Ⅲ型轨道减振器扣件的设计与研究.doc

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1、北京交通大学 硕士学位论文 III型轨道减振器扣件的设计与研究 姓名：吴建忠 申请学位级别：硕士 专业：建筑与土木工程 指导教师：高亮20090601北紋社转膽文ABSTRACTFor the impact between wheel and rail in rail transit system, vibration and noise are caused. Shock wave can propagate within track, tunnel, soil layer and ground buildings. The corresponding vibration is produc

2、ed, which can lead to adverse effect on surrounding environment. In order to decrease the vibration and noise in urban rail transit, more and more attention is paid to the development of equipment for vibration and noise reduction.At present, several kinds of track vibration attenuation equipment ar

3、e used in urban rail transit. Track vibration damper is simple and practical. It is mainly applied in vibration attenuation of track system. The effect of vibration and noise reduction is remarkable, and it has many other advantages such as low cost, simple construction, convenient maintenance and r

4、eplacement. However, this product in our country is not perfect for its low durability and high dynamic to static ration.In this paper, based on the research status of domestic track vibration damper, study is carried out on rubber materials compounding, manufacturing technology and other properties

5、, thus the rubber material and technical property indexes can be determined. Structure design, prediction analysis, finite element analysis and verification analysis are carried out on track vibration damper. Research is done on the relationship between the rubber property and damper performance. Th

6、e rubber property contains the thickness, inclination, modulus and damping. The damper performance contains the dynamic and static stifihess and dynamic to static ratio. The relationship is primarily obtained so the basis can be provided for structural optimization design of track vibration damper a

7、nd parameter selection. In design of track vibration damper, bi-stiffiiess is used, thus the optimum dynamic damping stiffness can be satisfied. Moreover, the supporting stiffiiess of track geometry variation within safe range can be guaranteed, and that is reasonable safe stiffiiess，.The damper sam

8、ple is trial produced successfully. The requirement of technical indexes can be met. The high damping property and cooperative technique are two key technologies of breakthrough. Dynamic and static stiffness ration is less than 1.25. After three million times fatigue tests, the variation of static a

9、nd dynamic stifihess is less than 10%. Through the drop-weight test and comparison with the existing Type-I track vibration damper, the vibration is decreased by4-6dB. The stereotype and technology maturity of product are realized. Mass production is finished and the track vibration damper has been

10、applied in Beijing Metro Line 5.KEYWORDS： Urban rail transit； track vibration damper； rubber material； finite element analysis； trial productionCLASSNO： U213.2独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已

11、在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：級么签字曰期：如I. 1学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明）签字曰期：年Z月曰签字日期：1年6月，B致谢本文是在高亮教授的指导下，结合本人的实际工作完成的，在论文的撰写过 程中，高亮教授在论文的选题、内容组成等方面给予了大力帮助，在此表示深深 的感谢。随着我国改革开

12、放的深入，城市经济和建设得到迅猛的发展，城市区域、规 模和人口迅速扩大。城市经济的发展也给城市交通带来了很大的压力，突出表现 在城市交通流量迅速增加，机动车辆数量激增，道路的建设速度远远低于车辆和 人流的增加速度，交通的问题逐步成为制约城市进一步发展的重要因素。轨道交 通以其运量大、速度快、安全可靠、对环境污染小、不占用地面道路等优点，成 为缓解城市交通拥挤和减少污染的一种最有效手段的手段之一。因此，发展高速 轨道交通不仅能有效地改善交通环境，方便人民群众出行，而且还有助于带动城 乡建设和经济发展，具有显著的经济和社会效益但轨道交通系统在为城市居民提供便利的交通的同时，也会不可避免地给城 乡环

13、境带来诸如噪声、振动、电磁辐射的问题以及影响景观。轨道交通系统在行 使过程中由于车轮与钢轨的撞击，产生振动冲击和噪声。振动冲击波将在轨道、 隧道、土层和地面建筑物内传播，又进一步激发产生相应的振动，对周围环境造 成不利的影响。一方面，过量的噪声和振动将严重影响乘客和轨道沿线人们正常 的生活；另一方面，噪声和振动还可能引起有关设备和结构以及周边建筑物的疲 劳损坏，缩短使用寿命。因此，控制轨道交通噪声和振动是改善乘客舒适性和环 境保护的重要课题。减小列车的振动和噪声水平，在轨道交通区段采取相应的减 振降噪措施，已成为轨道交通系统建设中的一个关键。1城市轨道交通轨道减振降噪技术研究及应用轨道交通的建

