張小華 張世榮 馮光福 張晚晴 馬佳駿

(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所,201108,上海；2.南寧軌道交通集團有限責任公司,530021，南寧；3.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,100055,北京//第一作者，高級工程師)

軌道交通領域的橡膠浮筏板是一種新型的特殊減振軌道結構，應用船用動力設備的浮筏減振技術，采用橡膠隔振器作為彈性阻尼支承元件，結合浮筏板的質(zhì)量慣性作用和參數(shù)的合理設定，利用質(zhì)量效應和調(diào)諧效應，可大幅衰減輪軌振動向基礎的傳遞，可有效地解決列車運行對周邊環(huán)境的振動噪聲污染問題[1、2]。

橡膠浮筏板軌道主要由鋼軌、扣件、浮筏軌道板和橡膠隔振器等組成(如圖1所示)。橡膠浮筏板軌道采用整體硫化的圓錐形橡膠隔振器作為彈性支承元件，并內(nèi)置于道床板中，充分利用橡膠的粘彈特性和自帶阻尼效果，提供合適的三向剛度和阻尼。由于無需外加阻尼材料，其結構尺寸較常規(guī)浮置板的支承元件明顯減小，相應的道床板厚度小，軌道高度低且質(zhì)量輕，可有效解決空間不足或承載能力小的線路減振規(guī)劃和設計難題。

圖1 橡膠浮筏板軌道結構

通過調(diào)整橡膠隔振器配方，可以在不改變結構的情況下，實現(xiàn)剛度的調(diào)整，以滿足不同區(qū)段的使用需求。

列車運行時輪對會對軌道結構產(chǎn)生較大的垂向和橫向的沖擊力，極易造成軌道部件的損壞，加速鋼軌表面不平順。在小半徑曲線段此種情況尤為嚴重。各運動部件之間以及輪對與鋼軌之間還會產(chǎn)生相對位移。即使是較小的軌道不平順，可能也會導致動力響應的超限，從而導致軌距擴大、鋼軌翻轉和磨耗加劇等，使線路的維修工作量大大增加，甚至危及行車安全[3-4]。嚴重的動力響應超限會加劇惡化線路不平順性，從而影響運營列車的穩(wěn)定性[5]。然而在城市軌道交通中，受投資及地形等因素影響，不可避免會出現(xiàn)小半徑曲線[6]。因此，為了驗證新型橡膠浮筏板軌道結構在城市軌道交通小半徑曲線段的適用性，南寧軌道交通2號線試鋪了一段半徑曲線為360 m的橡膠浮筏板軌道，以對其可靠性和穩(wěn)定性進行試驗研究。

本文以小半徑曲線的橡膠浮筏板試驗段作為研究對象，通過實車運行試驗，現(xiàn)場測量輪軌力和結構位移，詳細掌握列車經(jīng)過時，軌道結構的動態(tài)參數(shù)。選擇軌道系統(tǒng)安全性和結構穩(wěn)定性的相關指標，進行新型橡膠浮筏板軌道結構在小半徑曲線段的適用性評估。為新型橡膠浮筏板的深化應用研究和軌道結構優(yōu)化設計積累基礎性數(shù)據(jù)。

1 試驗工況

南寧軌道交通2號線試鋪了新型橡膠浮筏板的區(qū)段(以下簡為“試鋪段”)里程為DK0+150—DK0+300，為盾構法施工的圓形隧道。隧道半徑為2 600 mm，隧道中心線偏移量為132 mm。試鋪段未設置緩和曲線。軌道為有縫線路，采用60 kg/m鋼軌。最小曲線半徑為360 m。

每塊浮筏板的長度為25 m，厚度為340 mm。試鋪段采用的ZX-3型扣件，靜剛度為40 kN/mm，布置間距為0.6 m。減振器采用DT50型橡膠隔振器，其靜剛度為10 kN/mm，動靜比小于1.4。減振器在板中以1.168 m的間距均勻布置，在板端增加6組以0.600 m為間距加密布置。

2017年11月15日和16日在試輔段進行正式實車試驗。試驗車輛采用地鐵B型車。列車6節(jié)編組(4動2拖)，軸重為14 t，動車質(zhì)量為35 t，拖車質(zhì)量為31 t。列車全長120 m，車輛定距為12.6 m，軸距為2.3 m。

