城市轨道交通9号道岔减振扣件设计与研究

张 政,黄 庆

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.铁路轨道安全服役湖北省 重点实验室,武汉 430063； 3.洛阳科博思新材料科技有限公司,洛阳 471600)

1 道岔减振技术研究现状

国内城市轨道交通正线一般采用60 kg/m钢轨9号固定型辙叉单开道岔，列车通过辙叉时因轨线中断存在较大的振动及冲击[1-2]，不可避免会对邻近线路的敏感点造成影响。随着国内城市轨道交通快速发展以及沿线居民对生活品质要求的提高，城市轨道交通减振降噪已成为重点关注的问题[3-4]。

城市轨道交通区间轨道的各级减振措施及产品已比较成熟，国内外线路上也多有应用[5-13]。但是道岔区因其钢轨件、道床为变截面结构，岔枕及扣件垫板的尺寸也是各不相同，且存在转辙器、辙叉等特殊部件，岔区直股、侧股沿线路纵向整体刚度分布不均匀，其减振设计相比区间等截面轨道具有更大的难度[14-20]。目前，国内对于有减振要求的道岔区主要采用道床减振和扣件减振两种方式。

1.1 道岔道床减振技术

主要有隔离式减振垫道床和钢弹簧浮置板道床两种，分别适用于高等和特殊减振地段，部分城市有中等减振需求的道岔也采用橡胶隔振垫道床。采用道床减振可以保持道岔钢轨件、扣件以及岔枕与普通道岔区一致，并且具有更好的减振效果，但是相应造价也更高。按照武汉城市轨道交通2019年概算价，包含道岔减振道床前后刚度过渡段，相比普通道岔，一组橡胶隔振垫减振道岔增加费用约38万元(人民币)，一组钢弹簧浮置板减振道岔增加费用约75万元。同时，减振道床需要更高的轨道结构高度，并且要考虑岔区前后排水顺接，可能需要额外增设废水泵房，带来土建费用的增加。既有研究指出[21]，浮置板道岔道床下部采用面支撑或点支撑，转辙机安装基础地段浮置板厚度较薄，抗弯刚度小，容易出现应力集中。

1.2 道岔扣件减振技术

主要有轨道减振器、双层非线性减振扣件以及336SD系列等形式的道岔减振扣件，适用于中等减振道岔区。其中，轨道减振器是将道岔扣件铁垫板与橡胶硫化粘接在一起，为扣件节点提供较大的弹性。这种扣件横向及扭转刚度较低，扣件安装高度一般超过100 mm，后期养护时如有问题需整体更换，在北京地铁10号线等较早的线路岔区中有采用[9-10]。上海轨道交通2号线西延线岔区采用的有双层非线性减振扣件，其与区间双层非线性减振扣件主体结构基本一致，因其具有两层铁垫板，扣件安装高度为60～70 mm，岔区导曲线部位扣件的横向刚度也显得相对薄弱[21]。在北京地铁7号线和武汉地铁2号线采用了336系列扣件系统设计的60 kg/m钢轨9号单开减振道岔，该扣件安装高度与普通扣件基本一致，且采用偏心套调距，扣件绝缘性和轨距调整量等指标良好。但是该扣件系统造价较高，扣件安装高度不足时铁垫板易断裂，铁垫板下采用的弹性元件为EPDM(三元乙丙橡胶)不耐油，养护时粘油易膨胀劣化。根据武汉地铁运营公司反馈，综合道岔后期养护周期，336系列扣件减振道岔相关费用可能超过橡胶隔离式减振垫道岔道床减振方式。

2 新道岔减振扣件的设计方案

为了满足城市轨道交通正线9号道岔区中等减振需求，提出一种预埋铁座式的道岔减振扣件设计方案，该扣件主要零部件包括预埋铁座、板下胶垫、铁垫板、轨下胶垫以及弹条系统等，详见图1。扣件具备以下特点。

图1 预埋式道岔减振扣件示意

(1)扣件安装高度与普通扣件一致，便于轨道设计。

(2)道岔钢轨件、连接件、转换设备等主要组成部分与普通道岔一致，统一道岔标准，并且能够独立更换失效元件，便于后期运营养护维修。

(3)扣件弹性垫板可以实现较低的不同刚度，便于对减振道岔区进行整体刚度均匀化。

(4)提供较小垂向刚度的同时，保持较大的横向刚度，抵抗轨距扩张能力强。

(5)扣件弹性垫板等橡胶制品具备耐油特性，适应道岔区各种涂油养护环境。

2.1 扣件主要技术指标

为了控制钢轨、弹条在工作过程中的动态位移和变形，防止弹条发生疲劳伤损，对预埋式减振扣件的轨下胶垫和板下胶垫进行刚度匹配，减振功能主要由板下胶垫提供。一般轨下胶垫的静刚度控制在45 kN/mm左右，板下胶垫的静刚度控制在35 kN/mm左右，扣件节点初始总体静刚度控制在20 kN/mm，在此基础上再进行道岔区刚度均匀化。预埋式道岔减振扣件关键设计指标见表1。