14、设不仅有力的促进了城市的经济发展和建设，也改善了城市居 民的交通条件，但是也会不可避免地给城乡环境带来诸如噪声、振动、电磁辐射 的问题以及影响景观。我国已经拥有或正在建设地下铁道的城市越来越多，不少 城市还在建设高架轻轨交通系统，振动和噪声问题也已引起交通管理和设计部门 的重视，开展城市轨道交通减振降噪技术的研究非常有必要。1.1国内外减振降噪技术概述针对轨道交通的振动和噪声控制问题，国内外先后进行过大量的研究。主要 围绕振源与声源控制、振动与声传播控制以及材料和结构控制等三大方面。从理 论上讲，控制振源与声源是最根本的方法。而针对已经建成的轨道交通系统，控 制振动与噪声传播以及新型减振降噪材

15、料的利用和声学结构设计就成了一种极为 重要的手段。根据已有的研究结果，表明轨道交通的振动与噪声源主要包括以下几方面：(1) 振源：导致轨道交通产生振动的因素主要有行驶中的列车与下部结构的相 互作用，这种作用是通过车轮的滚动把车辆竖直荷载连续施加给结构；其二是车 辆本身的牵引系统，包括电动机、变速机构等内部机械传动系统引起的振动；还 有由于轨面不平顺或者车轮本身的表面缺陷造成的轮轨冲击产生的轨道结构振(2) 噪声源：噪声源有轮轨噪声，包括滚动噪声、轮轨冲击噪声、轮轨摩擦噪 声：结构噪声(由于轮轨表面相互作用产生的振动通过轨道、桥梁和地基等传递导 致相应结构振动而辐射噪声)；车辆动力设备噪声，包括

16、牵引电机、通风机、压缩 机受电弓等设备噪声；车辆运行时的空气动力噪声。轨道交通噪声通常具有宽带 特性，频率范围在0.06.0kHz之间，其中对环境影响大的频率在0.11.0kHz范 围。目前，国内外有关轨道交通减振降噪的研究主要集中在以下几方面：1.1.1车辆的减振降噪采用弹性车轮、充气橡胶车轮、阻尼车轮及弹性踏面车轮等技术，通常可减 振降噪210dBA。如在巴黎地铁中的车辆和日本跨坐式独轮交通车辆均采用充气 橡胶车轮。这种车轮比普通钢轮，可降低噪声lOdBA。用改变车轮结构的方法来 改变噪声的发射性能，可降低轮轨噪声。如德国，通过把制动盘放在轮心上来减 少噪声，试验结果证明对1000Hz以上

17、的噪声大约可降低5dB。采用减振降噪动 力驱动系统。如温哥华、底特律、大阪等在80年代的轨道交通系统中，釆用的 车辆应用了线性电机技术。由于采用线性电机，省去了齿轮箱等一系列传动机构, 减少了许多噪声源，因而噪声水平比一般车辆降低了大约lOdBA。此外，由于采 用径向转向架，车辆能顺利地通过曲线，能减少轮轨磨耗和消除常规转向架通过 曲线时的尖叫声，因而噪声比一般车辆降低近20dBA。1.1.2轨道结构的振动与噪声控制轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成。根据振动理论，轮轨之间的振 动噪声与轨道各部件的质量、刚度以及结构阻尼密切相关。轨道结构的减振降噪 则主要是通过改变结构参数来实现。与有砟轨

18、道相比，无砟轨道具有整体稳定性 好、维修少等优点，但其缺点是振动噪声较大，尤其是用于高架轨道时更为突出， 对此，应采取有效的减振降噪措施。从轨道结构方面来看，国内外已尝试的减振降噪措施主要有：釆用焊接长钢轨将每节钢轨在焊轨基地依次焊接成长钢轨，再在线上将长钢轨联接，彻底 消除钢轨轨缝，避免车轮在轨缝处的撞击，依次达到减少振动和噪音的目的。采用减振型钢轨减振型钢轨是近几年研制的新产品，其关键技术是用阻尼性能良好的橡胶 将钢轨轨额以下、轨腰包裹起来，以此达到吸收钢轨振动和噪音的目的，但 是钢轨造价很高，橡胶的耐久性也存在问题。采用高弹性减振扣件采用高弹性减振扣件(如双重铁垫板式、剪切型、压缩型和低