試驗列車分別以40 km/h、50 km/h、60 km/h和70 km/h等不同的速度進行試驗測試。測試期間列車空車運行。

1.1 輪軌力測試

輪軌力的測試按照TB/T 2498—1994《輪軌水平力、垂直力地面測試方法》中的“全橋剪應力法”進行。測量輪軌垂向力和輪軌水平力的應變片貼片和組橋實景見圖2。記錄儀采用DH5920動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集分析儀，采樣頻率設為2 000 Hz。垂向和橫向輪軌力的標定，利用液壓千斤頂及標定架在現(xiàn)場進行。

圖2 測試用應變片貼片和組橋實景圖

1.2 鋼軌、浮筏板位移測試

鋼軌和浮筏板的位移采用激光位移計進行測試，記錄儀采用DH5920動態(tài)信號數(shù)據(jù)采集分析儀。激光位移計采用特制的高強度、高剛度錨固裝置進行固定。

2 測試結果及其分析

2.1 輪軌力測試結果

為了掌握列車經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板的動態(tài)參數(shù)，對不同速度條件下列車經(jīng)過時的輪軌垂向力和橫向力進行測試，每個速度測量10次。外軌、內(nèi)軌的垂向力及橫向力典型時域波形見圖3。

由圖3可以看出，當列車經(jīng)過時，內(nèi)軌和外軌的垂向力時程曲線有明顯的24個峰值，表明列車24個輪對的載荷全部作用到鋼軌上，車輪垂向無跳脫現(xiàn)象。外軌的輪軌橫向力由于受到導向力、超高未平衡橫向力和輪軌摩擦阻力等綜合作用，其受力情況復雜，故每個輪對的作用力變化幅度較大。輪軌橫向力主要指向軌道外側。內(nèi)軌受到后輪的橫向作用力微弱，說明轉向架的后輪基本不擠壓內(nèi)軌。

將每個速度條件下不同車次各輪對的動態(tài)軌輪力實測峰值進行統(tǒng)計，然后選取最大值,得到該速度級別下的輪軌力最大值，最終統(tǒng)計出4種不同速度下車輛經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板時輪軌垂向力和橫向力的實測最大數(shù)值,見表1。

a) 外軌垂向力

b) 內(nèi)軌垂向力

c) 外軌橫向力

d) 內(nèi)軌橫向力

列車運行速度/(km/h)輪軌垂向力/kN輪軌橫向力/kN外軌內(nèi)軌外軌內(nèi)軌4054.4750.3916.8822.295053.8453.0120.6723.596061.7347.9321.2221.677062.9042.1723.6320.52

由表1可知，列車經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板時，輪軌垂向力的最大實測值為62.90 kN，小于規(guī)定的限值250 kN[7]，有足夠的安全裕量。

外軌的垂向力整體大于內(nèi)軌，所以外軌的垂向接觸應力大于內(nèi)軌，從而導致外軌軌頂?shù)膿p耗快于內(nèi)軌。當列車運行速度為50 km/h時，內(nèi)外軌的垂向力基本達到平衡。此時列車處于平衡工況。隨著列車速度的提高，由于列車所受離心力的增加，車輛輪軌力作用中心逐漸外移，導致外軌垂向力逐漸增加，而內(nèi)軌則逐漸降低。實測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律也與之吻合。外軌垂向力的最大值為62.90 kN，內(nèi)軌垂向力的最小值為42.17 kN，都出現(xiàn)在列車運行速度為70 km/h時。相對平衡工況，外軌垂向力提高了16.83%，內(nèi)軌垂向力則下降了20.45%。可見，列車運行速度的變化對鋼軌的內(nèi)軌影響大于外軌。

輪軌橫向力最大值的測試結果較為穩(wěn)定，表明速度的不同對其影響不大?？傮w來看，隨著列車速度的增加，外軌的輪軌橫向力增大，而內(nèi)軌的輪軌橫向力則是逐步減小。

2.2 列車運行安全性分析

為了進一步掌握列車經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板的運行安全性，選擇不同速度條件下列車經(jīng)過時的單側輪軌橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率進行安全性分析研究[8]。根據(jù)文獻[9]，B型列車的單側輪軌橫向力限值為56 kN(0.4倍軸重)。根據(jù)GB 5599—1985《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》、GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術條件》和GB/T 14894—2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規(guī)則》中的規(guī)定，脫軌系數(shù)的限值選擇較為嚴苛的0.8，輪重減載率限值選為0.6。列車經(jīng)過小半徑曲線段時各速度條件相應的安全性指標最大實測值見表2。

