高曉剛，王安斌

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

在軌道振動(dòng)噪聲控制措施中，鋼軌減振扣件作為一種有效、經(jīng)濟(jì)的措施得到了廣泛的應(yīng)用。其通過(guò)金屬?gòu)棗l或彈片扣壓鋼軌，利用扣件中的橡膠類彈性阻尼元件產(chǎn)生減、隔振效果，并通過(guò)道釘與軌枕連接。彈條是實(shí)現(xiàn)扣件系統(tǒng)功能的主要部件，其在使用過(guò)程中如出現(xiàn)傷損失效現(xiàn)象，導(dǎo)致輪軌相互作用力加劇，車輛和軌道結(jié)構(gòu)各部件加速破壞，數(shù)量嚴(yán)重危及行車安全[1]。

國(guó)內(nèi)也曾報(bào)道過(guò)地鐵彈條傷損案例，南京地鐵1號(hào)線DTⅥ2型扣件彈條折斷[2]及北京地鐵e型彈條傷損[3]。分別從地鐵扣件彈條安裝要求、曲線段鋼軌打磨、頻譜分析等角度進(jìn)行了研究分析。本文對(duì)發(fā)生在國(guó)內(nèi)某地鐵下行線PR彈條傷損區(qū)間進(jìn)行了軌道系統(tǒng)對(duì)比、鋼軌波磨、扣件力學(xué)分析及頻譜響應(yīng)等多方面研究，對(duì)比分析了同區(qū)段都使用PR彈條的單趾彈簧普通扣件和壓縮型減振扣件下的鋼軌波磨及軌道系統(tǒng)頻響特性，得到了PR彈條的傷損機(jī)理，并給出了針對(duì)性緩解扣件彈條傷損的解決方案，對(duì)地鐵工務(wù)部門線路維護(hù)及保養(yǎng)提供理論的指導(dǎo)。

1 現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)查

1.1 區(qū)間概況

彈條傷損區(qū)段主要位于國(guó)內(nèi)某地鐵線路的下行線。該區(qū)段隧道采用整體道床、埋入式混凝土軌枕，最小曲線半徑1 000 mm，坡度10.2‰，超高64 mm。

1.2 所用扣件情況

彈條傷損區(qū)段扣件分別采用60 kg/m鋼軌配套單趾彈簧普通扣件及壓縮型減振扣件。單趾彈簧扣件是普通扣件，主要由軌下橡膠墊、鐵墊板、板下橡膠墊、彈條及M30螺栓等組成，如圖1所示。該扣件節(jié)點(diǎn)垂直靜剛度約50 kN/mm，動(dòng)靜比約1.50[4]。

圖1 單趾彈簧普通扣件系統(tǒng)

壓縮型減振扣件是中等減振扣件，其基于底板型扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)設(shè)計(jì)雙層非線性彈性墊板系統(tǒng)以降低系統(tǒng)剛度和提高結(jié)構(gòu)阻尼來(lái)控制二次噪聲與振動(dòng)。它主要由軌下橡膠墊、上鐵墊板、中間橡膠墊、下鐵墊板和自鎖裝置等組成，如圖2所示。該扣件節(jié)點(diǎn)的垂直靜剛度為10 kN/mm～15 kN/mm，動(dòng)靜比不大于1.40[5]。

圖2 壓縮型減振扣件系統(tǒng)

1.3 所用彈條情況

彈條發(fā)生傷損的線路區(qū)間單趾彈簧扣件及壓縮型減振扣件均配套PR單趾彈條（直徑20 mm）。壓縮型減振扣件設(shè)計(jì)扣壓力不小于13 kN～15 kN，彈條設(shè)計(jì)彈程14.1 mm，安裝時(shí)彈條穿入鐵墊板插孔的長(zhǎng)度＞72 mm，但不允許外露。

2 實(shí)況調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)彈條傷損部位均在彈條中肢尾部，斷口處有點(diǎn)接觸的壓痕，斷肢與鐵墊板插孔的接觸狀態(tài)為兩點(diǎn)接觸。

從圖4、圖5現(xiàn)場(chǎng)扣件安裝統(tǒng)計(jì)看出，軌距測(cè)量最大偏差為3 mm，軌高差范圍-2～+1 mm，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

但部分扣件未按標(biāo)準(zhǔn)施工，出現(xiàn)缺少軌下墊板及軌距塊下墊L型加厚板現(xiàn)象的時(shí)有發(fā)生，在一定程度上影響了軌道系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

