橡膠浮筏板小半徑曲線行車安全性試驗(yàn)研究

馮光福，張小華，張世榮，陳立俊，韋曉陽

（1. 南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530021；2. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090）

0 引言

橡膠浮筏板是一種采用橡膠隔振器作為彈性支承元件，并內(nèi)置于道床板內(nèi)的新型特殊減振軌道結(jié)構(gòu)。它充分利用橡膠的黏彈和阻尼特性，減小支承元件的體積，降低道床板的厚度，從而有效降低軌道高度和重量，解決一些空間不足或承載能力小的線路減振和設(shè)計(jì)難題。通過調(diào)整橡膠隔振器配置，可以在不改變結(jié)構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)整，滿足不同區(qū)段的使用需求。橡膠浮筏板應(yīng)用于城市軌道交通，可有效降低列車運(yùn)行對(duì)周邊環(huán)境振動(dòng)噪聲的影響。

本文結(jié)合南寧市軌道交通 2 號(hào)線的實(shí)際情況，對(duì)新型橡膠浮筏板在小半徑曲線段的行車安全性進(jìn)行測(cè)試分析，以期為后續(xù)線路的規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供參考。

1 測(cè)試概況

南寧市軌道交通 2 號(hào)線是連接南寧市南北方向的骨干線，全線采用地下線方式敷設(shè)，線路全長(zhǎng) 21.2 km。其中，安吉綜合基地入段線區(qū)間的曲線半徑為 360 m，超高 112 mm，順坡率 1.9‰，設(shè)計(jì)速度 58.3 km/h。該路段采用了由南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司與中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所聯(lián)合研制的橡膠浮筏板軌道減振系統(tǒng)，主要由鋼軌、扣件和墊板、浮筏軌道板、橡膠隔振器、剪力鉸等組成（圖 1）。選取該地段的圓曲點(diǎn)（里程 DK0+162.5）作為測(cè)試斷面，進(jìn)行橡膠浮筏板在小半徑曲線段的行車安全性試驗(yàn)研究。

圖1 橡膠浮筏板軌道減振系統(tǒng)

2 安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一般以脫軌系數(shù)、輪重減載率和單側(cè)輪軌橫向力等指標(biāo)來評(píng)定車輛運(yùn)行的安全性。

（1）脫軌系數(shù)。指爬軌輪上的橫向水平力H與垂直力P1的比值H/P1，用于鑒定車輛的車輪在輪軌力作用下是否爬上鋼軌頂面而引起脫軌。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，脫軌系數(shù)的限值見表 1。

表1 脫軌系數(shù)限值

表2 輪重減載率限值

（3）單側(cè)輪軌橫向力。指單側(cè)輪軌最大橫向力，用于鑒定車輛是否導(dǎo)致軌距擴(kuò)寬（道釘拔起）或線路產(chǎn)生嚴(yán)重變形（鋼軌和軌枕在道床上出現(xiàn)橫向滑移或擠翻鋼軌）。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，單側(cè)輪軌橫向力的限值為0.4P（P為軸重）。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)車輛

采用地鐵 B 型車，列車 6 節(jié)編組（4 動(dòng) 2 拖），動(dòng)車質(zhì)量 35 t，拖車質(zhì)量 31 t。列車全長(zhǎng) 120 m，車輛定距12.6 m，軸距 2.3 m。測(cè)試期間，空車以 60 km/h 的速度往返行車。

3.2 試驗(yàn)方法

參考TB/T 2498-94《輪水軌平力、垂直力地面測(cè)試方法》，采用全橋剪應(yīng)力法，測(cè)試列車通過測(cè)試斷面時(shí)鋼軌在垂向和橫向的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。利用 DH5920 動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集記錄，采樣頻率設(shè)為2 000 Hz。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定

現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定是通過對(duì)鋼軌的垂向和橫向分別施加已知載荷，記錄相應(yīng)的應(yīng)變值，然后將已知載荷與對(duì)應(yīng)的應(yīng)變進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從而得到該測(cè)試通道力與應(yīng)變之間的函數(shù)關(guān)系。采用載荷加載設(shè)備和標(biāo)定架分別對(duì)垂向力和橫向力的測(cè)試通道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，各測(cè)試通道的標(biāo)定結(jié)果見圖 2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定結(jié)果

4 測(cè)試結(jié)果分析

（1）實(shí)測(cè)列車通過測(cè)試斷面時(shí)，鋼軌垂向和橫向?qū)?yīng)的典型動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程曲線如圖 3 所示。由圖 3 可知，列車經(jīng)過時(shí)內(nèi)、外軌的垂向應(yīng)變時(shí)程曲線有明顯的 24 個(gè)峰值，表明該 6 節(jié)編組列車的 24 個(gè)輪對(duì)的載荷全部作用在鋼軌上，車輪垂向無跳脫現(xiàn)象。

