嵌入式地铁减振扣件的设计开发

张小华，乔小雷，孟鸿涛，冯光福，孙德华

（1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090；

(2.南京地铁运营有限责任公司，南京 200125；3.南宁轨道交通集团有限责任公司，南宁 530021）

嵌入式地铁减振扣件的设计开发

张小华1，乔小雷2，孟鸿涛2，冯光福3，孙德华1

（1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090；

(2.南京地铁运营有限责任公司，南京 200125；3.南宁轨道交通集团有限责任公司，南宁 530021）

根据南京地铁1号线地下线整体道床轨道结构的工况，设计开发了一款嵌入式地铁减振扣件。该扣件的接口安装尺寸和使用高度以及配套件与原普通扣件完全一致，降低了施工难度与周期，同时大幅降低了既有线路改造升级的成本；减振扣件的插入损失达到12.89 dB，车辆在垂向和横向的平稳性指标为优。新型地铁减振扣件可在不影响列车正常运营和轨道结构边界不变的前提下，实现线路的快捷改造升级，并有效保证列车的平稳运行和减小对周边环境的影响。

振动与波；减振扣件；设计开发；地铁；嵌入式

南京地铁1号线为南京地铁第一条建成运营的线路，线路总长39.7 km，采用6节编组A型列车，列车最高运行速度80 km/h。经过十多年的运营使用，随着通过总重的增加，行车密度提高和轮轨关系恶化等因素的影响，导致轨道结构中扣件系统的弹性部件严重老化，影响了扣件系统正常的工作，致使部分路段出现弹条断裂、钢轨异常波磨和轨道系统振动噪声等异常现象频出，严重影响了日常维护工作和周边环境。红山动物园站至南京站上行线隧道至高架段过渡区间异常现象明显，该里程的曲线半径为350 m，属于小半径曲线段，应用工况比较恶劣。轨道结构采用了整体道床短轨枕结构形式，紧固扣件为DTVI-2型普通扣件。

经过多次论证，南京地铁运营公司决定联合中船重工七一一所，共同设计开发一款新型地铁减振扣件，能在不停运和不改变现有轨道结构边界的前提下，实现对既有扣件的嵌入式更换，完成线路的技术改造升级。同时，选择异常现象明显、应用环境条件较为恶劣的小半径曲线段即红山动物园站至南京站的上行线地下线隧道段(里程K15+40～K15+198)作为验证地段进行产品的应用试验验证。

1 设计要求的确定

综合考虑现有线路条件，包括现有扣件与轨枕和钢轨接口、现行扣件安装高度、施工难易度等各种因素，新型减振扣件的设计要求：

（1）为降低施工难度与作业量，新型减振扣件的安装接口必须与现有短轨枕匹配；

（2）为控制改造成本和方便后期养护维修，新型减振扣件的弹条、绝缘轨距块和螺旋道钉等配套零部件应和现有扣件通用；

（3）鉴于本路段的曲线半径较小，轨道状态调整不易，为减少现场的工作量，保证运营不受影响，线路不设置过渡段，减振扣件的使用高度必须与既有扣件相同；

（4）为降低列车运营时对周边环境的影响，新型减振扣件的减振性能不小于6 dB，具备中等轨道结构减振措施的能力；

（5）改造后列车平稳性指标不得明显降低，减振扣件须具有良好的垂向、横向稳定性、轨距保持能力等，保证列车安全平稳地运行。

2 嵌入式减振扣件设计

根据设计要求，结合现有轨道结构的实际情况，设计开发了如图1所示的嵌入式地铁减振扣件，安装接口及零部件选择与现有扣件保持一致，保证了与既有轨道结构和列车的匹配。

图1 嵌入式地铁减振扣件

超薄型橡胶减振器作为减振扣件的关键部件，直接承载和提供弹性，因此，超薄型橡胶减振的设计尤为重要。

2.1 结构设计

为了保证减振扣件提供合适的横向刚度和轨距保持能力，在橡胶减振器的结构设计时，采用如图2所示的横向两端包缚式结构，利用承轨板与底座的结构互锁，有效地控制减振器的横向变形和上拉。

图2 超薄型橡胶减振器

2.2 材料调配

由于使用高度的限制，减振器的设计厚度相对一般减振器要薄，导致材料强度的要求提高，因此金属材质的承轨板和底座选用强度高、韧性好的球墨铸铁QT 550。

减振器动静比的降低，可以有效提高减振扣件的减振效果，因此，减振器中橡胶件的胶种选用动静比较小的天然橡胶，同时在天然胶中加入新型高分子材料助剂(TPI)和特种结构的低滞后炭黑，发挥其在硫化胶中的纳米协同效应，显著弱化填料网络化结构，从而有效降低橡胶材料的滞后性，减少内生热，实现减振器动静比的大幅降低和耐疲劳性能的提高，橡胶配方编号QAB 5402[2]。

