張小華，喬小雷，孟鴻濤，馮光福，孫德華

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090；

(2.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，南京 200125；3.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，南寧 530021）

嵌入式地鐵減振扣件的設(shè)計(jì)開發(fā)

張小華1，喬小雷2，孟鴻濤2，馮光福3，孫德華1

（1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090；

(2.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，南京 200125；3.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，南寧 530021）

根據(jù)南京地鐵1號(hào)線地下線整體道床軌道結(jié)構(gòu)的工況，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款嵌入式地鐵減振扣件。該扣件的接口安裝尺寸和使用高度以及配套件與原普通扣件完全一致，降低了施工難度與周期，同時(shí)大幅降低了既有線路改造升級(jí)的成本；減振扣件的插入損失達(dá)到12.89 dB，車輛在垂向和橫向的平穩(wěn)性指標(biāo)為優(yōu)。新型地鐵減振扣件可在不影響列車正常運(yùn)營(yíng)和軌道結(jié)構(gòu)邊界不變的前提下，實(shí)現(xiàn)線路的快捷改造升級(jí)，并有效保證列車的平穩(wěn)運(yùn)行和減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。

振動(dòng)與波；減振扣件；設(shè)計(jì)開發(fā)；地鐵；嵌入式

南京地鐵1號(hào)線為南京地鐵第一條建成運(yùn)營(yíng)的線路，線路總長(zhǎng)39.7 km，采用6節(jié)編組A型列車，列車最高運(yùn)行速度80 km/h。經(jīng)過十多年的運(yùn)營(yíng)使用，隨著通過總重的增加，行車密度提高和輪軌關(guān)系惡化等因素的影響，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)中扣件系統(tǒng)的彈性部件嚴(yán)重老化，影響了扣件系統(tǒng)正常的工作，致使部分路段出現(xiàn)彈條斷裂、鋼軌異常波磨和軌道系統(tǒng)振動(dòng)噪聲等異?，F(xiàn)象頻出，嚴(yán)重影響了日常維護(hù)工作和周邊環(huán)境。紅山動(dòng)物園站至南京站上行線隧道至高架段過渡區(qū)間異?，F(xiàn)象明顯，該里程的曲線半徑為350 m，屬于小半徑曲線段，應(yīng)用工況比較惡劣。軌道結(jié)構(gòu)采用了整體道床短軌枕結(jié)構(gòu)形式，緊固扣件為DTVI-2型普通扣件。

經(jīng)過多次論證，南京地鐵運(yùn)營(yíng)公司決定聯(lián)合中船重工七一一所，共同設(shè)計(jì)開發(fā)一款新型地鐵減振扣件，能在不停運(yùn)和不改變現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)邊界的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)既有扣件的嵌入式更換，完成線路的技術(shù)改造升級(jí)。同時(shí)，選擇異?，F(xiàn)象明顯、應(yīng)用環(huán)境條件較為惡劣的小半徑曲線段即紅山動(dòng)物園站至南京站的上行線地下線隧道段(里程K15+40～K15+198)作為驗(yàn)證地段進(jìn)行產(chǎn)品的應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)要求的確定

綜合考慮現(xiàn)有線路條件，包括現(xiàn)有扣件與軌枕和鋼軌接口、現(xiàn)行扣件安裝高度、施工難易度等各種因素，新型減振扣件的設(shè)計(jì)要求：

（1）為降低施工難度與作業(yè)量，新型減振扣件的安裝接口必須與現(xiàn)有短軌枕匹配；

（2）為控制改造成本和方便后期養(yǎng)護(hù)維修，新型減振扣件的彈條、絕緣軌距塊和螺旋道釘?shù)扰涮琢悴考?yīng)和現(xiàn)有扣件通用；

（3）鑒于本路段的曲線半徑較小，軌道狀態(tài)調(diào)整不易，為減少現(xiàn)場(chǎng)的工作量，保證運(yùn)營(yíng)不受影響，線路不設(shè)置過渡段，減振扣件的使用高度必須與既有扣件相同；

（4）為降低列車運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)周邊環(huán)境的影響，新型減振扣件的減振性能不小于6 dB，具備中等軌道結(jié)構(gòu)減振措施的能力；

（5）改造后列車平穩(wěn)性指標(biāo)不得明顯降低，減振扣件須具有良好的垂向、橫向穩(wěn)定性、軌距保持能力等，保證列車安全平穩(wěn)地運(yùn)行。

2 嵌入式減振扣件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)開發(fā)了如圖1所示的嵌入式地鐵減振扣件，安裝接口及零部件選擇與現(xiàn)有扣件保持一致，保證了與既有軌道結(jié)構(gòu)和列車的匹配。

