城市轨道交通用减震扣件的试验方法

城市轨道交通用减震扣件的试验方法 瞿连辉 (中国船舶重工集团公司第七二五研究所 ,河南 洛阳　471039) 　　摘要 :减震扣件是一种有效的城市轨道交通减震降噪产品 ,其主要性能要求包括安全性能、减震性能、绝缘性能和 稳定性 ,主要性能检测项目包括纵向阻力测试、刚度 (包括垂向静刚度和垂向动刚度) 测试、冲击载荷衰减测试和疲劳 试验等。目前国外相关技术已比较成熟 ,但国内仍处于研究的初级阶段 ,需尽快提高我国减震扣件的整体技术水平 , 达到以工程 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 指导设计的水平 ,并逐步建立起完整、统一的性能测试 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 体系。 关键词 :城市轨道交通 ;扣件 ;橡胶减震器 ;试验方法 中图分类号 :U213. 5 + 31 　　文献标识码 :B 　　文章编号 :10002890X(2009) 0420250206 　　作者简介 :瞿连辉 (19812) ,男 ,山东潍坊人 ,中国船舶重工集 团公司第七二五研究所助理工程师 ,学士 ,主要从事减震降噪工 程分析、设计和非金属减震降噪制品的研发工作。 　　随着我国城市轨道交通事业的蓬勃发展 ,轨 道交通减震降噪问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 日益突出 ,引起了社会的广 泛关注。相对于弹性套靴、橡胶浮置板和道碴垫 等众多减震方式 ,减震扣件具有性价比高、施工维 护方便和减震效果好等突出优点 ,在城市地铁和 轻轨交通减震降噪领域得到了广泛应用。总体来 说 ,国内对减震扣件的研究还处于起步阶段 ,产品 设计以仿制、改进国外产品为主 ,没有达到工程分 析指导实践的设计水平 ,在减震扣件效果评价方 面也缺乏系统研究 ,没有形成完整和统一的标准 系列 ,测试方法比较混乱 ,部分测试指标的设定缺 乏依据 ,给新型减震扣件的研发和应用带来较大 困难。笔者根据实际工作经验 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了一套比较合 理的试验和数据处理方法 ,以期为地铁减震扣件 的研发提供帮助。 1 　结构 减震扣件是无碴轨道结构中最重要的部件之 一 ,联接钢轨与轨下基础 ,在保证轨道框架几何特 征稳定的同时起减震作用。减震扣件产品形式多 种多样 ,这与其各自的系统功能、联接方式、制造 工艺、施工养护方法和经济成本等因素有关 ,但基 本结构一致 ,主要由扣压件、弹性垫板和锚固系统 等组成 (见图 1) [123 ] 。 图 1 　减震扣件基本结构示意 2 　性能要求和检测项目 城市轨道交通系统大多采用无碴轨道结构 , 调整轨道弹性和轨道几何形态须由减震扣件完 成 ,因此对减震扣件性能提出了更高要求。减震 扣件各项性能参数不仅要经过科学、严谨的计算 , 更要通过一系列模拟试验检测。减震扣件主要性 能要求和相应模拟检测项目如下。 (1)安全性能 要求 1 :保持轨距 ,控制钢轨转动和平移。相 应检测项目为刚度测试和疲劳测试。 要求 2 :对轨道具有纵向限制能力。相应检 测项目为纵向阻力测试和扣压力测试。 (2)减震性能 要求 1 :降低轨道整体刚度。相应检测项目 为刚度测试。 要求 2 :减轻振动。相应检测项目为冲击载 荷衰减测试。 052 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2009 年第 56 卷 第 4 期 (3)绝缘性能 要求 :保持钢轨与道床的电气绝缘。相应检 测项目为绝缘电阻测试。 (4)稳定性 要求 :使用寿命长且使用周期内主要性能变 化在允许范围内。相应检测项目为疲劳测试。 3 　测试方法 减震扣件是由多个零部件组成的有机整体 , 只有将其组装并固定在轨下基础后才能发挥作 用 ,因此减震扣件组装性能是评价其优劣的主要 依据。