南京地鐵扣件的典型傷損及使用性能分析

蔣林宏 李科委 馬宇飛

南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，南京210012

扣件系統(tǒng)是軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是連接鋼軌與支承結(jié)構(gòu)的重要部件［1］，是影響軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的關(guān)鍵因素［2-3］。其由彈條、軌下墊板、軌距擋板、螺旋道釘?shù)榷鄠€(gè)零部件組成。任一零部件失效或斷裂均會(huì)直接影響扣件系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅到列車(chē)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性［4-6］。本文基于各類(lèi)扣件在南京地鐵多年的應(yīng)用實(shí)踐，從扣件設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)質(zhì)量和使用期的維護(hù)四個(gè)方面對(duì)扣件的主要病害及形成原因進(jìn)行分析，并結(jié)合扣件剛度實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、扣件減振性能線上測(cè)試結(jié)果系統(tǒng)分析扣件的主要性能，給出各類(lèi)扣件的適用地段及優(yōu)缺點(diǎn)，為地鐵扣件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和管理維護(hù)提供參考。

1 扣件使用情況分析

目前南京地鐵運(yùn)營(yíng)里程378 km，在用扣件主要有22種。按減振等級(jí)分為無(wú)減振、一般減振、中等減振、高等減振4類(lèi)。各類(lèi)扣件鋪設(shè)情況見(jiàn)表1。可以看出，鋪設(shè)量較大的扣件是WJ-2A型扣件、ZX-2型扣件、彈條Ⅰ型不分開(kāi)式扣件、DTⅥ2型扣件、彈條Ⅰ型分開(kāi)式扣件5種，其鋪設(shè)里程分別為216.627、200.077、95.629、80.951、54.441 km。

表1 南京地鐵各類(lèi)扣件鋪設(shè)情況

2 扣件主要病害分析

2.1 設(shè)計(jì)缺陷引起的病害

2.1.1 尼龍?zhí)坠苁?/p>

DTⅥ1型扣件、DTⅥ2型扣件、DT-Ⅲ型小阻力扣件、Ⅲ型減振器、雙層非線性減振扣件等采用潘德羅彈條的扣件設(shè)計(jì)時(shí)均未設(shè)置軌下調(diào)高墊板，進(jìn)行高低、水平調(diào)整時(shí)須松緊螺旋道釘，通過(guò)在鐵墊板下的調(diào)高墊板進(jìn)行調(diào)整作業(yè)。1號(hào)線、2號(hào)線DTⅥ2型扣件尼龍?zhí)坠苁Ч?96處，絕大多數(shù)出現(xiàn)在道岔、曲線等日常重點(diǎn)養(yǎng)護(hù)區(qū)域。10號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線、寧天（南京—天長(zhǎng)）線壓縮型減振扣件均未設(shè)計(jì)軌距塊，進(jìn)行軌距、軌向調(diào)整時(shí)均須通過(guò)松緊螺旋道釘，調(diào)整軌距調(diào)整墊塊實(shí)現(xiàn)。由于調(diào)整幾何狀態(tài)時(shí)頻繁松緊螺旋道釘，導(dǎo)致尼龍?zhí)坠苁Р『r(shí)常發(fā)生。

2.1.2 波浪形彈性墊板壓潰、開(kāi)裂

設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)軌下彈性墊板與鐵墊板下彈性墊板的共同作用提供扣件組裝剛度，通過(guò)橡膠墊板或聚酯墊板材料本身的彈性變形和結(jié)構(gòu)變形達(dá)到減振和緩沖效果。同時(shí)考慮到節(jié)省材料、排水等因素，采用開(kāi)槽、圓柱形支撐等方式增大材料的結(jié)構(gòu)變形，使扣件達(dá)到設(shè)計(jì)要求的組裝剛度。但不恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞绞沟脧椥詨|板強(qiáng)度大大削弱，當(dāng)其強(qiáng)度不足以承受列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)鋼軌傳遞的動(dòng)荷載時(shí)便會(huì)出現(xiàn)彈性墊板變形、壓潰等病害。4號(hào)線共計(jì)發(fā)現(xiàn)壓潰、開(kāi)裂等失效彈性墊板6 610塊，其中95%以上為上下對(duì)稱(chēng)深開(kāi)槽的波浪形彈性墊板（圖1）。