表2 列車運行安全性指標最大實測值

實測試驗結果表明：

(1) 各項安全性參數(shù)指標實測值均在安全限度內(nèi)，說明列車以不超過70 km/h的速度在小半徑曲線段的橡膠浮筏板軌道結構上運行是安全可靠的。

(2) 輪軌橫向力受力復雜，影響因素較多。各速度對應的實測最大值相對穩(wěn)定，雖與運營速度有一定關系，但受其影響較小。單側輪軌橫向力最大值為23.63 kN，出現(xiàn)在列車速度為70 km/h時，遠小于其限值56 kN。

(3) 總體來看，脫軌系數(shù)和輪重減載率基本是隨著列車運行速度的提高而逐步增加的，脫軌系數(shù)的變化不太明顯。在列車速度超過設計速度時或欠超高狀態(tài)下，脫軌系數(shù)變化不大，但輪重減載率出現(xiàn)明顯增大。列車速度為70 km/h時的輪重減載率為0.29，而在平衡工況下僅為0.13?？梢姡^高的列車運行速度減小了列車的運行安全余量。

2.3 軌道結構穩(wěn)定性

為了詳細掌握列車經(jīng)過小半徑曲線橡膠浮筏板時軌道結構的穩(wěn)定性，對不同速度條件下列車經(jīng)過時的鋼軌相對浮筏板的垂向和橫向位移、浮筏板垂向位移、浮筏板橫向位移等參數(shù)進行了測試研究。軌道結構的位移典型時域波形見圖4，每個速度條件下軌道結構各部件的位移最大數(shù)值見表3。

a) 鋼軌相對浮筏板的垂向變形

b) 鋼軌相對浮筏板橫向變形

c) 浮筏板垂向變形

d) 浮筏板橫向變形

列車運行速度/(km/h)鋼軌相對浮筏板垂向位移/mm鋼軌相對浮筏板橫向位移/mm浮筏板垂向位移/mm外軌內(nèi)軌外軌內(nèi)軌外軌內(nèi)軌浮筏板橫向位移/mm400.4690.5740.1510.1521.7981.8540.110500.4890.5270.1600.1661.8371.7840.133600.4740.5010.1610.1641.9421.6790.206700.4960.4860.1740.1492.0811.5570.285注:浮筏板垂向位移為板中位移,表示列車經(jīng)過時浮筏板的最大變形量。

由表3可知，鋼軌、浮筏板的垂向位移都滿足規(guī)范[10]的要求。浮筏板的最大垂向位移遠大于鋼軌的位移，分攤了主要的軌道結構變形，明顯地減小了鋼軌的撓度。因此，浮筏板軌道減振結構，在一定程度上能提高鋼軌的使用壽命。隨著列車速度的提高，浮筏板外側位移大于內(nèi)側，同時橫向位移指向鋼軌外側，說明在欠超高工況下浮筏板向外側傾斜。文獻[3]通過有限元模擬分析了城市軌道交通大坡道及小半徑曲線地段軌道結構受力和變形特性，所得結論與本文實測結論一致。

隨著列車運行速度的提高，鋼軌及浮筏板的垂向最大位移變化規(guī)律和輪軌力的變化規(guī)律基本相同。其中外側的鋼軌和浮筏板的位移分別增加了15.2%和15.7%，內(nèi)側的鋼軌和浮筏板的位移則分別減小了10.2%和16.0%。鋼軌和浮筏板內(nèi)外側的垂向位移平均值幾乎不受列車的運行速度影響。由此可見，軌道結構的位移，主要由列車靜態(tài)載荷引起，動態(tài)激勵較小，軌道平順性的現(xiàn)狀較好。浮筏板的橫向最大位移隨著速度的提高相應地增加，變化幅度遠大于鋼軌，因此，在列車高速運行時，應做好浮筏板的橫向限位保護。

3 結語

通過對南寧軌道交通2號線橡膠浮筏板減振軌道系統(tǒng)小半徑曲線的軌道狀態(tài)與動力參數(shù)測試可知，列車以不大于70 km/h的速度在小半徑曲線的新型橡膠浮筏板減振軌道上在運行時，軌道系統(tǒng)的垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率及結構位移都滿足相關規(guī)范規(guī)定的限值要求，并留有足夠的安全裕量。新型橡膠浮筏板軌道結構在小半徑曲線段能保證列車的平穩(wěn)、安全運營，適用于小半徑曲線段城市軌道交通的設計和建設。

新型橡膠浮筏板軌道結構在小半徑曲線段的輪軌力和結構位移等隨列車運行速度變化的規(guī)律與普通軌道結構相同，普通軌道的成熟經(jīng)驗同樣適用于橡膠浮筏板；在欠超高工況下浮筏板會向外側傾斜，因此，在后續(xù)設計和維護時應做好浮筏板外側的橫向限位保護和監(jiān)測。