圖1 嵌入式地鐵減振扣件

超薄型橡膠減振器作為減振扣件的關(guān)鍵部件，直接承載和提供彈性，因此，超薄型橡膠減振的設(shè)計(jì)尤為重要。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證減振扣件提供合適的橫向剛度和軌距保持能力，在橡膠減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用如圖2所示的橫向兩端包縛式結(jié)構(gòu)，利用承軌板與底座的結(jié)構(gòu)互鎖，有效地控制減振器的橫向變形和上拉。

圖2 超薄型橡膠減振器

2.2 材料調(diào)配

由于使用高度的限制，減振器的設(shè)計(jì)厚度相對(duì)一般減振器要薄，導(dǎo)致材料強(qiáng)度的要求提高，因此金屬材質(zhì)的承軌板和底座選用強(qiáng)度高、韌性好的球墨鑄鐵QT 550。

減振器動(dòng)靜比的降低，可以有效提高減振扣件的減振效果，因此，減振器中橡膠件的膠種選用動(dòng)靜比較小的天然橡膠，同時(shí)在天然膠中加入新型高分子材料助劑(TPI)和特種結(jié)構(gòu)的低滯后炭黑，發(fā)揮其在硫化膠中的納米協(xié)同效應(yīng)，顯著弱化填料網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，從而有效降低橡膠材料的滯后性，減少內(nèi)生熱，實(shí)現(xiàn)減振器動(dòng)靜比的大幅降低和耐疲勞性能的提高，橡膠配方編號(hào)QAB 5402[2]。

2.3 工藝選擇

目前減振扣件的制造工藝廣泛地采用了物理組裝模式，由于橡膠存在蠕變的特性，長(zhǎng)時(shí)間承載作用后，橡膠件高度逐步降低，導(dǎo)致預(yù)緊力逐步減小甚至橡膠件與承軌板、底座之間完全松脫，產(chǎn)生橡膠件的移動(dòng)、滑出等現(xiàn)象，影響減振器的性能，最終導(dǎo)致彈條的斷裂、鋼軌的波磨等[1，5]。因此，超薄型橡膠減振器采用金屬件與橡膠件整體硫化的制造工藝，排除潛在的危險(xiǎn)因素。同時(shí)減少產(chǎn)品零部件數(shù)量，提高產(chǎn)品的可靠性和一致性。

材料自檢指的是項(xiàng)目材料人員在熟知各類材料性能的基礎(chǔ)上，按照各類材料的使用要求、國(guó)家或行業(yè)的驗(yàn)收規(guī)范，對(duì)進(jìn)場(chǎng)材料進(jìn)行質(zhì)量和數(shù)量的驗(yàn)收。數(shù)量驗(yàn)收即材料管理人員需根據(jù)到貨清單并結(jié)合之前提交的材料需求單與實(shí)際到貨數(shù)量進(jìn)行比對(duì)，可以采取過磅計(jì)重、理論換算、點(diǎn)數(shù)計(jì)件的計(jì)量方法，在確認(rèn)數(shù)量無誤后，在相關(guān)單據(jù)上簽字。質(zhì)量驗(yàn)收即依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，核對(duì)材料名稱、規(guī)格型號(hào)、材質(zhì)、等級(jí)；同時(shí)要仔細(xì)核對(duì)技術(shù)證件，目的是判斷材料是否完好，材料實(shí)體是否與規(guī)格要求一致。

2.4 性能仿真與校核

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料調(diào)配和工藝選擇，利用有限元仿真技術(shù)，進(jìn)行性能計(jì)算與強(qiáng)度校核。減振器的有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 減振器有限元模型

通過仿真計(jì)算可知，超薄型橡膠減振器的靜剛度為17.88 kN/mm，其變形曲線見圖4。動(dòng)靜比為1.21，承軌板和底座在30 kN載荷下的最大應(yīng)力分別為109.37 MPa和12.99 MPa小于球鐵的許用值。橡膠件的應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力為0.915 MPa。橡膠材料拉伸強(qiáng)度大于12 MPa時(shí)，其許用內(nèi)應(yīng)力在1 MPa～3 MPa之間[3]，則拉伸強(qiáng)度大于18 MPa的QAB5402橡膠材料的許用內(nèi)應(yīng)力可以達(dá)到1.5 MPa～4 MPa左右，留有足量的冗余，設(shè)計(jì)滿足要求，可以安全地使用。

減振扣件的靜剛度為15 kN/mm～22.5 kN/mm，動(dòng)靜比小于1.4時(shí)，具備中等減振軌道措施的減振能力[4–5]，能提供6 dB～8 dB的減振性能，因此，新型減振扣件的減振性能也滿足設(shè)計(jì)要求。