2.3 工艺选择

目前减振扣件的制造工艺广泛地采用了物理组装模式，由于橡胶存在蠕变的特性，长时间承载作用后，橡胶件高度逐步降低，导致预紧力逐步减小甚至橡胶件与承轨板、底座之间完全松脱，产生橡胶件的移动、滑出等现象，影响减振器的性能，最终导致弹条的断裂、钢轨的波磨等[1，5]。因此，超薄型橡胶减振器采用金属件与橡胶件整体硫化的制造工艺，排除潜在的危险因素。同时减少产品零部件数量，提高产品的可靠性和一致性。

材料自检指的是项目材料人员在熟知各类材料性能的基础上，按照各类材料的使用要求、国家或行业的验收规范，对进场材料进行质量和数量的验收。数量验收即材料管理人员需根据到货清单并结合之前提交的材料需求单与实际到货数量进行比对，可以采取过磅计重、理论换算、点数计件的计量方法，在确认数量无误后，在相关单据上签字。质量验收即依据相关国家标准，核对材料名称、规格型号、材质、等级；同时要仔细核对技术证件，目的是判断材料是否完好，材料实体是否与规格要求一致。

2.4 性能仿真与校核

根据结构设计、材料调配和工艺选择，利用有限元仿真技术，进行性能计算与强度校核。减振器的有限元计算模型如图3所示。

图3 减振器有限元模型

通过仿真计算可知，超薄型橡胶减振器的静刚度为17.88 kN/mm，其变形曲线见图4。动静比为1.21，承轨板和底座在30 kN载荷下的最大应力分别为109.37 MPa和12.99 MPa小于球铁的许用值。橡胶件的应力分布均匀，最大应力为0.915 MPa。橡胶材料拉伸强度大于12 MPa时，其许用内应力在1 MPa～3 MPa之间[3]，则拉伸强度大于18 MPa的QAB5402橡胶材料的许用内应力可以达到1.5 MPa～4 MPa左右，留有足量的冗余，设计满足要求，可以安全地使用。

减振扣件的静刚度为15 kN/mm～22.5 kN/mm，动静比小于1.4时，具备中等减振轨道措施的减振能力[4–5]，能提供6 dB～8 dB的减振性能，因此，新型减振扣件的减振性能也满足设计要求。

3 减振扣件室内检测性能

3.1 静刚度、动静比

对超薄型橡胶减振器样品进行性能试验，载荷变形曲线见图4。由测试结果可知，在载荷10 kN～45 kN范围内的静刚度为19.10 kN/mm，动静比为1.22，实测结果与设计目标相符。

图4 减振器变形曲线

由图4可知，仿真计算的变形和刚度略大于实测，仿真计算的误差仅为6.4%，满足工程设计需求，有限元仿真设计准确有效，利于减振器的快捷设计。

3.2 绝缘电阻

减振扣件的干态绝缘电阻[6]为1.4×1010Ω，能有效防止杂散电流的传递，提高道床等轨道结构的使用寿命。湿态电阻为26 MΩ，避免雨水情况下，信号接收水平降低引起行车故障，确保轨道电路的正常工作。

3.3 疲劳试验

经过300万次组装疲劳试验后，轨头单边动态轨距扩张量为1.29 mm，轨底扩展量0.65 mm，扣件各部件完好，刚度在疲劳前后的变化为4.3%，新型减振扣件具有较好的抗疲劳性能和轨距保持能力。

3.4 落锤冲击效果

4 减振扣件在线应用效果

完成相应的室内试验验证后，于2016年1月的晚间停运间隙，利用新型减振扣件实现了对既有扣件的嵌入式更换，快速有效地完成了线路的改造升级施工作业，达到了改造快捷、维护方便的设计要求。改造完工后，通过改造前后轨道结构的振动测试和列车平稳性测试对比分析，试验验证减振扣件的在线应用性能。

4.1 轨道结构的振动测试

按照GB10071-1988标准，对改造后的轨道结构进行振动测试。测试结果表明，列车运营速度为45.8 km/h，钢轨振动加速度最大值约为300 m/s2，隧道壁的最大值通常在1 m/s2以下，隧道壁的典型振动加速度响应时程曲线见图5，远小于改造前钢轨和隧道壁的振动峰值800 m/s2和5 m/s2，轨道结构的振动情况明显得到改善。