表1 预埋式道岔减振扣件的关键设计指标

2.2 可拆卸式结构设计

通过采用非粘结自锁技术，采用上部锁紧非旋转自锁结构，能够实现自锁机构现场可见，易安装，可现场拆卸，其具有预紧力可调整、后续养护维修费用低等特点。运营期间个别结构零件(如中间橡胶垫)发生磨损、老化、破坏等，可以使用工具将整个减振器拆开，单独更换发生磨损、老化、破坏的零件，从而避免硫化粘接型减振器整体更换的情况，降低了线路维护成本。

2.3 预埋式设计

将既有双层减振扣件依靠下铁垫板与轨枕间摩擦力承受横向力的方式，调整为依靠预埋铁座来承担横向力，避免了尼龙套管与锚固螺栓连接失效的问题，同时扣件系统横向刚度进一步增加，从而控制钢轨的动态轨头偏转，对于保持轨距、控制钢轨波磨都起到一定作用。预埋铁座如图2所示。

图2 预埋铁座示意

预埋式减振扣件将传统下铁垫板更换为预埋铁座，能够在钢轨安装高度上降低一层铁垫板的厚度，与普通扣件完全对接。更重要的是，预埋式减振扣件本身在安装上线之后，仅需对扣件系统做细微调整，便能很方便地调节扣件的总体刚度，刚度范围可以从12 kN/mm调整到60 kN/mm，扣件具备更强的适应能力。

2.4 胶垫耐油设计

岔区转辙机和连接件螺栓需要经常进行涂油维护，扣件弹性胶垫一般采用橡胶材料，其耐油性较差，难以满足岔区油污地段的使用要求。本扣件胶垫材料以天然橡胶为主体掺入丁腈橡胶，提高和改进橡胶元件的化学稳定性，成品综合了天然橡胶的高弹性能和丁腈橡胶的耐油抗化学性能，有效降低油类物质渗入对橡胶材料性能的影响。橡胶材料的关键性能指标如表2所示。

表2 橡胶材料关键性能指标

2.5 绝缘耦合垫板设计

在铁垫板下胶垫与轨枕顶面之间设置一层绝缘耦合垫板，垫板材料选用低密度聚乙烯塑料，具有较高的硬度和强度。绝缘耦合垫板刚度较大(100 kN/mm以上)，在受载时变形极小，可使扣件部分横向力被耦合垫板与板下胶垫、轨枕顶面间摩擦力抵消，降低了预埋铁座承受的剪切力，增加了预埋件使用寿命和安全性。

经过对绝缘耦合垫板采用的低密度聚乙烯材料进行多次调配，最终确定的材料参数满足各项指标要求，其测试结果详见表3。

表3 绝缘耦合垫板材质测试结果

2.6 岔区刚度均匀化实现方式

根据道岔区减振要求和钢轨件垂向最大动位移限值可反推出岔区整体刚度取值，再将岔区各部分按照该整体刚度进行刚度均匀化处理。国内实现岔区刚度均匀化的手段是按照道岔结构不同，将道岔划分为不同部位(尖轨尖端、滑床板、辙岔跟、导曲线、辙岔部分、护轨、前后过渡段等)，进行分区段刚度设计，均匀化标准一般是控制轨道挠曲变化率在0.3 mm/m范围内[15]。

影响岔区刚度的因素主要有道岔钢轨件、轨下胶垫、铁垫板下胶垫以及道床，其中道岔钢轨件抗弯刚度和道岔道床支撑刚度在结构设计时已确定，无法进行刚度调整。为保证轨道运行安全平稳，通常扣件系统轨下胶垫的刚度设计值较高，可调范围较小，以防止轨头翻转和弹条大变形等问题。为了实现岔区刚度均匀化，主要通过不同分区的扣件铁垫板下胶垫刚度来调整。

板下橡胶垫板采用高扭抗非线性弹性垫板，在低载荷下低刚度，减振效果好；高载荷下高刚度，安全性好。垫板变形曲线如图3所示。垫板表面为橡胶双面钉柱结构，受压力后，柱钉截面积增加，高度降低，垂直方向刚度非线性增加；当轨道在垂向载荷作用下，又受横向载荷时，垫板的一侧变形增加、刚度提高，而另一侧变形减少、刚度降低，结合钉柱的非均匀布置设计，从而提高了垫板扭转刚度，有效地防止钢轨及上铁垫板扭转倾覆，保证轨头、轨底的横向位移在允许的安全范围之内。