19、刚度型等等) 是所有轨道交通工程中最普遍的做法，特别使用于一般地段的轨道结构，该 种扣件种类很多，各国都研制了不同的结构，基本都是釆用橡胶的压缩变形 来吸收振动，一般来讲这种类扣件可以降低振动38dB。采用减振型轨下基础减振型轨下基础是利用道床的弹性来减振，例如有砟轨道采用弹性轨枕和 道床弹性胶垫。弹性轨枕比较多的是合成树脂轨枕，日本在新干线和直线电 机牵引轨道的道岔地段使用，我国广州地铁4号线上也有使用，但是价格昂贵，对我国以后大量建设轨道交通的投资控制是很不利的。道床弹性胶垫在 欧洲使用比较多，在碎石道床的基础上，加设弹性轨枕道床和道砟垫道床， 增加道床弹性，可有效降低道砟振动，与一般碎石

20、道床相比，其减振效果可 达515dB，我国在某些有上部开发的车辆段碎石线路道床下铺设了减振橡胶 垫，检测效果一般为5dB以上。我国在国铁和北京八通线四惠车辆段有试铺 使用，它是把与道床等宽的带孔厚橡胶垫板铺设于道砟下面，以此通过橡胶 垫板的压缩变形吸收振动，一般来讲与不铺相比可以减少5dB的振动。减振型无砟轨道则采用弹性支承块、防振型轨道板等等。弹性支撑块是目 前我国在地铁中应用最多的，欧洲上世纪60年代有使用。它是将预制的混凝 土短轨枕装入橡胶靴套内，在轨枕和靴套之间垫入一定厚度的橡胶垫板，靴 套起隔离作用，垫板起减振作用。由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配 套扣件构成的弹性支承块式轨道结

21、构减振降噪的效果较为明显，一般可以达 到12dB,因此，对于振动和噪声敏感的地段，特别是高架结构，采用弹性支 承块式无砟轨道结构是比较理想的方案。这种结构的不利之处是靴套内容易 进入沙尘和水，清理困难，橡胶部件一旦损坏不易更换。防振型轨道板一般是指橡胶浮置板和钢弹簧浮置板。均是早先在欧洲使 用，最近引进我国。基本原理是将整体道床与基础结构分离，通过橡胶或螺旋 钢弹簧等弹性元件支承整体道床,并分别构成橡胶浮置板道床和钢弹簧浮置板 道床。浮置板可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载，只有静荷载 和少量残余动荷载会通过橡胶或螺旋钢弹簧等弹性元件传递到基础结构上。橡胶浮置板在广州地铁2号线中应用

22、较多，其减振效果优于轨道减振器及 弹性短轨枕，但由于以下问题的存在影响了它的进一步推广：（1)橡胶易老化， 检修困难；（2)由于横向刚度较低及阻尼较小，列车运行至隔振地段时车内振动 噪声明显增大，钢轨内侧磨损加剧；（3)隔振效果l(K15dB,但固有频率为 1520Hz,对于软土地基及低频振源地段隔振效果并不理想。钢弹簧浮置板道床是德国GERB(隔尔固)公司研制的弹簧隔振器浮置板轨 道，它采用螺旋弹簧支承浮置板道床，在减振效能方面，弹簧隔振器浮置板轨道 比橡胶支承式浮置板轨道的效果还要好。截至目前钢弹簧浮置板道床已具有 90多年的历史，由于造价较高，它主要用于医院、研究院、博物馆、音乐厅等对

23、减振降噪有特殊要求的场合。除在德国、日本、韩国等国应用外,国内近年来 在北京、上海、广州等城市的地铁建设中也得到了推广。它具有如下优点：(1) 隔振效果好,可减振2540dB;(2)使用寿命达30年以上;(3)同时具有三维弹性， 水平方向位移小，无需附加限位装置;(4)检査或更换十分方便，不用拆卸钢轨，不影响地铁列车运行；（5)基础沉降造成的高度变化可通过增减调平钢板厚度实 现。由于造价很高，这种轨道结构适用于减振要求很高的地段，特别是钢弹簧 浮置板结构，单公里造价达1000多万元。采用轨道减振器扣件轨道减振器扣件与一般扣件所不同之处是它主要利用橡胶的剪切变形来 达到吸收振动，充分发挥橡胶剪切