圖1 4號(hào)線失效墊板

2.2 施工不規(guī)范引起的病害

2.2.1 潘德羅彈條折斷

1號(hào)線、2號(hào)線等老線扣件設(shè)計(jì)中大量采用DTⅥ2型扣件、Ⅲ型減振器等采用潘德羅彈條的扣件。此設(shè)計(jì)加大了彈條與鋼軌上軌距塊的接觸面，使得扣壓力更加均勻，但由于取消了T形螺栓，彈條扣壓力不易保持，往往導(dǎo)致彈條安裝過(guò)緊。同時(shí)由于安裝過(guò)程中多采用錘擊彈條輔助就位，對(duì)彈條本身強(qiáng)度造成破壞，使得潘德羅彈條在安裝初期折斷較多［7-8］。1號(hào)線開(kāi)通初期DTⅥ2型扣件潘德羅彈條每年折斷約500個(gè)，主要原因?yàn)榭奂惭b不規(guī)范。

2.2.2 減振器破壞

焊縫不平順區(qū)段，尤其是高焊頭地段，由于鋼軌上拱度的存在對(duì)扣件系統(tǒng)產(chǎn)生了一個(gè)持久的上拔力，列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)巨大的輪軌作用力又對(duì)扣件系統(tǒng)形成了一個(gè)瞬時(shí)的向下沖擊力，在上下循環(huán)荷載作用下扣件系統(tǒng)的位移變形導(dǎo)致扣件破壞失效。2號(hào)線鐘靈街—經(jīng)天路區(qū)間共計(jì)約1.6萬(wàn)套Ⅲ型減振器出現(xiàn)不同程度的橡膠剝離現(xiàn)象（圖2），主要由線路建設(shè)時(shí)遺留的大量高焊頭所致。

圖2 高焊頭導(dǎo)致附近Ⅲ型減振器破壞

2.3 產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題引起的病害

2.3.1 軌下彈性墊板壓潰

3號(hào)線2015年4月建成通車(chē)，該線建設(shè)時(shí)分為北段林場(chǎng)—大行宮（約22.7 km）和南段大行宮—秣周（22.2 km）2個(gè)標(biāo)段，膠墊分別由不同廠家供貨。據(jù)統(tǒng)計(jì)，3號(hào)線北段出現(xiàn)扣件軌下彈性墊板大面積壓潰現(xiàn)象（圖3），上下行共計(jì)5 384塊，而南段相同扣件的軌下彈性墊板基本未出現(xiàn)壓潰等損壞失效現(xiàn)象。

圖3 3號(hào)線北段扣件軌下彈性墊板壓潰

2.3.2 黏結(jié)墊板橡膠開(kāi)裂剝離

橡膠作為扣件減振產(chǎn)品的核心部件，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接影響到扣件減振性能和耐久性，但目前不同廠家生產(chǎn)的橡膠產(chǎn)品質(zhì)量存在較大差異。寧天線2014年8月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，自2016年開(kāi)始便發(fā)現(xiàn)高架壓縮型減振扣件出現(xiàn)不同程度損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黏結(jié)墊板出現(xiàn)承軌槽擋肩部位橡膠剝離（圖4）、壓縮減振部位橡膠開(kāi)裂等病害共計(jì)14 483塊，均與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)系。

圖4 承軌槽擋肩部位橡膠剝離

2.4 養(yǎng)護(hù)不及時(shí)引起的病害

彈條折斷的根本原因是受到外界一定頻率的激擾而引發(fā)共振［9］。鋼軌波磨對(duì)扣件系統(tǒng)影響明顯［10］，不及時(shí)對(duì)鋼軌打磨，便會(huì)引起扣件彈條斷裂等病害。3號(hào)線五塘廣場(chǎng)—小市區(qū)間鋪設(shè)剪切型減振扣件，該區(qū)間扣件彈條折斷現(xiàn)象頻發(fā)。經(jīng)檢測(cè)分析，該段波磨主要典型波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率約為500 Hz。另外通過(guò)在T形螺栓折斷處鋼軌軌腳粘貼加速度傳感器，采集列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)鋼軌垂向振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析得出該處鋼軌垂向振動(dòng)主頻為500 Hz，振級(jí)為174.72 dB，與波磨典型波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率一致。這說(shuō)明該處鋼軌振動(dòng)主要由波磨引起，進(jìn)而引起扣件彈條折斷。

