（光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)論文）彈性軌枕有碴軌道的基礎(chǔ)試驗(yàn)與動(dòng)力分析.pdf

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第1 頁(yè) 摘要 為了滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，我國(guó)鐵路在既有線上已經(jīng)成功地實(shí)施了 五次大提速，目前正在為第六次大面積提速做準(zhǔn)備，同時(shí)高速客運(yùn)專(zhuān)線也在 緊張有序地籌備和建設(shè)中。在高速和重載的條件下傳統(tǒng)的有碴軌道結(jié)構(gòu)型式 面臨著嚴(yán)峻地考驗(yàn)。這為彈性軌枕的工程應(yīng)用帶來(lái)了契機(jī)。 本文對(duì)彈性軌枕枕下墊板材料、物理力學(xué)性能、外觀形狀等進(jìn)行研究和 比選；從理論上對(duì)枕下墊板試樣靜剛度進(jìn)行近似計(jì)算；提出彈性軌枕成型方 案和彈性軌枕制作成型工藝流程。對(duì)制成的彈性軌枕和普通軌枕分別進(jìn)行室 內(nèi)基礎(chǔ)試驗(yàn)，通過(guò)靜載和動(dòng)載試驗(yàn)比較兩種軌枕的道床橫向阻力、軌枕支承 剛度、軌枕荷載力矩、道床的下沉特性和枕下墊板的疲勞耐久性能。試驗(yàn)表 明彈性軌枕的道床橫向阻力完全滿(mǎn)足無(wú)縫線路鋪設(shè)的要求，其支承剛度大大 低于普通軌枕，軌枕的荷載力矩也比普軌枕低，道床的初期下沉量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 普通軌枕。采用車(chē)輛一軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，分析計(jì)算了彈性軌枕有碴軌道 與普通軌枕有碴軌道在相同工況下輪軌系統(tǒng)各個(gè)部件的動(dòng)力響應(yīng)。對(duì)兩種軌 道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)逐項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)部分動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行功率譜分析， 同時(shí)對(duì)不同墊板剛度下彈性軌枕的動(dòng)力響應(yīng)和不同速度下兩種軌道的動(dòng)力 響應(yīng)也進(jìn)行分析。分析表明彈性軌枕不僅能減少道床的振動(dòng)加速度和振動(dòng)能 量，而且還能降低軌道的動(dòng)力響應(yīng)作用頻率、減少道床和路基的壓應(yīng)力。 以上工作表明，彈性軌枕是目前我國(guó)高速重載有碴軌道強(qiáng)化的一項(xiàng)有效 的技術(shù)對(duì)策。它的工程應(yīng)用不僅在既有提速線上，而且在新建高速線路上都 將發(fā)揮更加重要的作用。 關(guān)鍵詞：彈性軌枕：枕下墊板：有碴軌道；試驗(yàn)；車(chē)輛一軌道耦合動(dòng) 力學(xué) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第1 i 頁(yè) a b s t r a c t b a l l a s t e dt r a c ki sab a s i ct r a c ks t r u c t u r eu s e do nt h er a i l w a yl i n e si nc h i n a t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so fs o c i e t ya n de c o n o m y ，t r a i n sh a v eb e e ns p e e d u p f i v et i m e so nt h ee x i s t i n gr a i l w a yl i n e s ，a n dn o wt h ed e p a r t m e n t so fr a i l w a ya r e m a k i n gp r e p a r a t i o n sf o rt h es i x t h ，a tt h es a m et i m et h eh i g hs p e e dl i n e sf o r p a s s e n g e rt r a n s p o r ta r ep r e p a r e dt ob ec o n s t r u c t e di no r d e r s ot h ec o n v e n t i o n a l b a l l a s t e dt r a c km u s tb ei n t e n s i f i e df o rh i g hs p e e da n dh e a v yh a u lr a i l w a yl i n e ， t h i si sac h a n c ef o rt h ee l a s t i cs l e e p e r s l e e p e rp a d sa r er e s i l i e n te l a s t i cp a d sw h i c ha r em o u n t e do nt h eb a s eo ft h e s l e e p e r s i nt h i st