24、弹性大大由于压缩弹性的特点，我国近几 年在各个城市轨道交通中都有使用。釆用钢轨打磨技术钢轨定期打磨是最原始的减振技术，通过定期打磨钢轨表面和对车轮镟轮 处理，消除表面的查伤和扁疤，提供良好的车轮走行轨面，也能获得很好的 减振降噪结果。实验表明，钢轨打磨后，在振动频率为8100Hz范围内，振 动噪声下降48dBA,站台上的振动噪声下降515dBA。这些措施均已被证明具有不同程度的减振降噪效果，适应环保要求。 1.1.3高架线路和桥梁减振降噪随着城市轨道交通建设的发展，解决城市中心区与周边区的交通连接逐步成 为城市交通建设的主要任务，特别是与卫星城市的连接。为降低工程造价，轨道 交通在中间往往采用

25、高架桥的敷设方式。地铁由地下走到地面和空中，随之噪音 也比地下更严重，对周边的影响也更大，因此必须采取措施加以解决。(1) 高架桥结构的研究国外绝大多数轨道交通桥梁结构形式采用箱形梁结构，我国高架轨道也大都 采用箱形梁桥面。对于箱型梁结构，由于箱形梁内部空腔在轨道交通噪声主要频 段内存在声学模态，腔内的声场共振可能使桥梁的上下两个面的辐射声增加，而 且箱形梁桥的底面是大面积的平面，声辐射效率比较高，在车辆通过时，有远及 近就可以听到隆隆的箱体共鸣声，这就是空腔的声音放大问题。因此，有必要研 究箱形梁的减振降噪措施。目前箱形梁的降噪处理有以下几类技术：桥下面装吸 声顶棚；箱形梁腔内设计安装隔板；

26、安装桥梁吸振器，改变桥梁结构形式等。(2) 吸声桥面研究高架轨道交通线的桥面是声反射面，降低桥面的声反射可以大大降低列车通 过时的噪声。近年发展起来的各种多孔混凝土都可以有效降低桥面的声反射，即 在桥面铺浇一定厚度的多孔混凝土，既不影响检修者行走，又有一定的吸声系数。 但是，多孔混凝土对1000Hz以下的中低频噪声的吸声效果不够理想。前期研究 结果表明，高架轨道交通噪声中以500Hz为中心的中低频噪声占主要成分，所以 研制能吸收适合低频噪声的桥面轻质吸声铺层十分重要。(3)吸声结构研究高架轨道交通噪声的各个声源中，桥梁振动的辐射噪声对周边环境，尤其是 低楼层有较大影响。国内外都有在高架桥反面安

27、装吸声天棚或悬挂空间吸声体的 实例，取得了一定降噪的效果。高吸声、安全、美观、易清洗保养是设计这类吸 声结构的要点。目前还没有被大家普遍认同的高架桥吸声天棚形式。1.1.4声屏障设置声屏障是降低轨道交通运行噪声的一种有效措施。国外都在交通主干线上修 建声屏障来治理噪声。现有的吸声型声屏障均为板式结构，所用的吸声材料分别 有多孔材料(如泡沫玻璃等)、穿孔板加纤维类吸声材料、微穿孔板等。但频带窄， 尤其是低频段吸声系数小，通常只有0.5左右，这是现有吸声型声屏障的共同缺 点。此外，现有吸声型声屏障还存在其他问题，例如，目前市内交通声屏障几乎 都采用吸声材料包覆护面穿孔板的形式，不但低频区的吸声效果

28、差，而且由于使 用中雨水、灰尘透过穿孔板侵入吸声材料，导致声屏障吸声性能下降，甚至失效。 常见的微穿孔板和其他抗性吸声结构对低频噪声比较有效，但在中高频段的吸声 系数往往很低。总之，由于交通噪声主要成分分布在100Hz5kHz,单纯阻性吸 声或抗性材料都难以在如此宽的频率范围内达到满意的吸声效果。因此，国内外 都研究阻抗复合型声屏障作为拓宽吸声频带、提高降噪效果的主要方向。降低成 本、厚度、尺寸和重量，提高使用寿命，是新型声屏障研制者的追求。1.1.5减振器金属-橡胶复合减振器是国内外目前应用最为广泛的减振降噪装置。橡胶是粘 弹性体,在很宽的范围内具有粘弹行为。在受到外力压缩时，橡胶不仅会象钢