图5 隧道壁垂向振动时程曲线

(1)频域分析

对改造前后钢轨和隧道壁的振动加速度进行1/3倍频程分析，得到钢轨和隧道壁的振动响应的频域分布见图6。

图6 改造前后钢轨和隧道壁1/3倍频程谱曲线

由上图可知，改造前钢轨的振动频率主要在80 Hz处。根据振动理论[3]，轨道结构的系统频率降低到56 Hz以下，可达到较好的减振效果，同时尽量使用动静比较小的减振扣件，降低阻尼放大效应，可有效降低减振轨道结构的动态系统频率，提高减振效果。

通过在线实测，使用新型减振扣件后，隧道壁的振动情况得到显著改善，振动幅值明显降低。轨道系统的振动主频降低到50 Hz附近，隧道壁在中高频段的振动响应大幅减小，隧道壁在80 Hz处的改造前后的最大插入损失达到21 dB。

(2)隧道壁铅垂向Z振级

按ISO2631.1-1997规定的全身振动Z计权因子修正后，隧道壁在改造前后1/3倍频程中心频率对应的分频Z振级（VLz i）见图7。

图7 隧道壁改造前后的Z振级

改造前后隧道壁的振动最大分频Z振级分别为90.44 dB和76.04 dB。通过隧道壁在改造前后的Z振级对比可知：应用新型减振扣件后，在6.3 Hz以下和31.5 Hz～40 Hz频段处的减振效果不明显，高频减振效果好于低频部分。

4.2 新型减振扣件的减振效果

新型减振扣件的减振效果即隧道壁在改造前后的Z振级插入损失，记为ΔVLZ（dB）。

n——频率数；

VLzi.a——改造前隧道壁分频Z振级；

VLzi.b——改造后隧道壁分频Z振级。

经计算，新型减振扣件减振效果12.89 dB，达到了设计要求。改造后隧道壁的Z振级为79.45 dB，有效解决了轨道结构的振动异常，同时，显著减小了列车运营对周边环境的影响。

4.3 列车平稳性试验

按照GB5599-1985的规定,对列车经过改造区段的平稳性进行测试分析，并计算列车运行平稳性指标。经计算，改造前和改造后列车经过改造区段时车辆的运行平稳性指标见表1。

表1 改造前、后列车平稳性指标

由表1可知，使用新型减振扣件改造后列车的运行平稳性等级高于1级标准，相对改造前有2.8%～8.4%的提高。嵌入式减振扣件可以很好地保持列车的平稳运行。

5 结语

目前新型减振轨道系统经过8个多月的实车运营，轨道结构未发现异常现象，列车运行平稳，减振扣件工作状态良好。

随着近轨生活区的形成、车速的提高、运营频次的增加和通过总重的递增，既有地铁线路中的一些普通扣件地段，将逐步不能满足环境要求，而对既有线路的轨道系统结构进行改造施工却很难实施，新型减振扣件的成功开发为既有线路的升级改造或特殊环境地段的减振设计提供了一种快捷有效的解决措施和方法。

（1）新型地铁减振扣件可在不影响列车正常运营和轨道结构边界不变的前提下，完成扣件的嵌入式更换，实现线路的快捷改造升级，降低施工难度、减少施工工作量；

（2）配套零部件具有较好的通用性，可大幅降低改造费用和方便后期的维修养护；

（3）新型减振扣件具有较好的减振效果，可以明显降低列车振动向周边环境的传递，并有效保证列车的平稳运行。

[1]谢炎伸.地铁GJ―Ⅲ型减振扣件应用及维护技术探讨[J].建筑界，2013（9）：195-197.

[2]上海橡胶制品研究所检测中心.QAB5402橡胶性能检测[R].检验报告，W（X）20141250，上海：上海橡胶制品研究所检测中心，2014：1-2.

[3]严济宽.机械振动隔离技术[M].上海：上海科技文献出版社，1985.

[4]郭建平，刘衍峰.城市轨道交通在8～12 dB范围轨道减振降噪措施比较[J].铁道标准设计，2008（30）：59-63.

[5]张朋成，王雨，曾仲毅平.城市轨道交通减振降噪措施分级比选研究[J].科技资讯，2013，（26）：133-137.

[6]上海电器设备检测所.压缩型轨道减振扣件电阻[R].检验报告，WJ15-247.上海：上海电器设备检测所，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

广西科技重大专项（2016AA01095）

张小华（1980－），男，江苏省南通市人，高级工程师，主要从事动力设备及轨道交通的振动与噪声控制。

E-mail:zhangxiaohua@csic711.com