（2）根據(jù)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定所得應(yīng)變與載荷的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出每趟列車的每個(gè)輪對(duì)經(jīng)過測(cè)試斷面時(shí)的輪軌力。外軌和內(nèi)軌輪軌力的典型樣本時(shí)程曲線如圖 4 所示。由圖 4 可知，外軌和內(nèi)軌的輪軌垂向力清晰明顯，外軌受力整體大于內(nèi)軌（實(shí)測(cè)運(yùn)行速度 62 km/h 大于 58.3 km/h 的理論設(shè)計(jì)速度）。外軌的輪軌橫向力由于受到導(dǎo)向力、超高未平衡橫向力和輪軌摩擦阻力等綜合作用，受力情況比較復(fù)雜，輪軌橫向力主要指向軌道外側(cè)，但依然存在指向軌道中心線的較小橫向力（數(shù)值為負(fù)值）。內(nèi)軌受到后輪的橫向作用力微弱，說明轉(zhuǎn)向架的后輪基本不擠壓內(nèi)軌。

圖3 列車經(jīng)過時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)程曲線

圖4 內(nèi)、外軌輪軌力時(shí)程曲線

（3）經(jīng)統(tǒng)計(jì)，實(shí)測(cè)不同車次列車通過時(shí)的輪軌垂向力最大值如圖 5 所示。由圖 5 可知，外軌的輪軌垂向力最大值在 57.34～61.73 kN 之間，內(nèi)軌的輪軌垂向力最大值在 44.69～47.93 kN 之間。輪軌垂向力最大值、最大均值和均方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 3。由圖 5 和表 3 可知，實(shí)測(cè)列車輪軌垂向力最大值 61.73 kN 出現(xiàn)在外軌上，與文獻(xiàn)[7]規(guī)定的限值 250 kN 相比有足夠的安全裕量。

圖5 不同車次輪軌垂向力最大值

表3 輪軌垂向力統(tǒng)計(jì)表 kN

5 安全性指標(biāo)評(píng)價(jià)

將所有車次的各輪動(dòng)態(tài)軌輪力，分別按照安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，然后得到每車次的最大值，最終統(tǒng)計(jì)出車輛經(jīng)過小半徑曲線的橡膠浮筏板的運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果。

5.1 脫軌系數(shù)

實(shí)測(cè)列車經(jīng)過測(cè)試斷面時(shí)，不同車次的外、內(nèi)輪軌脫軌系數(shù)的最大值如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，內(nèi)軌的輪軌最大脫軌系數(shù)在 0.35～0.53 之間，外軌的輪軌最大脫軌系數(shù)在 0.20～0.36 之間，內(nèi)軌的脫軌系數(shù)明顯大于外軌。列車外、內(nèi)軌脫軌系數(shù)的最大值、最大均值和均方差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 4。由圖 6 和表 4 可知，實(shí)測(cè)列車脫軌系數(shù)最大值為 0.53，與相關(guān)規(guī)范規(guī)定的車輛脫軌系數(shù)限值 0.8 相比有足夠的安全裕量。

圖6 不同車次輪軌脫軌系數(shù)最大值

表4 脫軌系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

5.2 輪重減載率

實(shí)測(cè)列車經(jīng)過測(cè)試斷面時(shí)，不同車次的最大輪重減載率在 0.19～0.27 之間，最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向架的第一輪對(duì)。列車輪重減載率的最大值、最大值均值和均方差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 5。由表 5 可知，實(shí)測(cè)列車輪重減載率最大值為 0.27，與相關(guān)規(guī)范規(guī)定的車輛輪重減載率限值 0.6相比有足夠的安全裕量。

表5 輪重減載率統(tǒng)計(jì)表

5.3 單側(cè)輪軌橫向力

實(shí)測(cè)列車經(jīng)過測(cè)試斷面時(shí)，不同車次的外、內(nèi)軌輪軌橫向力的最大值如圖 7 所示。內(nèi)軌橫向力的最大值在14.18～21.67 kN 之間，外軌橫向力的最大值在 11.05～20.67 kN 之間，單側(cè)輪軌橫向力最大值、最大值均值和均方差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 6。由圖 7 和表 6 可知，實(shí)測(cè)列車輪軌橫向力最大值 21.67 kN 出現(xiàn)在內(nèi)軌上，與文獻(xiàn)[6]規(guī)定的限值 56 kN 相比有一定的安全裕量。

圖7 不同車次輪軌橫向力最大值

表6 輪軌橫向力統(tǒng)計(jì)表 kN

6 結(jié)語

（1）通過對(duì)新型橡膠浮筏板減振軌道系統(tǒng)小半徑曲線的實(shí)車安全性運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試，脫軌系數(shù)、輪重減載率和單側(cè)輪軌橫向力最大值分別為 0.53、0.27 和 21.67 kN，均滿足相應(yīng)安全限值的要求，且還有一定的安全裕量。測(cè)試結(jié)果表明，新型橡膠浮筏板減振軌道系統(tǒng)在小半徑曲線段依然能保證列車運(yùn)營安全。

（2）在橡膠浮筏板的小半徑曲線段（R= 360 m），曲線外側(cè)的輪軌垂向力大于內(nèi)側(cè)，最大輪軌橫向力和最大脫軌系數(shù)則出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)向架的前輪輪重減載率一般大于后輪。研究成果可為后續(xù)小半徑曲線減振設(shè)計(jì)和規(guī)劃提供參考。