h e s i s ，t h em a t e r i a l 、p h y s i c a lp e r f o r m a n c ea n ds h a p eo fs l e e p e r p a d sa r es t u d i e d ，t h es l e e p e rp a d ss t i f f n e s si sc a l c u l a t e da p p r o x i m a t e l y ，a n dh o w t op r o d u c et h ee l a s t i cs l e e p e ri sa l s od i s c u s s e d b yt h ec o n t r a s tt e s ti ts h o w st h a t t h eb a l l a s tl a t e r a lr e s i s t a n c e 、t h es l e e p e rs u p p o r t i n gs t i f f n e s s 、t h es l e e p e rl o a d m o m e n t 、t h eb a l l a s ts u b s i d e n c ec h a r a c t e ra n dt h es l e e p e rp a d sf a t i g u ew e a r c a p a b i l i t yo fe l a s t i cs l e e p e ra r em o r ee x c e l l e n tt h a nt h e s eo fc o n v e n t i o n a l s l e e p e r t h ep r o g r a mi sa c c o m p l i s h e do nt h eb a s eo fv e h i c l ea n dt r a c kc o u p l i n g d y n a m i c st h e o r y ，a p p l y i n g t h i sp r o g r a mt h ed y n a m i c a lr e s p o n s e so fe a c h c o m p o n e n ti nt h ev e h i c l ea n dt r a c ks y s t e mw e r ec a l c u l a t e da n di nd e s p i t eo f e l a s t i cs l e e p e rt r a c ko rc o n v e n t i o n a ls l e e p e rt r a c k t h e s ed y n a m i c a lr e s p o n s e s w e r eb ea n a l y z e do n eb yo n ef o rt h et w ok i n d st r a c k ，a l s oc o n t r a s t e dp o w e r s p e c t r a ld e n s i t yo ft h ep a r to fr e s p o n s e s ，a n dr e s e a r c h e dt h et r e n d o fa l l d y n a m i c a lr e s p o n s e sw i t ht h es l e e p e rp a d ss t i f f n e s sc h a n g e d o rt h et r a i ns p e e d r a i s e d i tr e d u c e st h ea v e r a g el o a do nt h eb a l l a s ta n dt h es u b g r a d ew h i c ha x l e l o a d sa r ed i s t r i b u t e do v e rag r e a t e rn u m b e ro fs l e e p e r s ，a n dr e d u c e st h ed i r e c t d y n a m i cf o r c e sa n dv i b r a t i o n so nb a l l a s ta n dh e l p sp r e v e n tt r a c ks u b s i d e n c e s o t h ee l a s t i cs l e e p e rc a ni m p r o v et h el o n g t e r ml i f ec y c l eo ft h et r a c ks t r u c t u r ea n d t h eb a l l a s t l o w e rl o a d so nt h eb a l l a s tl e a d st os l o w e rd e t e r i o r a t i o no f t h eb a l l a s t f r o mw e a ra n db r e a k i n gu p c o n s e q u e n t l y ，s e t t l i n go ft h eb a l l a s ti sr e d u c ew h i c h h e l p sp r e v e n tp r o b l e m s a s s o c i a t e dw i t ht r a c ks u b s i d e n c e t h i sa l l o w sf o r 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第1 i i 頁(yè) c