60 kg/m钢轨9号单开减振道岔研究

李志群

(中铁物资集团有限公司，北京 100043)

道岔是轨道线路的重要设备，也是线路的薄弱环节，道岔的选型直接影响土建的投资、列车运行的安全平稳以及旅客的乘座舒适度。随着城市地铁线路的增多，受多方面的制约，目前城市轨道交通的减振要求越来越高，已成为不可回避的问题。对于区间线路，轨道的减振技术已逐步成熟，针对不同的减振要求，采用分级减振技术，也有相对应的工程措施和产品。但对于道岔区，由于岔区轨道结构的复杂性，其减振设计要复杂得多，目前也缺少成熟的减振措施和相应的轨道产品，为此有必要研制专门的减振道岔，以满足城市轨道交通建设需要。

在我国城市轨道交通线路中，正线一般采用60 kg/m钢轨9号固定型辙叉单开道岔。固定型辙叉结构本身存在“有害空间”，车轮从辙叉咽喉走行至心轨实际尖端时线路中断，此处车轮振动及冲击最大，是列车通过道岔时的主要振动源。

1 减振道岔的研究现状

轨道减振的措施主要有两个:①降低轨道的刚度;②增加轨道的参振质量。轨道刚度是影响轨道结构振动强度的重要参数之一，轨道刚度越小，减振效果越好，但过小的轨道刚度，也影响轨道的稳定性和轨道部件的使用寿命。而增加参振质量，将使轨道结构复杂化，并极大地增加轨道的投资。

由于岔区轨道结构较为复杂，在道岔范围内，钢轨件有多种形式，轨枕、垫板长度是变化的，板下胶垫的刚度也是变化的，此外还有间隔铁、护轨和滑床台等区间线路没有的轨道部件，使得岔区轨道刚度沿线路纵向分布不均匀，极大地增加了道岔区轨道减振的难度。

目前国内对于道岔区减振主要采用两种方法:①保持道岔本身结构不变，利用道床减振，直接将道岔铺设于浮置板道床上。该方法虽然具有较好的减振效果，但浮置板道床结构复杂，造价也较高，后期养护维修不便。②在道岔的铁垫板与岔枕间增加轨道减振器，起到减振作用。但轨道减振器结构复杂，类型也较多，而且要增加轨道高度，不便于轨道技术标准的统一。

2 减振道岔的设计方案

为获得更好的减振效果，各国对弹性垫板的材料进行了大量的研究，其中高弹热塑性弹性体是一种较好的新型减振材料。德国自20世纪90年代开始研制高弹性的扣件系统，并在道岔区推广使用，可在道岔区实现17.5～30.0 kN/mm的扣件系统刚度，弹性主要由硫化橡胶垫层提供。该扣件系统有两个重要作用，第一个作用是将钢轨与轨枕“隔开”，用吸收能量的弹性材料吸收较高频率的振动，同时使更多的岔枕参与轮载的分配;第二个作用是为道岔区提供均匀的弹性，通过调整内部结构使转辙器、导曲线和辙叉等不同部位得到相近的轨道刚度。

本文利用三元乙丙橡胶(简称EPDM，一种高弹性热塑性弹性体)制造道岔区用板下弹性垫层，将道岔区所用扣件进行低刚度、均匀化处理，实现了道岔区减振的目的。在减振指标要求不太高的情况下使用，对道岔结构不作太大改变，即可保持道岔技术标准的统一，同时轨道高度与区间变化不大，满足一般地段减振要求。

本课题选择城市轨道交通线路正线最为常用的60 kg/m钢轨9号无砟单开道岔［1］为研究对象。研究的技术路线如下:①保持道岔主要尺寸不变，以方便站场设计;②道岔的钢轨件和转换设备保持不变，以保持道岔技术标准的统一，便于今后的养护维修;③道岔区的轨道高度不变，便于轨道系统的设计;④道岔区的减振方案采用扣件系统减振，以降低造价，方便施工;⑤为保证减振效果，在岔区进行轨道刚度的均匀化，合理确定岔区轨道刚度。

根据以上原则，研究设计了新型的道岔减振扣件，系统组成详见图1和图2。

扣件的系统刚度由位于铁垫板以及绝缘垫板之间的弹性垫板提供。弹性垫板的静刚度为标准值Kelasticpad=22.5 kN/mm。轨下弹性垫板(刚度Krailpad)以及绝缘垫板(刚度Kinsulatingpad)不会对系统刚度有影响，考虑自身的高刚度值，与弹性垫板相比，有

所有扣件节点的最小绝缘值要求根据欧洲标准EN13146-5［2］取值。

图1 钢轨区扣件系统

图2 道岔区扣件系统

根据既有的60 kg/m钢轨9号单开道岔结构特征，划分了4种不同类型的道岔弹性垫板。图3中表示了这4种轨道弹性垫板的安装位置图。

图3 弹性垫板位置示意

与既有道岔不同，本扣件不再采用轨距块调整轨距，而是采用偏心衬套调整轨距(与高速道岔类似)见图4，通过旋转自身的偏心衬套，单股钢轨可以实现±5 mm的调整量，轨距调整量为±10 mm，不仅调整量大，同时解决了以前滑床板和护轨部分轨距难以调整的难题。

为了在紧固岔枕螺栓时更好地控制弹性垫板的形变，在紧固时位于中心位置的衬套将会接触绝缘垫板。经过计算的衬套高度将保证加载到道岔区弹性垫板上所需要的预压力。当紧固岔枕螺栓后，弹性垫板不会因为过压导致多余的形变损失。这种设计保证了在安装过程中弹性垫板的刚度稳定在Kelasticpad=22.5 kN/mm。