29、弹簧 一样通过弹性形变来吸收储存冲击能量，而且还可以通过分子链相对运动摩擦产 生热量而消耗能量。因此橡胶广泛用来吸收振动能量，例如钢轨扣件中的橡胶垫 板就是利用橡胶的这种特性来吸收钢轨的振动。目前国内外对金属-橡胶复合减振 器的研究重点是弹性材料。从减振降噪的角度来看，最理想的目标是将轨道车辆 上所有的传动和连接全部改成弹性装置。橡胶部分既是减振器的主要工作部分， 也是影响使用寿命的关键因素。金属-橡胶减振器的失效原因主要是橡胶部分的疲 劳破坏、永久变形和老化，在同样使用条件下，金属的寿命比橡胶要长得多。因 此橡胶这种弹性结构材料的高性能，特别是强度、耐蠕变、耐疲劳和耐老化等综 合性能的显著改

30、善，将使减振器有质的飞跃，大大提高高速列车的舒适性和安全 性。目前国内外对轨道交通减振用弹性结构材料的研究主要集中在提高机械强度 和使用寿命两个方面。其中机械强度方面，国内已基本达到国外先进水平，但离 轨道车辆的理想要求（全部是弹性传动和弹性连接)还有一定的差距；在使用寿命 方面与发达国家相比还存在较大差距，大部分产品仅为国外先进水平的三分之一 左右，抗疲劳、抗蠕变和抗老化能力都存在非常明显的差距，已成为亟需解决的 重大技术课题。国外减振器上应用的弹性材料的品种主要是天然橡胶和氯丁橡胶, 二者共占95%以上国内由于氯丁橡胶的结晶性太高，质量不过关，而进口的微 结晶型氯丁橡胶价格又太高，因此天然

31、橡胶的用量占绝大多数，约在95%以上。 氯丁橡胶与天然橡胶相比，力学性能相当，耐候性能优良。但目前发达国家使用 天然橡胶制造的金属-橡胶减振器使用寿命已经达到10年以上(大部分为1516 年)，而我国的只有36年。因此如果天然橡胶的性能和使用寿命能提高，不仅 适合国情，而且经济效益和社会效益将非常显著。1.1.6吸声、隔声材料近几年来，国内、外在吸声材料、隔声材料及其相关结构等方面进行了大量 的理论和实验研究，、开发了许多新材料、新技术。但吸声材料的研究资料较为 丰富，隔声材料的研究资料则较少。(1) 传统的隔声材料有纸面石膏扳、隔声充气塑料薄膜，纸蜂窝芯复合板、阻 燃玻璃钢隔声罩等，主要基于

32、传统的质量定律，是高密度、大厚度的材料，在实 用中有很多不便，且隔声效率低。(2) 镁合金作为一种新型金属材料，已广泛应用于汽车、计算机、通信及航空 航天等众多领域，是一种有发展前途的轻质合金材料。与目前的主流材料相比， 镁合金具有如下几个优点。重量轻。镁合金作为一种轻质金属结构材料，其密 度为铝的2/3,钢的1/4。吸震性能高。镁合金有极好的滞弹吸振性能，可用于 吸振隔声。模祷生产率高。再生性和高电磁干扰屏障。抗疲劳、无毒、无 磁性和裂纹少等。(3) 聚酰亚胺材料已有40年的发展历史。随着科学技术的进步，聚酰亚胺由 于其在性能和合成方面的突出优点，越来越受到重视。现已广泛地应用于飞机、 舰船

33、、火车、汽车等领域，有隔热、隔声、隔振等功能。(4) 褶皱芯材是90年代俄罗斯适应飞行器发展而研制出的一种异型芯材。褶皱 芯材是一种纵横向均呈“之”字形曲折的轻质褶皱芯材。他能在较宽的频率范围内保 持隔声量随频率上升而提高。(5)车身吸声涂料由于轨道交通噪声以低频成分为主，普通的吸声涂料对降低 列车噪声几乎没有什么作用国外采取适当延长车身两侧旁板的裙边，并在内侧 喷涂泡沫类或纤维类吸声材料，取得了一定的降噪效果，但对低频噪声的效果尚 有待进一步改进。可以说，为解决轨道交通振动和噪声的问题，国际上的科研机构和设备供应 商从多方面一直在不断的努力，试图将振动和噪音的影响降到最低。1.7本文研究的主