o n s i d e r a b l es a v i n g so i lt r a c km a i n t e n a n c ec o s t s t h ew o r ke n u m e r a t e da b o v es h o w st h a tt h ee l a s t i cs l e e p e ro f f e re x c e l l e n t e l a s t i cp r o p e r t i e sf o rb a l l a s t e dt r a c k b a l l a s ti ss u b j e c t e dt op a r t i c u l a r l yi n t e n s e d y n a m i cl o a d si nb r i d g e sa n dc i v i lw o r k sf o rh i g h s p e e dl i n e sa n di nt h ea r e a s a r o u n ds w i t c h e s a p p l i c a t i o n so ft h ee l a s t i cs l e e p e rh a sp r o v e nt ob e a n e s p e c i a l l ye f f e c t i v es o l u t i o nf o rh i g h s p e e da n dh e a v y - h a u lb a l l a s t e dt r a c k k e y w o r d s ：e l a s t i cs l e e p e r ；s l e e p e rp a d s ；b a l l a s t e dt r a c k ；t e s t ；v e h i c l e t r a c k c o u p l i n gd y n a m i c s 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁(yè) 1 1 引言 第1 章緒論 隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，鐵路建設(shè)已進(jìn)入了一個(gè)空前的發(fā)展時(shí) 期?，F(xiàn)代鐵路運(yùn)輸對(duì)軌道的高平順性、高穩(wěn)定性、高耐久性的要求越來(lái)越嚴(yán) 格。有碴軌道在長(zhǎng)期的高速重載列車(chē)載荷反復(fù)作用下已達(dá)到承載能力的極 限，表現(xiàn)在碎石道床的破壞不斷加劇，可用的維修時(shí)間越來(lái)越少。為此，不 得不采取鋪設(shè)重型軌和重型枕來(lái)強(qiáng)化有碴軌道的技術(shù)對(duì)策。這雖然有利于提 高軌道的穩(wěn)定性，有利于保持軌道狀態(tài)的持久均衡性，以及有利于高速行車(chē) 和既有線提速的實(shí)施，但另一方面，軌道剛度也會(huì)隨之增大。軌道剛度過(guò)大， 只要車(chē)輪踏面或軌道表面有微小的不平順，輪軌相互動(dòng)力作用就十分敏感， 并且隨著列車(chē)速度和軸重的提高而急劇增長(zhǎng)和惡化，同時(shí)由此引發(fā)的軌道振 動(dòng)噪聲，其影響在城市周邊更為突出。 特別是在橋梁和隧道等剛性基礎(chǔ)上的有碴軌道，因道床厚度不足，混凝 土枕軌道剛度過(guò)大，道碴粉化速率過(guò)快，道床翻白、板結(jié)嚴(yán)重，甚至道碴出 現(xiàn)“液化”現(xiàn)象，大大增加了養(yǎng)護(hù)維修工作量及其費(fèi)用，嚴(yán)重影響行車(chē)的安 全與平穩(wěn)性。急需尋求一種有效的技術(shù)對(duì)策，改善和強(qiáng)化有碴軌道。以往雖 曾采取過(guò)增大軌下墊板厚度的措施，但尚難以得到根本性改變，同時(shí)還會(huì)受 到橋隧相連地段軌道標(biāo)高的制約。 為此，以降低有碴軌道的軌道剛度，提高軌道彈性，緩和列車(chē)沖擊作用， 減輕道床振動(dòng)，減少道碴粉化，防止鋼軌波磨、減輕養(yǎng)路工作量、延長(zhǎng)軌道 維護(hù)周期和降低軌道振動(dòng)噪聲為主要目的，彈性軌枕的研發(fā)與應(yīng)用，已成為 當(dāng)今高速重載有碴軌道強(qiáng)化的一個(gè)重大技術(shù)動(dòng)向”1 。 日本新干線從上世紀(jì)7 0 年代開(kāi)始在高架橋有碴軌道上試鋪彈性軌枕以 取代碴下橡膠墊板，目前正在向彈性軌枕化方向發(fā)展；德國(guó)高速線規(guī)定在有 碴橋上設(shè)置碴下膠墊，并在格羅茲( g r o t z ) 軌道上開(kāi)展過(guò)有關(guān)枕下彈性墊板 的研發(fā)工作”1 。奧地利格茲耐爾( g e t z n e r ) 公司研發(fā)并成功應(yīng)用了性能完善、 可滿(mǎn)足特殊需要的彈性軌枕。彈性軌枕已在世界上許多國(guó)家中使用”3 。 我國(guó)自上世紀(jì)8 0 年代初開(kāi)始研制彈性軌枕，并先后在沈陽(yáng)局、北京局、 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第2 頁(yè) 上海局和成都局正線鋼軌接頭處進(jìn)行過(guò)試鋪試驗(yàn)，取得了良好效果”1 。在此 基礎(chǔ)上，鐵道部于1 9 9 5 年制訂了鐵路混凝土軌枕枕下彈性墊板標(biāo)準(zhǔn) f t b 2 6 2 9 - - 1 9 9 5 ) 。