)的載荷及位移值，計算相應(yīng)的動剛度值，取平均值作為產(chǎn)品的動剛度ｋｄ。５．３動靜剛度比動靜剛度比就是動剛度ｋｄ與對應(yīng)載荷范圍的靜剮度ｋ。之比，即Ｒ＝ｋｄ／ｋ。。５．４疲勞試驗垂向與橫向同時加載，做３００萬次循環(huán)加載疲勞試驗。垂向加載范圍是８～４０ｋＮ，橫向荷載為垂向荷載的０．５倍。測量在加載條件下疲勞試驗前以及每１００萬次（共４次）的軌頭與軌底的橫向移動量，疲勞試驗后靜剛度、動剛度的變化。疲勞試驗后的大載荷循環(huán)加載試驗：垂向加載范圍為１０～５０ｋＮ，橫向荷載為垂向荷載的０．５倍，循環(huán)１０萬次。６Ⅲ型軌道隔振器扣件的性能試驗研究結(jié)合北京地鐵５號線的Ⅲ型軌道隔振器扣件招標(biāo)，進(jìn)行了Ⅲ型軌道隔振器扣件的試制和各項試驗研究。各項檢驗合格是該設(shè)備采購標(biāo)的資格預(yù)審條件之一，而且通過產(chǎn)品招標(biāo)和供貨階段，配合制造工藝等環(huán)節(jié)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料配方、防銹等方面又不斷地細(xì)化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。以下是３個樣品的部分試驗結(jié)果。６．１靜剛度試驗靜剛度測試結(jié)果見表３。６．２動剛度和動靜比由表４可見，３個樣品測試結(jié)果的平行性很好，Ⅲ型軌道隔振器的靜剛度和動靜比完全滿足設(shè)計要求。６．３疲勞性能表５的結(jié)果表明，所研制的軌道隔振器的耐疲勞性能良好，疲勞后軌頭和軌底的動態(tài)橫向位移最大小于３ｍｍ，動靜剛度略有升高，但變化幅度在５％以內(nèi)，疲勞后動靜比仍在１．３以下，完全可以滿足工程應(yīng)用的要求。萬方數(shù)據(jù)皿型雙剛度軌道隔振器扭件的設(shè)計表３Ⅲ型軌道隔振器樣品靜剛度測試結(jié)果２．５５．０７．５１０．Ｏ１２．５１５．０１７．５２０．０２２．５２５．０２７．５３０．Ｏ３２．５３５．Ｏ計算靜剛度／（ｋＮ／ｍｍ）０．３８Ｏ．６６Ｏ．９３１．１９１．４６１．６８１．９３２．１７２．４ｌ２．６６２．９ｌ３．１３．２５３．３６１０．５６０．３４０．６４０．９２１．２０１．４７１．６９１．９１２．１６２．４０２．６３２．８９３．０６３．２１３．３１１０．９５０．４ｌ０．７００．９６１．２３１．４９１．７２１．９７２．２０２．４４２．７１２．９７３．１５３．３１３．４１１０．４９表４ｍ型軌道隔振器動剛度和動靜比測試結(jié)果Ｐ。。一Ｐ。ｉ。／ｋＮ變形幅度△／ｈｉｍ動剛度／（ｋＮ／ｍｍ）動靜比１１．４５Ｏ．８８１３．０１１．２３６１２．１３０．９０１３．４８１．２５１表５１。和３。試件疲勞前后的靜、動剛度靜剛度／（ｋＮ／ｍｍ）１’動剛度／（ｋＮ／ｍｍ）動靜比靜剛度／（ｋＮ／ｍｍ）３。動剛度／（ｋＮ／ｍｍ）動靜比１０．５６１３．０１１．２３６１０．４９１２．９９１．２３４１０．８９１３．７５１．２６３１０．７６１３．４７１．２５２１１．４３０．８８１２．９９１．２３４—３．１３—５．６９—２．１８—２．５７—３．７０一１．４５在上述試驗的基礎(chǔ)上，為考核隔振器扣件在超載情況下的性能，將垂向荷載加大至８～５０ｋＮ，橫向荷載仍為垂向荷載的０．５倍，如此循環(huán)加載１０萬次以后，軌道隔振器扣件沒有發(fā)生任何損壞。６．４減振性能對比試驗結(jié)果通過落錘試驗，與現(xiàn)有Ｉ型軌道減振器進(jìn)行比較，減振效果提高４～６ｄＢ。７結(jié)語在廣泛調(diào)研第一代軌道減振器使用情況和了解國際同類減振扣件的基礎(chǔ)上，新設(shè)計開發(fā)的Ⅲ型軌道隔振器扣件有如下特點(diǎn)：（１）結(jié)構(gòu)的承載和減振性能更加符合地鐵使用情況；（２）ｍ型隔振器的扣件靜剛度、動靜比，都比原來的產(chǎn)品顯著改善，彈性更好；（３）通過調(diào)整橡膠配方，找到其彈性和阻尼性能的最佳配合點(diǎn)，提高了隔振效果，控制了減振性能的衰減，基本解決了材料耐老化問題；（４）基于運(yùn)營安全的考慮，引進(jìn)了“雙剛度”的設(shè)計理念，既滿足正常荷載下的減振功能要求，又保證了偶然超載下的行車平穩(wěn)安全；（５）采用耐久性優(yōu)良的天然橡膠，結(jié)合配方的改進(jìn)，扣件的隔振性能得到優(yōu)化；（６）選擇球墨鑄鐵來生產(chǎn)鑄件，提高其韌性、耐腐蝕性、鑄造精度和成品率；（７）充分考慮與既有設(shè)備的互換性，為以后的更換提供了方便?？傊?，Ⅲ型軌道隔振器扣件是新一代軌道減振產(chǎn)品，它的使用將更加有利于改善車輛對軌道的振動，降低輪軌的沖擊噪聲，可以取代既有的同類設(shè)備。參考文獻(xiàn)［１］鐵道科學(xué)研究院鐵建所．廣州地鐵１號線軌道減振工程減振性能動測測試與評價［Ｇ］．北京，１９９７．［２］北京城建設(shè)計研究院．ＤＴ－９０軌道減振器扣件研究報告［Ｒ］．北京，１９９０．３］洛德機(jī)械（上海）有限公司．ＲＦ