34、要内容针对城市轨道交通减振降噪技术的研究和应用现状，本文主要针对轨道减振 器技术，从橡胶材料的配方、制造工艺、性能等方面幵展研究。对m型轨道减振 器的橡胶材料和技术性能指标进行研究；对轨道减振器进行结构设计、有限元分 析，运用有限元分析技术对轨道减振器的结构设计进行了验证，研究橡胶层厚度、 倾角及材料模量、阻尼性能等与减振器的动静态刚度、动静比的关系，为轨道减 振器的结构优化设计和橡胶材料的参数选择提供了依据；在轨道减振器的结构设 计上采用新颖的“双刚度设计，既保证了减振器满足动力学优化的最佳“减振刚 度”，又能保证钢轨几何形位变化在安全范围内所必须的支承刚度，即具有合理的 “安全刚度”。2国

35、内外轨道减振器发展状况及研究的必要性 2.1国外轨道减振器技术的发展国外从20世纪60年代开始轨道减振降噪产品的研制，最早研制的轨道减振 器的是德国，首先用于科隆地铁。该地铁工程把广泛用于机械的减震器引入地铁, 因为减霡器外形呈椭圆形，俗称科隆_蛋形扣件。该产品典型的外部形状就是利 用棟胶将位于轨下的椭圆形的承轨铁垫板和连接轨枕的底座铁垫板硫化在一起， 豫胶主要承受剪切作用，承轨板上安装扣压钢轨的扣件，底座用嫘栓与轨枕相联 接。取得了较好的减振效果,一般可以取得57dB的减振效果，图2.1为科隆蛋扣 件。轨道减振器简单、实用，主要用于轨道系统的减振治理，结构釆用金属与像 胶的复合结构，可充分利

36、用橡胶的剪切变形以耗散能量且动弹性好，具有减振降 噪效果明显、成本低、施工简便、维修更换简单的优点=另一种减振器扣件是美国的洛德(Lord)扣件，如图2.2所示。洛德（Lord)扣 件又称钢轨固定器，是美国洛德公司生产的减振降噪型扣件。该扣件将弹性材料 粘合在金厲垫板表面，显著提高其抗疲劳强度，从而延长结构使用寿命。采用独 特的材料配方，使扣件具有更高的电绝缘性能和抗腐烛性能。养护维修方便，具 有优异的轨距保持能力和轨面调整能力。采用中低刚度固定器，可最大限度降低 噪音和振动。X-图2.1科隆蛋扣件洛德（Lord)钢轨固定器已广泛应用于华盛顿、芝加哥、温哥华、纽约、洛杉矶、吉隆坡、台北等城市地

37、铁项目，运营实践表明其减振降噪效果较普通扣件 增加14dB左右，约8dB左右，使用寿命可达20年以上。m 2.2洛德(Lord)扣件本泄纪初，澳大利亚铁路部门研究幵发了一种改良型轨道减振器(DELICOR), 采用新的橡胶配方，改善了橡胶的耐环境老化性能。另外改变上部承轨板和下部 托板的配合斜度，显著的降低了动静刚度比，使得轨道减振器减振效果大大提高。 这种改良后的减振器扣件是B前国际上同类产品中性能最好的。图2.3是正在疲劳 实验的澳大利亚减振器扣件。图2.3澳大利亚DELK0R扣件 该扣件动静刚度比一般小于1.2,减振效果可以达到12dB,是目前国际上减振性能最好的减振器，但是价格吊贵。

38、2.2国内轨道减振器技术的发展上世纪80年代，上海地铁一号线和北京地铁复八线相继上马建设，这些地铁 线路穿行在繁华闹市，所穿越IE段存在大量的振动环境敏感点，部分医段线路穿 越居民楼或宾馆、学校、医院等建筑物，对振动要求很高。在这些线路的设计中， 建设主管部门明确要求必须千方百计降低轨道交通对周边建筑物的振动影响，避 免引发社会纠纷。为此，我国轨道交通设计萆位积极开展轨道减振技术的研究和 产品的开发。1988年北京城建设计研究院研制在对外考察学习的基础上成功研究试制第一 代轨道减振器扣件I型轨道减振器扣件，见图2.4。该扣件的结构特点是利用橡 胶将位于轨下的承轨铁垫板和连接轨枕的底座铁垫板硫化