在2 0 0 4 年發(fā)布的京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定( 鐵建 f 2 0 0 4 15 7 號(hào)) 中，又明文規(guī)定了在有碴橋上和隧道內(nèi)“道碴下應(yīng)鋪設(shè)碴下膠 墊或采用彈性軌枕”的規(guī)定。 2 0 0 4 年1 月國(guó)務(wù)院審議通過(guò)了我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，提出了“擴(kuò) 大規(guī)模，完善結(jié)構(gòu)，提高質(zhì)量，快速擴(kuò)充能力，迅速提高裝備水平”的發(fā)展 目標(biāo)。規(guī)劃到2 0 2 0 年，全國(guó)鐵路網(wǎng)基本建成，營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到1 0 萬(wàn)公里以 上，客運(yùn)專(zhuān)線、高速鐵路達(dá)到1 0 0 0 0 公里，城市軌道交通達(dá)到4 0 0 0 公里左 右，主要技術(shù)裝備達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平”1 。今年是實(shí)施中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng) 規(guī)劃的第二年，鄭西、武廣、石太、京津城際等4 個(gè)客運(yùn)專(zhuān)線建設(shè)項(xiàng)目已 進(jìn)入施工準(zhǔn)備階段，同時(shí)也是第六次大面積提速調(diào)圖的準(zhǔn)備年。第六次大面 積提速后，全路時(shí)速1 2 0 公里以上的線路延展長(zhǎng)度將達(dá)到2 2 0 0 0 多公里，其 中5 3 0 0 多公里將達(dá)到時(shí)速2 0 0 公里“1 。 為適應(yīng)既有線提速改造、興建高速客運(yùn)專(zhuān)線和城市軌道交通的客觀發(fā)展 需求，根據(jù)我國(guó)鐵路網(wǎng)發(fā)展的實(shí)際情況，立足國(guó)產(chǎn)化，吸收國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和 技術(shù)，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并為強(qiáng)化有碴軌道提供可 靠的技術(shù)支持，本文以此為契機(jī)，開(kāi)展了有關(guān)彈性軌枕的理論與試驗(yàn)研究工 作，以期通過(guò)彈性軌枕的成型研究、基礎(chǔ)試驗(yàn)、動(dòng)力仿真分析等理論與試驗(yàn) 研究，為我國(guó)高速重載有碴軌道的強(qiáng)化尋求有效的技術(shù)對(duì)策”1 1 2 國(guó)內(nèi)外鐵路彈性軌枕的應(yīng)用 1 2 1 我國(guó)既有線彈性軌枕的應(yīng)用 1 鐵道科學(xué)研究院的測(cè)試結(jié)果 為比較彈性軌枕與普通軌枕有碴軌道的使用效果，鐵科院曾于1 9 9 1 年 對(duì)試鋪在長(zhǎng)大線和石太線上的這兩種軌道進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)和動(dòng)力測(cè)試，其結(jié) 果要點(diǎn)如下”1 ： f 1 、彈性軌枕軌道鋼軌磨耗為0 0 1 7 m m m t ，普通軌枕軌道為 o 0 2 9 m m m t ，約降低4 l 。 f 2 ) 彈性軌枕軌下截面荷載力矩低于普通軌枕約5 k n m 。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁(yè) ( 3 ) 經(jīng)試鋪兩年后的觀測(cè)，彈性軌枕軌道道床殘余變形積累下沉量平均 為3 2 8 m m ，普通軌枕軌道為l1 2 8 m m ，約減少7 0 。 ( 4 ) 經(jīng)試鋪三年后道床清篩的觀測(cè)，彈性軌枕軌道道碴粉化率為 1 1 5 9 ，普通軌枕軌道為2 0 8 5 ，約降低4 4 。 ( 5 ) 調(diào)查表明，未鋪設(shè)枕下墊板的鋼軌接頭一個(gè)星期要保養(yǎng)一次，而鋪 設(shè)以后，半年甚至一年不需進(jìn)行保養(yǎng)。一般可減少養(yǎng)護(hù)維修工作量4 0 ，節(jié) 省材料消耗量9 0 ，預(yù)計(jì)可延長(zhǎng)線路大中修周期3 5 年。 2 西南交通大學(xué)的測(cè)試結(jié)果 西南交大曾于1 9 9 2 年對(duì)攀礦密蘭線重載礦山鐵路鋼軌接頭部位混凝土 枕枕底有無(wú)枕下墊板進(jìn)行了動(dòng)力測(cè)試統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果要點(diǎn)如下”“： f 1 ) 有比無(wú)枕下墊板軌道的輪載變動(dòng)約降低3 。 ( 2 ) 有枕下墊板的軌下基礎(chǔ)彈性系數(shù)為2 1 9 m p a ，無(wú)枕下墊板為 2 8 6 m p a ，平均約降低2 3 。 3 基本結(jié)論 理論研究和試鋪試驗(yàn)結(jié)果表明，鋪設(shè)彈性軌枕尤其是在鋼軌接頭部位使 用，不僅改善了列車(chē)沖擊振動(dòng)在有碴軌道結(jié)構(gòu)中的傳遞特性，也改善了道床 的振動(dòng)響應(yīng)特性，顯現(xiàn)出明顯的隔振、減振效果。