下面对减震扣件各项基本检测项目的测试 原理、测试方法和数据处理分析方法等做详细 介绍。 3. 1 　纵向阻力 了解减震扣件纵向阻力 ,特别是扣件对钢轨 的最大纵向阻力与纵向位移之间的关系 ,对研究 钢轨温度2力特性、唐钢钢轨防爬阻力以及断轨力 和制动力是非常必要的。减震扣件纵向阻力测试 方法见图 2。通过测试扣件将一截短钢轨固定在 轨枕上 ,对钢轨施加纵向力 F , 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 纵向力和钢轨 相对轨枕的纵向位移 ,当钢轨滑移时卸载 ,从纵向 力2位移曲线上可得出钢轨产生非弹性位移之前 所承受的最大纵向力[426 ] 。 图 2 　减震扣件纵向阻力测试方法示意 本试验是一种静态试验 ,加载速率不可太大 , 最好控制在 10 kN ·min - 1以内 ,可采取分段加载 方式 ,即每增加 (2. 5 ±0. 3) kN 的力 ,保持 30 s。 当钢轨出现滑移或施加的力已超出扣件性能要求 4 倍时 ,迅速卸载 ,并继续测定 2 min ,直至钢轨充 分回行。重复测量 3 次 ,每次加载/ 卸载间隔不小 于 3 min ,取平均值为最终结果[6 ] 。典型的纵向 阻力2位移曲线如图 3 所示。 图 3 　纵向阻力2位移曲线(分段加载) D1 为最大纵向位移 ; D2 为非弹性纵向位移 ; D3 为弹性 纵向位移 ; F为扣件对钢轨的最大纵向阻力。 3. 2 　刚度 无碴轨道结构的道床整体刚度几乎完全由减 震扣件提供 ,减震扣件的刚度设计是整个轨道设 计的重要组成部分 ,刚度测试也成为减震扣件最 基本的测试项目。由于在疲劳试验中可获得钢轨 受水平力作用时的数据 ,因此一般情况下实验室 只测量扣件的垂向刚度。按照施加载荷形式的不 同 ,垂向刚度测试分为垂向静刚度测试和垂向动 刚度测试两种 ,其测试方法如图 4 所示。 图 4 　垂直刚度测试方法示意 3. 2. 1 　垂向静刚度 减震扣件垂向静刚度指在垂向静态力作用下 通过测量扣件相应变形计算得到的刚度。测试 时 ,为模拟静态力条件 ,一般采用对扣件缓缓加力 的方法 ,原则上载荷增大的速度越小越好 ,通常不 大于 60 kN ·min - 1 [ 6 ,7 ] ,增至额定载荷时保持 1 min 左右 ,待扣件变形充分后再记录位移值 ,否则 可能导致最终结果偏大。典型的扣件载荷2形变 曲线如图 5 所示 ,垂直静刚度为载荷与相应形变 的比值。 因橡胶材料本身的粘弹特性 ,减震扣件的载 荷2形变曲线并不满足虎克定律 ,而是呈现非线性 152瞿连辉. 城市轨道交通用减震扣件的试验方法 图 5 　典型的扣件载荷2形变曲线 特征。若直接取曲线上单点来计算减震扣件的刚 度 ,其结果不能准确反映制品性能。工程上常采 用割线刚度来表征产品的刚度特性 ,即在一定挠 度或载荷范围内取平均刚度作为产品的刚度 ,如 图 6 所示 ,静刚度 ( Ks )的计算公式为 Ks = F2 - F1 S2 - S1 (1) 因此 ,描述扣件静刚度时应说明载荷范围。 图 6 　刚度特性示意 合理载荷范围的确定是静刚度测试的关键 , 但目前国内尚未出台相应标准。我国现行标准 TB/ T 2626 —1995 附录 C 中规定加载范围为 20～80 kN ,但此标准是针对轴质量 25 t 的干线 铁路而定 ,对轴质量只有 14～16 t 的地铁和轻轨 显然不合适。国内外厂家在测定各自扣件时采用 的载荷范围也各不相同 (见表 1) 。 表 1 　典型扣件的静刚度测试载荷范围和实际刚度值 扣件类型 载荷范围/ kN 刚度值/ (kN ·mm - 1) WJ22 型 10～50 40～50 D T2Ⅵ型 10～50 40～50 GJ2Ⅲ型 5～35 10～15 英国先锋扣件 5～25 4～10 　　根据国外经验 ,最合理载荷范围不仅取决于 线路条件 (轴载、安全系数等) ,还取决于扣件本身 的实际静刚度大小 ,即使应用于同一条线路的扣 件 ,若静刚度不同 (或不相近) ,测试时也应采取不 同的载荷范围。