39、在一起，承轨板和底座 均采用可锻铸铁制造，联接两者的橡胶采用绿丁橡胶。橡胶设计成具有一定的斜 度，橡胶圈在轮轨垂直力作用下受压和受剪.主要承受剪切作用。由于橡胶的剪 切弹性优于其压缩弹性，轨道减振器扣件具有很低的垂直静刚度，一般在 14kN/mm18 kN/mm 左右。m 2.4 I型轨道减振器扣件I型轨道减振器扣件（适用于60kg/m钢轨）是在参考德国“科隆蛋”扣件设计 基础上进行的，外形基本与其一致，即底板呈长方形，承轨板与底座的连接呈椭 圆形。橡胶圈的材质采用了国产的氯丁橡胶，材料配方由无锡圣丰橡胶厂研制。 该产品于1990年通过上海市科研技术鉴定，并铺设于上海地铁一号线上，以后又 陆续

40、在广州地铁、北京城市铁路和八通线中采用。2001年北京城建院又根裾大连快速轨道交通3号线等工程的需求，研究开发II型轨道减振器扣件在性能指标上与丨型减振器一致，所不同指出是将承轨槽 尺寸缩小，以适应50kg/m钢轨。根据丨型轨道减振器扣件的研究报告，第一代轨道减振器的试验室检测性能 良好，减振效果显著，道床加速度传递函数值较DTI型扣件减少1530dB,较DTIII 型扣件（一种普通地铁扣件）减少1020dB。在上海地铁一号线的铺设使用中， 初期减振效果明显，发挥了良好的减振作用。现国内生产的产品减振效果基本保持在7dB左右的水平,动静刚度比1.4-1.5。 和国外产品相比，主要差距在于：(1

41、) 减振效果，国外同类产品的减振效果己达到15dB左右，动静刚度比小 于 1.2;(2) 橡胶耐老化性不好，使用寿命较短，应用一年后减振性能、橡胶耐老化 性非常好，但3年后则下降很多，而国外产品应用一、二十年性能下降很小。目前国内该产品的性能优势尚未达到充分的发挥，如动静比偏高、不够理想 等，应该从结构设计、所用减振材料、制作工艺等方面进一步优化，以幵发综合 性能优异的减振器。了适用于50kg/m钢轨的I丨型轨道减振器扣件，见图2.5所示。m 2.5 II型轨道减振器扣件国内不少单位巳开始结合牝京、上海、沈阳等一些大城市修建地铁、轻轨交 通系统时车辆引起的环境振动问题进行了研究，取得了初歩的研

42、究成果。本专题 拟研究的轨道减振器在国外已有同类产品，其在技术上有较大优势，但价格品贵; 国内也有个别单位开始了研究工作，但未见有减振量达到10dB以上的此类产品，2.3研究的必要性2.3.1轨道交通减振降噪措施研究的必然性与迫切性地铁列车的振动，通过桥梁基础或隧道结构及地层向外传播，进一步诱发附 近地下结构以及邻近建筑物（包括室内门窗家具等）的二次振动和噪声。噪声主 要来自车轮与钢轨接触振动产生的轮轨噪声。同时，由于运行列车的动力作用使 轨道、桥梁、声屏障等结构振动也产生一定的结构噪声。列车在隧道内纵向运行时，地面会产生二次共振现象，该现象在多次对北京 既有地铁的测试及理论分析中得以印证。伦

43、敦和巴黎的同行也在研究这一现象， 称为振动二次放大区，其影响范围在线路两侧地表约30m到60m之间。在有些情 况下，二次振动放大区的峰值与隧道中线地表上的振动处在同一量极，并且与隧 道的埋深关系极大。城市轨道交通所产生的振动和噪声的问题也给环境保护带来了不利的影响， 且这种影响每天持续很长时间。国际上已把振动列为七大环境公害之一，很多环 境保护工作者在研究振动与噪声污染的规律、产生的原因、传播的路径与控制方 法、以及对人体的危害等相关问题。对于中国各大城市，建筑、人口密度高，减 振降噪的环保技术要求日益提高。就北京而言，已经开通的几条地铁线路，均残 生了振动噪声问题，引发周围居民的投诉，在很大

44、程度上干扰了居民的正常生活， 也给地铁的正常运营带来不利影响，例如限速运行。因此，各个城市在修建新线 时，均把振动控制作为工程设计的重点，认真研究周边环境敏感点，建立分析振 动模型，预测发生的振动程度并采取针对措施。只有妥善解决振动和噪音的问题， 才能有利于轨道交通的持续、健康、蓬勃发展。城市轨道交通的减振降噪是一个综合问题，需相关专业共同配合，轨道专业 通过改善轮轨关系、采取轨道减振减振等技术措施，可使列车在运行中产生的振 动和噪音能有效地衰减。2.3.2轨道减振器扣件更新换代的必要性在轨道减振器扣件使用过程中，部分铺设地段也发现了一个问题，即：随着 时间的推移，轨道减振器的弹性衰减较快。比