此外，對(duì)于減輕枕底道碴 粉化，減小道床殘余變形積累速率，提高道床穩(wěn)定性，減少軌道維修工作量 等都十分有利。 1 2 2 日本新干線彈性軌枕的應(yīng)用 1 研發(fā)概況 日本新干線高架橋上有碴軌道為減少養(yǎng)護(hù)維修工作量和降低振動(dòng)噪聲， 從上世紀(jì)7 0 年代開(kāi)始研制試鋪彈性軌枕以來(lái)，經(jīng)歷了由初始型一標(biāo)準(zhǔn)型一 實(shí)用型一廉價(jià)型彈性軌枕的試鋪試驗(yàn)過(guò)程，取得了良好的效果，目前正向著 撤除碴下墊層而改用彈性軌枕化的方向發(fā)展”。”1 。 1 9 7 6 年首先在山陽(yáng)新干線新神戶(hù)西明石間試鋪初始型彈性軌枕。它 是在既有3 t 型混凝土枕的底面和側(cè)面的模板內(nèi)注入液態(tài)氨基甲酸乙酯橡膠 ( 尿烷合成橡膠) 模壓成型。試鋪試驗(yàn)結(jié)果表明，與其相鄰區(qū)間設(shè)有碴下膠墊 的軌道比較，彈性軌枕軌道的輪載變動(dòng)、軌道和結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)、高架橋下的 噪聲、碎石道碴的粉化、軌道養(yǎng)護(hù)維修工作量等均有明顯減少，軌道不平順 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁(yè) 的發(fā)展僅為比較軌道的1 4 ，為同山以西標(biāo)準(zhǔn)軌道的1 2 。隨后又在東北新干 線的小山地區(qū)、東海道正線的大高高架橋上的試鋪試驗(yàn)，也取得了同樣期望 的效果。 為此，在充分發(fā)揮已取得的少維修化和減振降噪效果的同時(shí)，考慮到新 干線的廣泛應(yīng)用，以大幅度降低成本和提高耐久性為主要目的，又研發(fā)了標(biāo) 準(zhǔn)型彈性軌枕，并于1 9 8 5 年試鋪在東海道新干線靜岡地區(qū)東森下町直線高 架橋上，也取得了所期望的良好效果。 隨后，從改善新干線的環(huán)保對(duì)策出發(fā)，為防止橋梁、隧道和道床厚度不 足地段列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)噪聲，以及考慮到今后大量鋪設(shè)的需求，研發(fā) 試鋪了實(shí)用型( 4 t 型) 彈性軌枕，并于1 9 8 8 年在東海道新干線名古屋地區(qū)三 河安城名古屋間下行線曲線f r = 2 5 0 0 m ) 高架橋上進(jìn)行了試鋪試驗(yàn)；由于防 止振動(dòng)噪聲效果顯著，又在名古屋地區(qū)作為減振降噪對(duì)策區(qū)間鋪設(shè)了2 8 k m 彈性軌枕。1 9 8 9 年又試鋪在東海道新干線野州地區(qū)米原京都間上行線曲 線( r = 1 0 0 0 0 m ) 高架橋上，并作為新干線3 0 0 系車(chē)輛行駛速度2 7 0 k m h 的試 驗(yàn)區(qū)間。 2 彈性軌枕的斷面形狀 日本新干線高架橋上有碴軌道彈性軌枕有3 t 、4 t 型和3 h 、4 h 型。 新干線初始型彈性軌枕是在既有的3 t 型混凝土枕的底面和側(cè)面覆置彈 性橡膠層。標(biāo)準(zhǔn)型彈性軌枕是以4 h 型混凝土枕為基礎(chǔ)經(jīng)改進(jìn)制作的。實(shí)用 型彈性軌枕是以4 t 型混凝土枕為基礎(chǔ)經(jīng)改進(jìn)制作的( 圖1 1 ) 。為防止軌枕側(cè) 面上部道碴因振動(dòng)而磨損，改以往混凝土枕兩側(cè)面傾斜斜坡為近于垂直狀： 為防止搗固桿碰撞軌枕頂部?jī)蓚?cè)隅角而做成小斜坡：為防止列車(chē)通過(guò)時(shí)因振 動(dòng)與道碴的摩擦及因道床搗固作業(yè)而使彈性橡膠層剝離、損傷，又事先將粘 著彈性橡膠層部分的軌枕底部做成缺口。 近年來(lái)，為了降低新造彈性軌枕的造價(jià)和推進(jìn)既有混凝土枕的彈性化， 又開(kāi)發(fā)了只在軌枕底面覆置彈性橡膠墊板的廉價(jià)型彈性軌枕。對(duì)于新造彈性 軌枕可在灌注水泥灰漿的同時(shí)，安置硫化橡膠墊板或注入尿烷合成橡膠模壓 成型。對(duì)于既有混凝土枕，可在枕底鉆孔用錨桿固定再生橡膠或硫化橡膠墊 板，或在枕底設(shè)置模板注入尿烷合成橡膠模壓成型。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第5 頁(yè) 廑霸芷整基建。 隧垂 圖l i 新干線有碴軌道實(shí)用型彈性軌枕( 4 t 型1 3 防振橡膠層 ( 1 ) 防振橡膠層的形狀 為盡量減少成本昂貴的防振橡膠彈性材料的用量，改以往在軌枕側(cè)面幾 乎全部粘貼橡膠彈性層的作法為主要以軌枕底面為主，底層厚度1 5 m m ，而 在側(cè)面為防止彈性層剝離而采用必要的最小高度，距枕底6 5 1 1 0 m m ，厚度 1 0 m m 。 ( 2 ) 防振橡膠層的靜剛度目標(biāo)值 根據(jù)對(duì)彈性軌枕的制作、試鋪試驗(yàn)和防振效果的評(píng)估認(rèn)為，彈性軌枕的 防振效果與道床搗固作業(yè)性?xún)烧呤窍嗷?duì)立的，因而防振橡膠層的靜剛度仍 采用大致等同新干線小山綜合試驗(yàn)線的試鋪試驗(yàn)值，即以標(biāo)準(zhǔn)試件( 1 0 0 x 1 0 0 x 2 5 m m ) 靜剛度9 m n m 為標(biāo)準(zhǔn)。