3 扣件主要性能分析

3.1 扣件軌距擴(kuò)大量

DTⅦ2型扣件是用于高架地段的小阻力扣件，目前主要用于2005年開(kāi)通的1號(hào)線的高架地段和2010年開(kāi)通的2號(hào)線的高架地段，分別鋪設(shè)了18.30、13.19 km。為檢測(cè)車(chē)輛行駛過(guò)程中扣件軌距擴(kuò)大量，在上下股鋼軌軌頭外側(cè)各布置1個(gè)橫向位移傳感器，每股鋼軌軌底內(nèi)外側(cè)各布置1個(gè)垂向位移傳感器，共6個(gè)，如圖5所示。10組數(shù)據(jù)的軌距擴(kuò)大量平均值為6.26 mm，最大值為6.87 mm，不滿(mǎn)足扣件在300萬(wàn)次循環(huán)荷載作用下軌距擴(kuò)大量不應(yīng)大于6 mm的設(shè)計(jì)要求。車(chē)輛荷載作用下扣件軌距擴(kuò)大量過(guò)大易造成軌距塊異常磨耗。

圖5 鋼軌橫向及垂向位移傳感器布置

3.2 扣件彈性墊板剛度

為掌握1號(hào)線、2號(hào)線等老線扣件彈性墊板性能，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)部分地段DTⅥ2型和DTⅦ2型扣件軌下和板下彈性墊板剛度進(jìn)行了檢測(cè)。對(duì)于軌下彈性墊板，服役8年的靜剛度均能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，6組樣品平均靜剛度為43.55 kN∕mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的35～50 kN∕mm；服役9～14年的靜剛度均不能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，30組樣品平均靜剛度為77.72 kN∕mm，超過(guò)設(shè)計(jì)上限值（50 kN∕mm）55%。對(duì)于板下彈性墊板，服役8年的靜剛度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；服役9～14年的靜剛度能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的有18組，占樣品總數(shù)的60%，不能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的有12組，占樣品總數(shù)的40%（均為高架地段DTⅦ2型扣件）。這12組樣品平均靜剛度為86.65 kN∕mm，超過(guò)設(shè)計(jì)上限值（70 kN∕mm）24%。靜剛度超過(guò)設(shè)計(jì)上限值20%的扣件應(yīng)有計(jì)劃地組織更換。

3.3 扣件減振量

為測(cè)試服役超過(guò)10年的Ⅲ型減振器在實(shí)際使用過(guò)程中的減振量，在1號(hào)線天印大道—龍眠區(qū)間（該段于2010年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)）一高架橋同一橫截面處鋪設(shè)Ⅲ型減振器的上行線路和鋪設(shè)DTⅦ2型扣件的下行線路的道床、道心橋面處、橋梁橫截面中心分別布設(shè)垂向振動(dòng)傳感器。

在上行Ⅲ型減振器對(duì)應(yīng)的道床、道心橋面處和橋梁橫截面中心共采集180組數(shù)據(jù)，在下行DTⅦ2型扣件對(duì)應(yīng)的道床、道心橋面處和橋梁橫截面中心共采集234組數(shù)據(jù)，選取早高峰相同時(shí)段連續(xù)20組數(shù)據(jù)，按照GB 10070—88《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行總振級(jí)分析。Ⅲ型減振器對(duì)道床、道心橋面處、橋梁截面中心的減振量（DTⅦ2型扣件振級(jí)-Ⅲ型減振器振級(jí)）分別為2.59、4.45、6.64 dB，均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的8～10 dB。

按照J(rèn)GJ∕T 170—2009《城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)與二次輻射噪聲限值及其測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行頻譜分析。Ⅲ型減振器對(duì)應(yīng)的道心橋面處主振頻率有3個(gè)，分別為8.0、16.0、31.5 Hz；DTⅦ2型扣件對(duì)應(yīng)的道心橋面處主振頻率也有3個(gè)，分別為8、16、63 Hz。這說(shuō)明Ⅲ型減振器對(duì)應(yīng)的道心橋面處最大減振頻率為63 Hz，減振量達(dá)到13.16 dB，但在31.5 Hz處存在振動(dòng)放大效應(yīng)，振級(jí)增大了6.15 dB。對(duì)減振量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的地段應(yīng)根據(jù)減振扣件實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率和模態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行科學(xué)改造。