因为即使在相同轴质量条件下 , 扣件静刚度不同 ,钢轨最大支撑力也会相应改变。 如图 7 所示 ,扣件刚度低 ,相同轮载下参与变形的 扣件数量增加 ,力被分散 ,最大支撑力小 ;反之 ,扣 件刚度高 ,载荷集中在一两个扣件上 ,最大支撑力 大。因此 ,相同线路条件下 ,对于实际静刚度为 5 kN ·mm - 1的扣件 ,静刚度测试载荷可取 5～25 kN ;实际静刚度为 10 kN ·mm - 1的扣件 ,静刚度 测试载荷可取 5 ～ 35 kN ; 实际静刚度为 40 kN ·mm - 1的扣件 ,静刚度测试载荷可取 5～45 kN。 图 7 　相同载荷时不同刚度扣件变形数量示意 3. 2. 2 　垂向动刚度 通过对扣件施加一定频率的循环载荷而测得 的刚度称为动刚度。橡胶材料是非虎克弹性体 , 其动刚度大于静刚度 ,且动刚度的大小与加载频 率有关。相同载荷下 ,加载频率越大 ,测得的动刚 度越大。 减震扣件动刚度测试时 ,加载频率应尽量与 其实际工作时的受力频率相近 ,按下式计算 : f = v3 . 6L (2) 式中 　f ———加载频率 , Hz ; v ———行车速率 ,km ·h - 1 ; L ———车辆转向架固定轴距 ,m。 我国现行地铁车辆运行速率约 80 km ·h - 1 , 车辆转向架固定轴距约 2 m ,根据式 (2) 可计算得 其动刚度测试加载频率约为 11 Hz ,这与通常情 252 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2009 年第 56 卷 第 4 期 况下采用的 10 Hz 吻合。 由于橡胶材料的粘弹性 ,减震扣件受动态外 力作用时应变滞后于应力 ,其动刚度测试曲线存 在一个滞后圈 (滞后圈的面积代表能量损失) ,如 图 8 所示。 图 8 　动刚度测试曲线 动刚度计算时可采用积分法 ,按下式计算 : Kd = Fmax - Fmin Smax - Smin (3) 式中 　Kd ———动刚度 ,kN ·mm - 1 ; Fmax ———动刚度滞回曲线上载荷最大值 , kN ; Fmin ———动刚度滞回曲线上载荷最小值 , kN ; Smax ———动刚度滞回曲线上形变最大值 , mm ; Smin ———动刚度滞回曲线上形变最小值 , mm。 扣件刚度测试时 ,形变一般只有几毫米 ,测试 系统本身的形变会对最终结果产生较大影响 ,数 据处理时应加以修正[8 ] 。方法为 :在相同的测试 条件下 ,不放置扣件系统 ,只检测测试系统本身的 形变 S s ,扣件实际形变为扣件测试形变与系统形 变的差值。因此 ,扣件系统静刚度计算式 (1)和动 刚度计算式 (3)分别应修正为式 (4)和 (5)的形式 : Ks = F2 - F1 S2 - S1 - S s (4) Kd = Fmax - Fmin Smax - Smin - S s (5) 3. 3 　冲击载荷衰减 冲击载荷衰减试验又称落锤试验 ,是一种对 比试验 ,用来评价一种扣件系统相对于其它扣件 系统或减震方式的冲击衰减性能。试验采用落锤 冲击试验机 (如图 9 所示) [ 6 ] ,用一个质量块 (落 锤)落在由扣件系统固定的钢轨顶面 ,锤质量为 50 kg ,在锤头与锤体之间垫 10 mm 厚的橡胶缓 冲垫片 (如图 10 所示) ,落高为 100 mm。在钢 轨、轨枕和整体道床两侧分别布置加速度计 ,在锤 头冲击轨头的瞬间测量钢轨、轨枕和道床振动加 速度。试验时应保证锤体自由下落 ,每次试验前 先预落 10 次 ,以消除扣件系统或支撑块下橡胶垫 板的空隙 ,然后开始正式试验。正式试验应至少 重复测试 5 次 ,且每次测量结果的误差应在平均 值的 10 %以内 ,否则需重新测量。为排除环境和 人为因素的影响 ,同次测试所用仪器、测点位置和 测试人员等应尽量保持一致[6 ,9 ,10 ] 。 根据 GB 10070 —1988《城市区域环境振动标 准》的计算方法 ,用插入损失 L I (单位 dB) 表征某 一减震扣件相对于其它减震系统的减震量。 