45、较严重的例子是，放置在露天2年 还没有铺设于轨道的减振器，弹性已经衰减了大半。据上海地铁运营公司的调查， 部分轨道减振器扣件在铺设35年后，减振效果逐步衰减，与一般轨道扣件基本 等同。经过对国外轨道减振器扣件的技术调查，初步分析减振弹性衰减的原因，主 要是减振器的橡胶圈橡胶性能不稳定、配方不佳等，使得在疲劳荷载的作用下， 橡胶层逐渐硬化，弹性衰减；另外对材料检验参数不严格，在考核减振器性能时 只是限于检查减振器的静刚度，而没有检查动刚度以及动静刚度比值，一些生产 单位片面的追求静刚度，忽视了动刚度值，导致动载作用下，动刚度偏大，降低 减振效果。我国第一代减振器经检测动静刚度比偏大，在1040k

46、N荷载范围内达另外，第一、二代轨道减振器在结构设计上没有考虑过载保护，由于承轨板 与底板是靠橡胶圈硫化在一起的，在橡胶圈设计斜度不合理以及弹性不均匀的情 况下，横向刚度不足，当出现轮轨横向力的偶然大荷载时，钢轨在横向力作用下 外翻，轨距扩大，对安全不利，另外也导致列车横向摆动，乘客舒适度降低。反 过来，剧烈的横向变形也加剧了橡胶层的疲劳破坏，易发生内部橡胶的撕裂破坏， 引起承轨板与底板脱离失效，使运营安全风险加大。基于目前国内轨道交通对减低振动要求的呼声越来越高和第一代减振器扣件 的使用情况，根据国外剪切型扣件的技术发展，我们必须进行轨道减振器扣件的 技术改进研究，以满足我国城市轨道交通的发展

47、要求。3 m型减振器扣件的技术定位研究 3.1 III型减振器扣件的功能要求 3.1.1应满足地铁列车运行的强度和稳定性要求(1) 结构应坚固、稳定，耐久性好轨道减振器扣件用于中等减振地段，在发挥减振作用的同时，还要起连接钢轨 和道床的作用，承受轮轨反复的纵横向冲击荷载的作用，并把这些荷载传递到轨下 基础，因此要求其必须具有坚固性、稳定性和耐久性。坚固性：要求扣件的各个部件本身以及组装后要求必须坚固，能够承相互之间 传递的各个方向的作用力，在使用寿命期内不破坏。稳定性：要求整体扣件在轮轨作用力和温度作用力以及外部环境作用下，整体 稳定，各个部件之间联接牢固不松弛。耐久性：要求扣件的各个部件及整

48、体扣件在反复的动荷载作用下以及外部大气、 潮湿、阳光照射等不利环境作用下，在使用寿命期内不发生疲劳破坏，能够确保轨 道交通的安全。(2) 具有保持轨道几何状态的能力轨道减振器扣件应具有足够的扣压力、防爬阻力、支撑刚度，可以保证动态情 况下的钢轨轨距、保证无缝线路的温度力均匀、钢轨的动态下沉受控等，列车运行 安全平稳。扣压力和防爬阻力：作为扣件必须能够确保钢轨牢固的固定在道床上，这就要 求扣件必须具有足够的扣压力，扣压力是由扣压件与钢轨的相对位置决定的，扣压 力的大小还要考虑扣件的整体弹性。足够的扣压力也就保证了钢轨的防爬阻力。支撑刚度：扣件的支撑刚度决定于扣件的弹性，它影响钢轨的动态下沉和列车 的安全平稳，要在保证列车运行安全稳定的前提下下尽量降低扣件的支撑刚度。(3) 具有调整轨道几何状态的能力轨道减振器扣件应具有灵活的轨道水平、轨距等几何状态的调整能力。钢轨是靠扣件安装在道床之上的，扣件的各个部件存在制造误差，道床施工也 存在施工误差。另外长期的运营，轮轨磨耗，导致轨道水平、轨距发生变化，使得 不符合规定要求，必须在日常保养中及时加以调整，因此该扣件应具备一般扣件对 轨道集合状态的调整能力。3.1.2兼顾轨道的强度和弹性、承载和减振两种性能通常轨道减振器扣件所承受的竖向荷载值为25kN,横向水平荷载值为020kN, 但也有一些因