碴上實(shí)尺彈性軌枕的靜剛度實(shí)測(cè)目標(biāo)值為 4 0 m n m ，每組扣件的軌道靜剛度為2 0 m n m 。 ( 3 ) 防振橡膠材料 可供選用的防振橡膠材料有再生橡膠、硫化橡膠和尿烷合成橡膠。 經(jīng)對(duì)其防振性、耐久性、量產(chǎn)性、經(jīng)濟(jì)性等的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果認(rèn)為，在尿 烷合成橡膠表層增設(shè)聚酯纖維的反應(yīng)噴射( r i m ) 模塑成型方式為優(yōu)，因?yàn)椋?它抗道床碎石棱角的局部應(yīng)力強(qiáng)( 超過(guò)3 m p a ) ，三角錐試驗(yàn)( 8 0 。c ，7 h ，壓入 1 0 r a m ) 無(wú)裂痕，無(wú)凹陷，防止振動(dòng)噪聲性能優(yōu)良，使用壽命長(zhǎng)，易于批量生 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁(yè) 產(chǎn)。 4 彈性軌枕的耐久性試驗(yàn) 圖1 2 為彈性軌枕和普通軌枕兩種軌道的下沉量與載荷重復(fù)作用次數(shù) 的試驗(yàn)結(jié)果，據(jù)此可見(jiàn)，3 h c 型混凝土枕標(biāo)準(zhǔn)有碴軌道與各種類(lèi)型的彈性軌 枕有碴軌道的初始下沉量有很大的不同，前者約為15 m m ，后者僅為1 5 r a m ， 相差1 0 倍之多。在初始下沉結(jié)束后，3 h c 型混凝土枕標(biāo)準(zhǔn)有碴軌道直至載 荷重復(fù)作用次數(shù)達(dá)到2 0 0 萬(wàn)次f 相當(dāng)于通過(guò)運(yùn)量4 7 m t ) 時(shí)，仍繼續(xù)有較大的下 沉。而彈性軌枕有碴軌道，在荷載重復(fù)作用次數(shù)3 0 萬(wàn)次左右就趨于下沉曲 線的漸近直線了，直到換算通過(guò)運(yùn)量達(dá)2 1 0 m t 時(shí)，道床下沉量仍然較小， 說(shuō)明彈性軌枕的耐久性沒(méi)有問(wèn)題。 圖1 2 彈性軌枕與普通軌枕有碴軌道下沉曲線的比較 當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，取出供試彈性軌枕， 成型的防振橡膠層的檢查表明，無(wú)壓痕， 好的耐久性性能。 經(jīng)對(duì)采用聚酯纖維補(bǔ)強(qiáng)r i m 模塑 無(wú)折損，更無(wú)剝離現(xiàn)象，顯示出良 5 彈性軌枕道床橫向阻力試驗(yàn) 圖1 3 為3 號(hào)混凝土枕和底面形狀與其相同的彈性軌枕的道床橫向阻力 實(shí)測(cè)比較。彈性軌枕最終的道床橫向阻力雖與普通混凝土枕相同，但當(dāng)軌枕 位移較小時(shí)，同位移的道床橫向阻力卻比普通混凝土枕小。這是因和道床 碎石相接觸的防振橡膠層的彈性變形所致。 在這種道床橫向阻力條件下，通過(guò)圖1 4 給出的用能量法計(jì)算的軌溫 上升量與軌道橫向變形的關(guān)系可知，彈性軌枕有碴軌道最低臌曲強(qiáng)度的大致 目標(biāo)在c 點(diǎn)，與普通混凝土枕沒(méi)什么不同，但對(duì)軌道臌瞌有足夠儲(chǔ)備的a 點(diǎn)來(lái)說(shuō)，軌溫上升量卻比普通混凝土枕低。然而，對(duì)以3 t ( 4 t ) 型為基本類(lèi) 型構(gòu)成的新干線彈性軌枕有碴軌道，是能夠確保橫向位移2 m m 時(shí)道床橫向 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁(yè) 阻力值的，對(duì)于軌道臌曲穩(wěn)定性沒(méi)有特別的問(wèn)題。 j 圖1 3 彈性軌枕道床橫向阻力 慨 。 n 壓鄉(xiāng) 歹一 鼻性# l 拄 鼽枕慎目位移( m ) 圖1 - 4 彈性軌枕有碴軌道臌曲穩(wěn)定性 6 彈性軌枕的試鋪試驗(yàn)效果 ( 1 ) 靜岡地區(qū)的試鋪效果 根據(jù)對(duì)東海道新干線下行線東森下盯直線高架橋( 高度約7 m ) t 試鋪前 3 t c 型混凝土枕十碴下墊層與試鋪后3 h 型彈性軌枕兩種軌道減振降噪實(shí)測(cè) 效果的比較可知，鋼軌加速度無(wú)論是在非焊縫還是焊縫處，試鋪后雖比試鋪 前高出i 2 d b ，但道床加速度卻恰恰相反，由于鋪設(shè)彈性軌枕比普通軌枕約 降低7 d b ，而鋼軌和道床的振動(dòng)加速度之差，試鋪前為3 7 d b ，試鋪后為4 6 d b ， 兩者相差9 d b ，表明道床振動(dòng)水平的降低，這也有利于降低地面的振動(dòng)與傳 播。至于高架橋下0 3 m 處的噪聲級(jí)，鋪設(shè)彈性軌枕后，在非焊接縫處約降 低2 d b ( a ) ，焊縫處約降低1 d s ( a ) 。顯然，若鋪設(shè)彈性軌枕便可撤除碴下膠 墊。 ( 2 ) 名古屋地區(qū)的試鋪效果 1 ) 地面振動(dòng)降低效果 實(shí)測(cè)列車(chē)通過(guò)時(shí)兩種軌道在高架橋柱傍和距高架橋2 5 m 處地面垂向振 動(dòng)級(jí)及其距離衰減效果的比較如下： 隨著列車(chē)速度的提高，地面減振效果越明顯； 地面減振效果在高架橋柱傍和距高架橋2 5 m 處基本是相同的，當(dāng)列 車(chē)速度為2 0 0 k m h 時(shí)約降低3 d b 。 地面減振效果頻譜分析表明，在1 0 2 5 h z 和5 0 h z 以上頻域減振效果 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁(yè) 明顯。 