3 減振扣件室內(nèi)檢測(cè)性能

3.1 靜剛度、動(dòng)靜比

對(duì)超薄型橡膠減振器樣品進(jìn)行性能試驗(yàn)，載荷變形曲線見圖4。由測(cè)試結(jié)果可知，在載荷10 kN～45 kN范圍內(nèi)的靜剛度為19.10 kN/mm，動(dòng)靜比為1.22，實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)相符。

圖4 減振器變形曲線

由圖4可知，仿真計(jì)算的變形和剛度略大于實(shí)測(cè)，仿真計(jì)算的誤差僅為6.4%，滿足工程設(shè)計(jì)需求，有限元仿真設(shè)計(jì)準(zhǔn)確有效，利于減振器的快捷設(shè)計(jì)。

3.2 絕緣電阻

減振扣件的干態(tài)絕緣電阻[6]為1.4×1010Ω，能有效防止雜散電流的傳遞，提高道床等軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命。濕態(tài)電阻為26 MΩ，避免雨水情況下，信號(hào)接收水平降低引起行車故障，確保軌道電路的正常工作。

3.3 疲勞試驗(yàn)

經(jīng)過300萬次組裝疲勞試驗(yàn)后，軌頭單邊動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)張量為1.29 mm，軌底擴(kuò)展量0.65 mm，扣件各部件完好，剛度在疲勞前后的變化為4.3%，新型減振扣件具有較好的抗疲勞性能和軌距保持能力。

3.4 落錘沖擊效果

4 減振扣件在線應(yīng)用效果

完成相應(yīng)的室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證后，于2016年1月的晚間停運(yùn)間隙，利用新型減振扣件實(shí)現(xiàn)了對(duì)既有扣件的嵌入式更換，快速有效地完成了線路的改造升級(jí)施工作業(yè)，達(dá)到了改造快捷、維護(hù)方便的設(shè)計(jì)要求。改造完工后，通過改造前后軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試和列車平穩(wěn)性測(cè)試對(duì)比分析，試驗(yàn)驗(yàn)證減振扣件的在線應(yīng)用性能。

4.1 軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試

按照GB10071-1988標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)改造后的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，列車運(yùn)營(yíng)速度為45.8 km/h，鋼軌振動(dòng)加速度最大值約為300 m/s2，隧道壁的最大值通常在1 m/s2以下，隧道壁的典型振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線見圖5，遠(yuǎn)小于改造前鋼軌和隧道壁的振動(dòng)峰值800 m/s2和5 m/s2，軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況明顯得到改善。

圖5 隧道壁垂向振動(dòng)時(shí)程曲線

(1)頻域分析

對(duì)改造前后鋼軌和隧道壁的振動(dòng)加速度進(jìn)行1/3倍頻程分析，得到鋼軌和隧道壁的振動(dòng)響應(yīng)的頻域分布見圖6。

圖6 改造前后鋼軌和隧道壁1/3倍頻程譜曲線

由上圖可知，改造前鋼軌的振動(dòng)頻率主要在80 Hz處。根據(jù)振動(dòng)理論[3]，軌道結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)頻率降低到56 Hz以下，可達(dá)到較好的減振效果，同時(shí)盡量使用動(dòng)靜比較小的減振扣件，降低阻尼放大效應(yīng)，可有效降低減振軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)頻率，提高減振效果。

通過在線實(shí)測(cè)，使用新型減振扣件后，隧道壁的振動(dòng)情況得到顯著改善，振動(dòng)幅值明顯降低。軌道系統(tǒng)的振動(dòng)主頻降低到50 Hz附近，隧道壁在中高頻段的振動(dòng)響應(yīng)大幅減小，隧道壁在80 Hz處的改造前后的最大插入損失達(dá)到21 dB。

(2)隧道壁鉛垂向Z振級(jí)

按ISO2631.1-1997規(guī)定的全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)因子修正后，隧道壁在改造前后1/3倍頻程中心頻率對(duì)應(yīng)的分頻Z振級(jí)（VLz i）見圖7。

圖7 隧道壁改造前后的Z振級(jí)

改造前后隧道壁的振動(dòng)最大分頻Z振級(jí)分別為90.44 dB和76.04 dB。通過隧道壁在改造前后的Z振級(jí)對(duì)比可知：應(yīng)用新型減振扣件后，在6.3 Hz以下和31.5 Hz～40 Hz頻段處的減振效果不明顯，高頻減振效果好于低頻部分。

4.2 新型減振扣件的減振效果

新型減振扣件的減振效果即隧道壁在改造前后的Z振級(jí)插入損失，記為ΔVLZ（dB）。

n——頻率數(shù)；

VLzi.a——改造前隧道壁分頻Z振級(jí)；

VLzi.b——改造后隧道壁分頻Z振級(jí)。

經(jīng)計(jì)算，新型減振扣件減振效果12.89 dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。改造后隧道壁的Z振級(jí)為79.45 dB，有效解決了軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)異常，同時(shí)，顯著減小了列車運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。