图3 板下胶垫非线性刚度曲线

板下橡胶垫板根据扣件所处位置和受力，采用了垫板设置孔洞和钉柱疏密排列等方式实现不同的刚度取值范围。图4、图5为不同位置处板下橡胶垫板结构设计。

图4 Ⅰ型板下橡胶垫板

图5 Ⅱ型板下橡胶垫板

3 预埋式道岔减振扣件强度检算及试验

3.1 铁垫板及其连接件有限元分析

3.1.1 计算模型及参数

预埋式道岔减振扣件上铁垫板、绝缘连接套和预埋铁座是最主要的承力部件，承受来自轮轨作用的垂向力Fy和横向力Fx。

计算时，板下胶垫等效为并联弹簧，弹簧刚度总和为35 kN/mm；将预埋铁座的预埋部分完全固定，视为在轨枕中完全约束。考虑荷载的分配系数，单个扣件节点按照垂向Fy=25 kN、横向Fx=20 kN的荷载进行计算，其受力示意如图6所示。

图6 预埋式道岔减振扣件受力示意

在整个模型中，预埋铁座、上铁垫板均采用球墨铸铁QT450-10材料，绝缘连接套采用玻纤增强尼龙66材质，材料参数设定见表4。

表4 材料参数

3.1.2 结果分析

预埋道岔减振扣件上铁垫板的应力分布如图7所示。在承受上述载荷后，上铁垫板结构的最大MISES应力为96.2 MPa；预埋铁座的应力云图如图8所示，最大应力为90.3 MPa；球墨铸铁QT450-10的屈服强度为310 MPa，二者结构的强度安全系数分别为3.22和3.43。从图9可知，绝缘连接套最大应力为24 MPa，玻纤增强尼龙66材料拉伸强度为160 MPa，绝缘连接套的强度安全系数为5倍以上，满足材料的安全使用要求。

图7 预埋道岔减振扣件上铁垫板分析结果

图8 预埋铁座应力云图

图9 绝缘连接套应力云图

3.2 减振道岔扣件相关试验

3.2.1 扣件系统疲劳测试

扣件系统疲劳测试包括刚度和疲劳测试两个方面，其中垂向刚度测试分垂向静刚度测试、垂向动刚度测试以及动静刚度比测试。检测结果汇总如表5所示。

表5 扣件系统组装疲劳试验结果汇总

3.2.2 预埋铁座抗拔力测试

随机抽取1组9号单开道岔中3根预埋式长岔枕上预埋铁座，参照《高速铁路扣件系统试验方法 第7部分：预埋件抗拔力试验 预埋铁座抗拔力测试方法》(TB/T3396.7)加载至80 kN并保持3 min，结果显示3处预埋件均无损坏，轨枕接缝处无裂缝和其他损坏。

3.2.3 落锤冲击试验

将普通扣件(DTⅥ2型扣件)和预埋式道岔减振扣件落锤冲击试验数据进行对比，采用预埋式减振道岔扣件的地面垂向振动Z振级VLz减少8.48 dB，如表6所示。

表6 落锤冲击试验及分析结果

4 结论

针对城市轨道交通正线9号道岔区中等减振需求，提出一种预埋铁座式道岔减振扣件设计方案，并进行了铁垫板及其连接件有限元分析和扣件系统相关试验，得出如下结论。

(1)预埋铁座式道岔减振扣件采用可拆卸式结构设计，锁紧铁垫板的同时能够保持板下胶垫足够的弹性，便于运营养护维修。

(2)扣件采用预埋铁座、绝缘耦合垫板及其上下结构的摩擦力共同来承担横向力，扣件系统横向刚度有较大提高，能够有效控制钢轨轨头偏转和动态轨距扩大。

(3)扣件橡胶材料以天然橡胶为主体按照一定比例掺入丁腈橡胶，成品综合了天然橡胶的高弹性能和丁腈橡胶的耐油抗化学性能，能够满足道岔区油污环境使用要求。

(4)扣件板下橡胶垫板根据扣件所处位置和受力，采用了垫板设置孔洞和钉柱疏密排列等方式实现不同的刚度取值范围，便于实现道岔区刚度均匀化。

(5)预埋铁座式道岔减振扣件通过有限元分析检算，铁垫板及其连接件强度满足设计要求。

(6)扣件系统进行了组装疲劳试验、预埋件抗拔力试验和落锤冲击试验，各项指标满足城市轨道交通道岔区中等减振设计要求。落锤试验结果显示，预埋铁座式道岔减振扣件相比普通分开式扣件地面垂向振动Z振级VLz减少8.48 dB。