2 ) 軌道振動(dòng)降低效果 實(shí)測(cè)列車(chē)通過(guò)時(shí)兩種軌道減振效果的比較如下： 道床振動(dòng)加速度級(jí)的降低效果，當(dāng)列車(chē)速度為2 2 0 k m h 時(shí)，非鋼軌 焊縫處約為8 d b ，焊縫處約為5 d b 。 高架橋中心振動(dòng)加速度級(jí)的降低效果，當(dāng)列車(chē)速度為2 2 0 k m l t 時(shí)， 非鋼軌焊縫處約為3 d b 。 3 ) 軌道少維修效果 為了解彈性軌枕有碴軌道試鋪前后軌道養(yǎng)護(hù)維修的狀態(tài)，利用新干線電 氣軌道綜合試驗(yàn)車(chē)，對(duì)長(zhǎng)2 8 k m 的全高架橋區(qū)間( 直線和r 2 5 0 0 m ) 軌道高低、 軌向不平順發(fā)展進(jìn)行的調(diào)查結(jié)果可知，每百日軌道不平順發(fā)展平均值，高低 不平順試鋪前為o 3 6 r a m ，試鋪后為0 2 5 r a m ：軌向不平順試鋪前為o 3 3 m m ， 試鋪后為0 1 4 r a m ，可見(jiàn)，彈性軌枕有碴軌道具有良好的少維修效果。 ( 3 ) 野洲地區(qū)的試鋪效果 對(duì)3 0 0 系高速列車(chē)以2 7 0 k m h 速度行駛，彈性軌枕的減振效果如下： 地面振動(dòng)降低效果顯著，即使是走行速度2 7 0 k m h 也與現(xiàn)行運(yùn)營(yíng)速 度2 2 0 k m h 時(shí)試鋪前的振動(dòng)級(jí)相同，甚至還低。 在非鋼軌焊縫處走行速度2 7 0 k m h 時(shí)鋼軌壓力約降低1 0 k n ，這是由 于彈性軌枕的彈性使鋼軌壓力分散的結(jié)果。 在非鋼軌焊縫處走行速度2 7 0 k m h 時(shí)道床振動(dòng)加速度級(jí)約降低 3 - 4 d b 。并且，鋪設(shè)彈性軌枕后在走行速度2 7 0 k m h 條件下的道床振動(dòng)加速 度級(jí)比試鋪前的振動(dòng)加速度級(jí)還低。 1 3 本論文的主要工作 有碴軌道是目前我國(guó)鐵路最主要的軌道結(jié)構(gòu)型式。由于我國(guó)人口多，幅 員遼闊，僅有的鐵路營(yíng)業(yè)線路根本不能滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)日益增長(zhǎng)的需求，作為 鐵路行車(chē)基礎(chǔ)的有碴軌道結(jié)構(gòu)一直處于滿(mǎn)負(fù)荷工作狀態(tài)。到目前，我國(guó)鐵路 已經(jīng)進(jìn)行了五次大面積提速，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)一步需要，鐵路正在跨越 式的向高速、重載方向發(fā)展。由此，傳統(tǒng)的有碴軌道在高速、重載條件下必 須進(jìn)行強(qiáng)化處理，這為彈性軌枕的工程應(yīng)用提供了良好的契機(jī)”“。 日本在7 0 年代開(kāi)始研制彈性軌枕，7 0 年代中后期在線路上進(jìn)行試鋪， 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁(yè) 并取得了良好的效果。奧地利、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家現(xiàn)在已經(jīng)將彈性軌枕產(chǎn)品 化。而我國(guó)雖然在早期對(duì)彈性軌枕進(jìn)行過(guò)初步研究，但尚未形成系統(tǒng)，更沒(méi) 有推廣使用。本論文基于此基礎(chǔ)作如下幾個(gè)方面的工作： 1 根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研制成型彈性軌枕。對(duì)枕下墊板材料、物理力學(xué)性能、 外觀形狀等進(jìn)行研究和比選：從理論上對(duì)枕下墊板試樣靜剛度進(jìn)行近似計(jì) 算；提出彈性軌枕成型方案和彈性軌枕制作成型工藝流程。 2 ，對(duì)制成的彈性軌枕和普通軌枕分別進(jìn)行室內(nèi)基礎(chǔ)試驗(yàn)，通過(guò)靜載和 動(dòng)載試驗(yàn)比較兩種軌枕的道床橫向阻力、軌枕支承剛度、軌枕荷載力矩、道 床的下沉特性和枕下墊板的疲勞耐久性能。 3 采用車(chē)輛軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，計(jì)算出彈性軌枕有碴軌道與普通 軌枕有碴軌道在相同工況下輪軌系統(tǒng)各個(gè)部件的動(dòng)力響應(yīng)。對(duì)兩種軌道結(jié)構(gòu) 的動(dòng)力響應(yīng)逐項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)部分動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行功率譜分析，同時(shí)對(duì) 不同墊板剛度下彈性軌枕的動(dòng)力響應(yīng)和不同速度下兩種軌道的動(dòng)力響應(yīng)也 進(jìn)行分析。 4 分析彈性軌枕的工程應(yīng)用前景。