4 扣件優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

目前南京地鐵在用的22種扣件的適用地段及其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 可為扣件產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供參考。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分吸收各類(lèi)扣件的優(yōu)點(diǎn)，如ZX-2型扣件、WJ-2A型扣件軌距及軌面調(diào)整量大。同時(shí)避免各類(lèi)扣件的缺點(diǎn)，如DTⅥ2型扣件、DT-Ⅲ型小阻力扣件、Ⅲ型減振器、雙層非線性減振扣件不具備軌下調(diào)高量導(dǎo)致軌面調(diào)整時(shí)易導(dǎo)致尼龍?zhí)坠苁?；Ⅰ型減振器、剪切型減振扣件、Ⅲ型減振器的減振結(jié)構(gòu)剪切變形過(guò)大易導(dǎo)致減振扣件損壞；雙層非線性減振扣件、浮軌扣件、先鋒扣件均結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多。

表2 南京地鐵各類(lèi)扣件適用地段及其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

5 結(jié)論與建議

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法對(duì)南京地鐵目前在用的22種扣件的主要病害、主要性能、適用地段及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，得出結(jié)論如下：

1）采用潘德羅彈條的扣件無(wú)軌下調(diào)高墊板設(shè)計(jì)，壓縮型減振扣件無(wú)軌距塊設(shè)計(jì)，日常維護(hù)中頻繁松動(dòng)錨固螺栓是造成尼龍?zhí)坠苁У闹饕?。采用上下兩?cè)對(duì)稱(chēng)深開(kāi)槽的波浪形設(shè)計(jì)使彈性墊板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度損失較大，是彈性墊板壓潰、開(kāi)裂的主要原因。

2）彈條安裝過(guò)緊、錘擊彈條輔助就位等不規(guī)范施工是導(dǎo)致早期彈條大量折斷的主要原因。線路建設(shè)時(shí)遺留的大量高焊頭是高架地段Ⅲ型減振器橡膠剝離的主要原因。

3）產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題是3號(hào)線軌下彈性墊板壓潰、寧天線黏結(jié)墊板橡膠開(kāi)裂剝離的主要原因。

4）波磨地段鋼軌波磨主要典型波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的頻率與鋼軌垂向振動(dòng)主頻一致，表明波磨是導(dǎo)致該地段彈條折斷的主要原因，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鋼軌打磨。

5）車(chē)輛荷載作用下DTⅦ2型扣件軌距擴(kuò)大量過(guò)大易造成軌距塊異常磨耗，在日常養(yǎng)護(hù)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

6）服役8年的軌下彈性墊板及板下彈性墊板靜剛度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；服役9～14年的軌下彈性墊板靜剛度均不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求且超過(guò)設(shè)計(jì)上限值55%。服役9～14年的板下彈性墊板靜剛度不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的占40%（均為高架地段DTⅦ2型扣件），且不滿(mǎn)足要求樣本的平均靜剛度超過(guò)設(shè)計(jì)上限值24%。與目前彈性墊板8年的中修周期基本一致，對(duì)于靜剛度超過(guò)設(shè)計(jì)上限值20%的扣件應(yīng)有計(jì)劃地組織更換。

7）服役超過(guò)10年的Ⅲ型減振器對(duì)橋梁截面中心、道心橋面、道床處的減振效果逐漸降低，且均不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。Ⅲ型減振器對(duì)主頻為8、16、63 Hz的振動(dòng)具有減小效果，對(duì)主頻為31.5 Hz的振動(dòng)具有放大效果。對(duì)減振量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的地段應(yīng)根據(jù)減振扣件實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率和模態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行科學(xué)改造。

8）各類(lèi)扣件的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析可為扣件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供參考。應(yīng)采用軌距及軌面調(diào)整量大的設(shè)計(jì)，避免無(wú)軌下調(diào)高量、減振結(jié)構(gòu)剪切變形過(guò)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零部件多的設(shè)計(jì)。