圖3 PR彈條傷損位置

圖4 鋼軌下無(wú)軌下墊

圖5 壓縮型減振扣件鋼軌軌距和軌差現(xiàn)場(chǎng)情況

3 軌道動(dòng)態(tài)測(cè)試

在線動(dòng)態(tài)測(cè)試是在列車正常運(yùn)營(yíng)狀況下的行車高峰時(shí)段進(jìn)行。采集記錄高峰段列車數(shù)據(jù)不少于20列車。由于車輪踏面與鋼軌頂面靠?jī)?nèi)側(cè)接觸，當(dāng)車輪經(jīng)過(guò)曲線振動(dòng)時(shí)，鋼軌頂面靠?jī)?nèi)側(cè)垂向力較外側(cè)大，內(nèi)側(cè)的振動(dòng)幅值較外側(cè)大，造成內(nèi)側(cè)扣件鋼軌受力較外側(cè)大，所以彈條傷損主要集中于鋼軌下股。曲線段鋼軌垂向、橫向及軌彈條內(nèi)外側(cè)的動(dòng)態(tài)位移，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖6所示。

圖6 隧道內(nèi)在線動(dòng)態(tài)測(cè)試

4 鋼軌波磨分析

4.1 彈條傷損區(qū)間鋼軌波磨

根據(jù)彈條傷損地段，發(fā)現(xiàn)小曲線半徑是造成彈條傷損原因之一，列車經(jīng)過(guò)曲線地段時(shí)，曲線半徑越小，波磨越大，并且曲線地段明顯大于直線地段，現(xiàn)場(chǎng)波磨比較短，在列車反復(fù)荷載作用下，鋼軌產(chǎn)生高頻振動(dòng)。由于鋼軌高頻振動(dòng)，作為約束鋼軌振動(dòng)的扣件必將產(chǎn)生高頻荷載，當(dāng)荷載超過(guò)扣件強(qiáng)度時(shí)，變形超過(guò)其彈程時(shí)將會(huì)產(chǎn)生傷損。圖7（a）、圖7（b）分別為壓縮型減振扣件和單趾彈簧扣件鋼軌波磨情況。

表1 （a）鋼軌-低軌動(dòng)態(tài)變形/mm

表1 (b)鋼軌-高軌動(dòng)態(tài)變形/mm

表1 （c）彈條動(dòng)態(tài)變形及軌距變化/mm

4.2 鋼軌波磨分析

鋼軌波浪磨耗是在軌道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中在鋼軌踏面沿鋼軌縱向產(chǎn)生的一種波長(zhǎng)規(guī)則化的典型鋼軌粗糙度現(xiàn)象，其主要特點(diǎn)是磨耗的波長(zhǎng)基本固定。“非連續(xù)支承諧振機(jī)理”是最主要的波長(zhǎng)固定機(jī)理[7–8]。非連續(xù)支承頻率f可按下式(1)進(jìn)行計(jì)算

其中：E是鋼軌材料的彈性模量，I是鋼軌截面慣性矩，mr是鋼軌單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，l是扣件支撐間距。

圖7為地鐵軌道上典型的鋼軌波浪磨耗現(xiàn)象。在列車運(yùn)營(yíng)條件下，若已知其運(yùn)行速度時(shí)，波浪磨耗激勵(lì)頻率可按式（2）計(jì)算

其中：fc是波浪磨耗的激勵(lì)頻率，v是列車運(yùn)行速度，λ是波浪磨耗的波長(zhǎng)。計(jì)算的頻率通常可以幫助辨認(rèn)軌道鋼軌有波浪磨耗的軌道產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的主要振源。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)波磨實(shí)況

從圖8可以得到壓縮型減振扣件波磨波長(zhǎng)約25 mm，在車速65 km/h，激勵(lì)頻率約為722 Hz。

圖8 壓縮型扣件與單趾扣件鋼軌粗糙度

5 強(qiáng)度分析

5.1 PR彈條強(qiáng)度分析

單趾彈條設(shè)計(jì)狀態(tài)下，彈條安裝后彈條跟端扣壓在軌距塊上，彈條趾端扣壓在鐵墊板插孔座上，彈條趾端垂向位移達(dá)到設(shè)計(jì)彈程14.1 mm，中趾穿入鐵墊板插孔內(nèi)的長(zhǎng)度大于72 mm且小于76 mm，保證中趾不外露，并與插孔呈線性接觸狀態(tài)。

在彈條出現(xiàn)傷損地段，發(fā)現(xiàn)實(shí)際彈條中趾插入鐵墊板長(zhǎng)度大于76 mm，導(dǎo)致彈條與鐵墊板的接觸狀態(tài)由線接觸變?yōu)閮牲c(diǎn)接觸。彈條中趾插入過(guò)長(zhǎng)，中趾下沉，由于鐵墊板插孔位置固定，中趾下沉?xí)斐蓮棗l彈程增大，彈條的受力狀態(tài)將會(huì)惡化。彈條垂向變形應(yīng)力分析中扣壓點(diǎn)1 mm垂向變形最大應(yīng)力120.4 MPa，彈條橫向變形的應(yīng)力分析中扣壓點(diǎn)1 mm橫向變形最大應(yīng)力547.5 MPa，見(jiàn)圖9所示。