4.3 列車平穩(wěn)性試驗(yàn)

按照GB5599-1985的規(guī)定,對(duì)列車經(jīng)過改造區(qū)段的平穩(wěn)性進(jìn)行測(cè)試分析，并計(jì)算列車運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)。經(jīng)計(jì)算，改造前和改造后列車經(jīng)過改造區(qū)段時(shí)車輛的運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)見表1。

表1 改造前、后列車平穩(wěn)性指標(biāo)

由表1可知，使用新型減振扣件改造后列車的運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí)高于1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)改造前有2.8%～8.4%的提高。嵌入式減振扣件可以很好地保持列車的平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

目前新型減振軌道系統(tǒng)經(jīng)過8個(gè)多月的實(shí)車運(yùn)營(yíng)，軌道結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，列車運(yùn)行平穩(wěn)，減振扣件工作狀態(tài)良好。

隨著近軌生活區(qū)的形成、車速的提高、運(yùn)營(yíng)頻次的增加和通過總重的遞增，既有地鐵線路中的一些普通扣件地段，將逐步不能滿足環(huán)境要求，而對(duì)既有線路的軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造施工卻很難實(shí)施，新型減振扣件的成功開發(fā)為既有線路的升級(jí)改造或特殊環(huán)境地段的減振設(shè)計(jì)提供了一種快捷有效的解決措施和方法。

（1）新型地鐵減振扣件可在不影響列車正常運(yùn)營(yíng)和軌道結(jié)構(gòu)邊界不變的前提下，完成扣件的嵌入式更換，實(shí)現(xiàn)線路的快捷改造升級(jí)，降低施工難度、減少施工工作量；

（2）配套零部件具有較好的通用性，可大幅降低改造費(fèi)用和方便后期的維修養(yǎng)護(hù)；

（3）新型減振扣件具有較好的減振效果，可以明顯降低列車振動(dòng)向周邊環(huán)境的傳遞，并有效保證列車的平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]謝炎伸.地鐵GJ―Ⅲ型減振扣件應(yīng)用及維護(hù)技術(shù)探討[J].建筑界，2013（9）：195-197.

[2]上海橡膠制品研究所檢測(cè)中心.QAB5402橡膠性能檢測(cè)[R].檢驗(yàn)報(bào)告，W（X）20141250，上海：上海橡膠制品研究所檢測(cè)中心，2014：1-2.

[3]嚴(yán)濟(jì)寬.機(jī)械振動(dòng)隔離技術(shù)[M].上海：上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社，1985.

[4]郭建平，劉衍峰.城市軌道交通在8～12 dB范圍軌道減振降噪措施比較[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008（30）：59-63.

[5]張朋成，王雨，曾仲毅平.城市軌道交通減振降噪措施分級(jí)比選研究[J].科技資訊，2013，（26）：133-137.

[6]上海電器設(shè)備檢測(cè)所.壓縮型軌道減振扣件電阻[R].檢驗(yàn)報(bào)告，WJ15-247.上海：上海電器設(shè)備檢測(cè)所，2015：1-3.

Design and Development of Embedded Metro Damping Fasteners

ZHANG Xiao-hua1,QIAO Xiao-lei2,MENG Hong-tao2,FENG Guang-fu3,SUN De-hua1
(1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute,Shanghai 200090,China;2.Nanjing Metro Co.Ltd.,Nanjing 200215,China;3.Nanning Rail Transit Co.Ltd.,Nanning 530021,China)

According to the operation condition of the track structure in Nanjing Metro line 1,a new type of embedded Metro damping fasteners is designed and developed.The connective size,the available height and necessary accessories of the new fasteners are the same as those of the conventional fasteners.This will reduce the difficulty and time of construction and the cost for upgrading the existing lines.The insertion loss of the new damping fasteners can reach 12.89 dB.The vertical and lateral stability indexes of vehicles can reach the first class.The upgrading of the existing lines will not affect the normal operation of the trains and the track structure.The application of the new embedded metro damping fasteners in subway lines can ensure the smooth running of the trains and reduce the impact on the surrounding environments.

vibration and wave;damping fasteners;design and development;metro;embedded

U213.5+3

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.05.017

1006-1355(2017)05-0080-04

2016-10-27

廣西科技重大專項(xiàng)（2016AA01095）

張小華（1980－），男，江蘇省南通市人，高級(jí)工程師，主要從事動(dòng)力設(shè)備及軌道交通的振動(dòng)與噪聲控制。

E-mail:zhangxiaohua@csic711.com