從彈性軌枕降低道床振動(dòng)加速度、 減少道床和路基的壓應(yīng)力，有效地保護(hù)碎石道床，延緩道床的變形和破損方 面結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和動(dòng)力學(xué)性能仿真分析結(jié)果，分析說(shuō)明彈性軌枕在既有 提速線上和在新建高速線路上的應(yīng)用前景。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁(yè) 第2 章彈性軌枕的成型研究 彈性軌枕的關(guān)鍵部件是枕下墊板，其材質(zhì)一般為橡膠。如何將混凝土 軌枕和橡膠墊板兩種性質(zhì)完全不同的物體合而為，并且還能在長(zhǎng)期的高速 重載列車(chē)反復(fù)作用下保持良好的彈性性能，且墊板與軌枕結(jié)合牢固不分離， 這也是彈性軌枕在成型之初必須研究的問(wèn)題。為了使彈性軌枕的彈性性能盡 可能地保持長(zhǎng)久，枕下墊板材料的選擇是關(guān)鍵所在。以往國(guó)外鐵路曾經(jīng)選用 過(guò)硫化橡膠、尿烷合成橡膠等，但由于制作成本太高推廣使用很困難，故在 廣泛參考橡膠材料物性及其經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上選擇三元乙丙( e p d m ) 橡膠作為 彈性軌枕枕下墊板材料”“。在制作成型方面主要考慮了兩種成型方法，- - e e 為粘結(jié)成型，另一種為錨固成型。并通過(guò)試驗(yàn)比較兩種成型方法在成型工藝 和粘結(jié)牢固方面的優(yōu)劣。 2 1 彈性軌枕枕下墊板技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 2 1 1 枕下墊板技術(shù)要求 1 外觀質(zhì)量 枕下墊板應(yīng)表面平整、邊緣整齊，外觀質(zhì)量符合表2 1 的規(guī)定。外觀 檢查可用目測(cè)、鋼板尺和游標(biāo)卡尺進(jìn)行”。 表2 - 1 枕下墊板的外觀質(zhì)量 缺陷名稱(chēng)要求 缺角在四個(gè)角上的缺角總面積不得大于1 0 0 m m 2 。 。在兩個(gè)工作面上因雜質(zhì)、氣泡、水紋、悶氣造成的缺膠面積每處有不得大 缺膠 于1 0 0 r a m 2 、深度不得大于l m m 的缺陷，且每塊墊板缺膠不得超過(guò)三處。 在工作面上不允許有海綿狀物；在四個(gè)角上允許有不超過(guò)缺角允許限度的 海綿狀物 海綿狀物。 2 物理機(jī)械性能 橡膠材料因?yàn)槭菐追N化學(xué)材料通過(guò)化學(xué)作用有機(jī)地結(jié)合在一起，其成 分比例、化合溫度、硫化時(shí)間等都會(huì)影響橡膠墊板的物理機(jī)械性能，所以對(duì) 其物性必須通過(guò)試樣試驗(yàn)嚴(yán)格控制。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)枕下橡膠墊板的物理機(jī)械 性能應(yīng)符合表2 2 的規(guī)定。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 1 頁(yè) 表2 2 枕下墊板的物理機(jī)械性能 序號(hào)項(xiàng)目單位要求試驗(yàn)方法 1 邵爾a 型硬度 7 5 8 5g b 5 3 1 2 靜剛度m n m4 0 6 0t b 2 6 2 9 3恒定壓縮永久變形墨2 5g b l 6 8 3 4 拉伸強(qiáng)度 m p a 三6 g b 5 2 8 5 扯斷伸長(zhǎng)率三15 0g b 5 2 8 6撕裂強(qiáng)度n e r a 2 5 0g b 5 2 9 7 橡膠成份定性分析 e p d m g b 7 7 6 4 外觀無(wú)龜裂 將正三角錐9 0 。頂點(diǎn)壓入7 m m 8耐棱性能7 0 、2 4 h 熱處理， 深度 m ms 4 室溫下放置1h 后測(cè)定 拉伸強(qiáng)度m p a三4 5 9耐熱性能g b 3 5 i2 扯斷伸長(zhǎng)率蘭l0 0 拉伸強(qiáng)度 m p a蘭4 5 在蒸餾水中室溫下 10耐水性能 扯斷伸長(zhǎng)率蘭10 0浸漬9 6 h 后測(cè)定 拉伸強(qiáng)度 m p a三4 5 在氫氧化鈣飽和溶液中 l l 耐堿性能 扯斷伸長(zhǎng)率 蘭l0 0 室溫下浸漬9 6 h 后測(cè)定 耐疲勞外觀 無(wú)撕裂 1 2 無(wú)剝離 t b 2 6 2 9 性能 殘余壓陷量 m m s 4 2 1 2 枕下墊板驗(yàn)收規(guī)則 ( 1 ) 產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 枕下墊板的驗(yàn)收應(yīng)按批進(jìn)行。相同原材料、配方和工藝生產(chǎn)的枕下墊 扳為一批。 枕下墊板產(chǎn)品質(zhì)量采用g b 2 8 2 8 規(guī)定的正常檢查二次抽樣方案，以缺 陷數(shù)表示批的質(zhì)量。檢查水平( i l ) 和合格質(zhì)量水平( a q l ) 應(yīng)符合表2 3 的規(guī) 定。 f 2 ) 枕下墊板質(zhì)量一致性檢驗(yàn)由制造廠的技術(shù)檢驗(yàn)部門(mén)進(jìn)行，逐批檢驗(yàn) 表2 - 3 中帶號(hào)以外的各項(xiàng)次。 ( 3 ) 枕下墊板交貨驗(yàn)收，供需雙方對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有異議時(shí)，可從該批產(chǎn)品