系统安装时的扭矩被设计为200～250 N·m，螺栓上的两个垫圈保证扭矩不会衰减，见图5。

将弹条安装在最终安装位置后，扣件系统通过锚固螺栓和绝缘套管结合及定距衬套的作用，大大提高了整套系统抗横向力的能力。

图4 偏心衬套

图5 扭矩垫圈

所有零部件都有精准的预压力设计，紧固SKL24弹条时，当弹条中圈环精确接触下层铸铁垫板时所需的扭力距约为180～200 N·m，见图6。

图6 弹条中的圈环

紧固贝式垫圈所需的扭矩约为200～250 N·m，弹性垫板在预压力下的形变为(0.8±0.3)mm。

3 减振材料的研制及扣件系统的试验

EPDM材料(三元乙丙橡胶)在硫化生产过程中形成的单分子链结构见图7。

图7 单分子链结构

该材料具有极强的抗化学腐蚀作用、良好的稳定性，以及抗温度变化特性，明显的温度变化以及不同频率的动态荷载不会对材料的低刚度特性造成影响。动态频率与材料刚度之间的关系见图8。

图8 动态频率与材料刚度之间的变化关系

EPDM材料在动态荷载，不同温度环境下都能保持材料的稳定性。由于材料的动静刚度比很低，因此行车安全以及乘坐舒适度也有了可靠的保障。扣件系统的整体刚度也可以通过替换不同的弹性垫板而改变(如过渡段轨道刚度需要调整时)。材料应具有高弹性，温度变化以及动态荷载对材料刚度影响很小，卓越的抗老化特性，吸水率小，抗紫外线腐蚀和抗氧化性能良好，性能稳定抗水解。

336SD［3］扣件减振系统凭借其适应不同荷载以及不同环境下系统的稳定性，已经在世界各地的道岔上拥有超过40年的使用经验。扣件系统轨下弹性垫板由单分子链结构的材料构成，拥有可靠的阻尼减振效果。

在＞50 Hz的频率范围内，平直轨道部分的插入损失值为－12 dB，而道岔区的插入损失值为－13 dB。试验大纲根据欧洲标准 EN13146-4［4］(板式无砟轨道)以及 EN13481-5:2012［5］(地铁扣件系统测试大纲)。在300万次疲劳荷载后并且将系统拆除后，轨距变化为0.68 mm(合理范围内)。除了细微的部件磨损之外，扣件系统状态良好、稳定。

4 关键技术

新扣件系统的关键技术在于道岔整体低刚度及刚度均匀化的实现。由于岔区道岔铁垫板的数量及种类较多，道岔区轨道受力复杂，若想实现刚度均匀化需要分区段采用不同的弹性垫层发泡技术。与既有扣件系统相比，主要有以下创新点:

1)绝缘性能。新扣件系统在弹性垫板与轨枕之间增设绝缘偏心衬套，增强了道岔整体的绝缘性能。

2)轨距调整能力。通过旋转岔枕螺栓上的绝缘偏心衬套，可以移动钢轨下的铁垫板，单股钢轨可以实现±5 mm的调整值，道岔轨距整体可实现±10 mm的调整值。这种设计同时解决了以前滑床板和护轨部分轨距难以调整的难题。

3)预压力控制。为了在紧固岔枕螺栓时更好地控制弹性垫板的形变，在紧固时位于中心位置的衬套将会接触绝缘垫板。经过计算的衬套高度将保证加载到道岔区弹性垫板上所需要的预压力。在紧固岔枕螺栓后，弹性垫板不会因为过压导致多余的形变损失。

5 结语

新设计的60 kg/m钢轨9号单开减振道岔采用336SD扣件系统，道岔区系统静刚度控制在22.5 kN/mm左右，且在不同区域采用不同类型的弹性垫板，道岔区刚度进行了均匀化处理，使得整个道岔区呈现有效可控的阻尼减振特征，实现了道岔区减振的目的。

当紧固M30岔枕螺栓时系统不再出现预压力过大的情况，紧固状态下系统的刚度亦处于可控状态。由于整个道岔区的扣件节点刚度由扣件的垫板刚度决定，新减振道岔中使用4种不同刚度垫板的方法可以使整个道岔区的刚度保持一致。新减振道岔绝缘性能以及轨距调整能力也有很大改进。阻尼减振特征方面，与既有道岔系统相比新减振道岔可以达到插入损失值－8 dB的效果，系统的阻尼减振优势可以提升乘坐舒适度、减少噪声等级并且明显减少道岔维护费用。

［1］中铁工程设计咨询集团有限公司.60 kg/m钢轨9号单开道岔［R］.北京:中铁工程设计咨询集团有限公司，2009.

［2］EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.EN13146-5 Rail Fastening System 336 DUO［S］.Brussels:EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION，2012.

［3］EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.Railway Applications Track Test Methods for Fastening Systems Part 5:Determination of Electrical Resistance［S］.Brussels:EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION，2012.

［4］EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.Railway Applications Track Test Methods for Fastening Systems Part 4:Effect of Repeated Loading［S］.Brussels:EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION，2012.

［5］EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION.Railway Applications Track Performance Requirements for Fastening Systems Part 5:Fastening Systems for Slab Track［S］.Brussels:EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION，2012.