L I = 20lg ( a1 / a2 ) (6) 式中 　a1 ———试验扣件振动加速度 ,m ·s - 2 ; a2 ———对比系统加速度 ,m ·s - 2 。 3. 4 　疲劳试验 减震扣件使用过程中需长期承受载荷的反复 作用 ,如何通过实验室检测判定减震扣件的动态 疲劳性能和使用寿命极为重要。对于金属2橡胶 352瞿连辉. 城市轨道交通用减震扣件的试验方法 复合型减震扣件 ,橡胶元件相对更脆弱 ,橡胶元件 的疲劳寿命往往决定整个扣件的使用寿命。但单 纯通过对橡胶材料或元件进行疲劳测试无法预测 扣件的疲劳性能。一方面 ,橡胶是一种高分子材 料 ,疲劳机理非常复杂 ,目前尚没有一种成熟的理 论来指导橡胶材料疲劳寿命的预测 ;另一方面 ,在 实验室中 ,通过完成橡胶材料的疲劳破坏来预测 寿命 ,需进行极多次的疲劳试验 ,是极不经济的。 在工程实践中 ,疲劳试验测试内容为扣件系统在 规定加载次数内的性能变化和部件磨损情况 ,并 不需要达到橡胶元件的完全疲劳破坏。若规定加 载次数内扣件性能变化在规定值内 ,并且扣件部 件无严重磨损或损坏 ,即可认为通过测试[11 ] 。 需要指出的是 , TB/ T 2491 —1994 中规定的 扣件组装试验方法只适用于铁路干线混凝土轨枕 用扣件 ,不适用于只在特定条件下使用的扣件 ,而 城市轨道交通系统机车轴质量小 ,扣件刚度低 ,套 用干线铁路扣件的试验规范是不恰当的。城市轨 道交通扣件的疲劳性能测试可参考相应的国外标 准进行[6 ] 。其测试原理是在规定的加载位置和方 向对钢轨轨头施加一个等幅的循环载荷 ,一般记 录 300 万次循环载荷作用前后的扣件垂向刚度、 扣压件扣压力、纵向阻力变化及疲劳试验过程中 轨头、轨底的位移。载荷的大小、作用位置和方向 由扣压件垂向刚度、轴重和被试扣件使用区段的 曲线条件确定。测试时可以采取两种加载方式 , 分别如图 11 和 12 所示。无论采用哪种加载方 式 ,均须保证对扣件系统施力时沿着规定的作用 线 ,并且加载头不得限制钢轨轨头的自由转动。 若扣件采用扣压件不对称式扣压方式 (如图 13 所 示) ,加载时须增加测试件的数量 ,以保证测试系 统的稳定。 应该注意 ,橡胶材料受长期反复载荷作用时 因胶料内损耗生热而导致的热积累是橡胶元件破 坏的首要因素 ,故试验中应保持适宜的环境温度 和动载荷加载频率 ,切勿为缩短试验时间而盲目 提高加载频率 ,否则可能导致试验结果存在较大 偏差。一般情况下 ,保持环境温度为 23 ℃左右 , 加载频率 4 Hz 左右。 试验结束后 ,应拆卸组装的扣件 ,目测部件裂 纹、磨耗和永久变形情况 ,同时还应检查混凝土中 所有预埋件的可靠性 ,采取一票否决制 ,即只要一 个测试项目未能达到技术要求 ,则判定扣件疲劳 性能不合格。 4 　结语 实践证明 ,减震扣件是一种有效的城市轨道 交通减震降噪产品 ,在国内外得到迅速推广和 应用。但目前国内减震扣件技术与国外相比还 存在一定差距 ,不仅表现在产品设计方面 ,更表现 在产品性能鉴定上。测试标准缺乏 ,部分试验方 法不能对扣件的性能优劣作出科学、全面的判定 , 452 橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　 　　2009 年第 56 卷 第 4 期 成为我国轨道减震扣件研发和应用的主要障碍 之一。 为了尽快提高我国减震扣件的整体技术水 平 ,不仅要在设计理论方面深入开展研究 ,充分运 用各种先进的仿真软件 ,达到以工程分析指导设 计的水平 ,更要建立起完整、统一的产品性能测试 标准体系 ,提高试验装备技术水平 ,缩小测试结果 与产品实际性能之间的差距 ,以满足产品性能鉴 定的需要。 参考文献 : [ 1 ] 王其昌. 无碴轨道钢轨扣件 [ M ] . 成都 :西南交通大学出版 社 ,2006 :83292. 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