當(dāng)彈條中趾插入鐵墊板插孔長(zhǎng)度大于76 mm時(shí)，中趾頭部與鐵墊板的接觸應(yīng)力接近最大等效應(yīng)力，接觸點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在軌道曲線狀態(tài)下，輪軌橫向作用力使彈條最大等效應(yīng)力大于彈條材料的屈服強(qiáng)度，造成傷損。

表2 PR彈條模態(tài)分析

圖9 PR400型彈條應(yīng)力分析圖

5.2 PR彈條模態(tài)分析

壓縮型減振扣件區(qū)間段鋼軌波磨下輪軌激勵(lì)頻率為722 Hz，這與PR彈條第2階共振頻率接近，將導(dǎo)致彈條快速疲勞傷損。

5.3 受力分析

當(dāng)安裝扣件時(shí)，扣件施加給鋼軌有個(gè)初始扣壓力，這個(gè)初始扣壓力應(yīng)能保證列車作用下的穩(wěn)定和防止鋼軌相對(duì)軌枕縱向爬行。隨著列車的反復(fù)荷載，軌下墊層和扣壓件分別產(chǎn)生初始變形，初始變形量是不相等的，列車通過(guò)時(shí)由于軌枕動(dòng)壓力的作用，引起扣壓件和軌下膠墊壓力變化，軌下墊層剛度變化使鋼軌與扣件出現(xiàn)不密貼現(xiàn)象，扣件扣壓力大大損失，影響扣件工作的可靠性，增加了鋼軌爬行的可能性。為了防止鋼軌爬行，扣件的縱向阻力必須大于道床組阻力。由于列車曲線通過(guò)時(shí)彈條與鐵墊板的接觸變?yōu)閮牲c(diǎn)接觸，在中趾尾部小圓弧處受力集中，但是此處接觸點(diǎn)的等效應(yīng)力不足以維持正常的扣壓力，應(yīng)力集中于此造成脆性傷損。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際彈條傷損處與撿到彈條位置綜合來(lái)看，該彈條在中趾尾部受力集中后出現(xiàn)異常脆性傷損而彈出。從分析原因出發(fā)，彈條在此處受力發(fā)生變化。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選擇。動(dòng)態(tài)變形測(cè)試表明，單趾彈簧扣件的動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大于壓縮型減振扣件。由于壓縮型減振扣件的垂向剛度小于單趾彈簧普通扣件，鋼軌的動(dòng)態(tài)垂向位移大于單趾彈簧鋼軌垂向位移，在曲線段一定程度上減小了曲線段軌道的振動(dòng)水平以及傳遞到PR彈條上的振動(dòng)水平。所以，選擇減振型扣件能降低彈條傷損的可能性。

（2）減小輪軌激勵(lì)。彈條傷損區(qū)鋼軌出現(xiàn)波浪形磨耗，激勵(lì)頻率與安裝下扣件彈條的模態(tài)頻率的匹配，使輪軌間產(chǎn)生高頻振動(dòng)，彈條在此頻段發(fā)生共振，周期作用下將在彈跟處萌生裂紋并失效傷損。建議在線路維護(hù)中對(duì)鋼軌進(jìn)行周期性打磨，來(lái)減小輪軌間的激勵(lì)力。

（3）提高材料性能。彈條安裝在鐵座上始終承受應(yīng)力，對(duì)材料性能是一個(gè)極大的考驗(yàn)，尤其抗疲勞性能等因素，隨著彈條更新?lián)Q代的速度，材料是其中最關(guān)鍵之處，如III型彈條的扣壓力比單趾彈條大一倍，但在目前線路中考慮減振降噪等因素，并不是一味的用高扣壓力的彈條就可以避免，如果能將III型彈條的材料性能應(yīng)用在單趾彈條上，將可以解決曲線線路上的不穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）規(guī)范扣件安裝。在日常維護(hù)中會(huì)有更換傷損彈條和更換底座等作業(yè)，往往需要將維修點(diǎn)附近10 m范圍內(nèi)彈條拆下，所以經(jīng)常會(huì)有對(duì)線路上彈條做拆卸安裝過(guò)程，因施工人員技術(shù)層次不齊，無(wú)法避免將彈條打進(jìn)太深，在列車運(yùn)行中慢慢積累應(yīng)力，導(dǎo)致彈條突斷，因此，需規(guī)范維護(hù)作業(yè)中的安裝標(biāo)準(zhǔn)，解決扣件安裝時(shí)出現(xiàn)的位置偏差。