［DOI］10.／ 1 概 述 根据铁路运营经验和对轨道破坏机理的研究，铁路轨道是一个不完全的工程结构物，它与其他工程结构物相比较，呈现出一个明显的工作特征，铁路轨道结构是处于边运营、边破坏、边维修的动态工程结构物，这是由于轨道的破坏力一直客观存在，轨道经常处于不稳定状态，每一趟列车通过后对轨道都将造成一定的破坏量，大运量、高密度的城市轨道铁路更加剧了对轨道的破坏力，大大增加了列车运营安全风险和轨道养护维修工作量。因此，多角度完善和强化轨道结构，实现运营行车安全与养护维修周期、工程建设投资与养护维修成本的合理匹配，才能确保城市轨道交通整体效益的最大化，确保行车安全可靠及减振降噪环保要求。［1］ 2 中等减振轨道扣件系统 铁路轨道扣件系统上是上连接车辆钢轨，传递列车轮轨冲击荷载，下连接轨道道床路基的关键部件，对铁路轨道安全、维修、运营成本有直接影响，因此选择能稳定强化轨道结构、方便轨道养护、减少轨道维修的扣件系统非常关键。GJ-III型减振扣件针对城市轨道交通线路安全舒适性及环保要求的特点，推荐对中等减振地段及普通路段的轨道系统选用由中国重工洛阳双瑞橡塑科技有限公司原创开发的新型GJ-III型减振扣件（2015年获国家火炬计划项目），［2］如图1所示：①扣件垂向刚度15+／-5kN／mm；②扣件轨头横向刚度15+／-5kN／mm；③扣件预紧力＞5kN。 图1 GJ-III型减振扣件 GJ-III型减振扣件主要由轨下弹性垫、上铁垫板、中间弹性垫、下铁垫板和绝缘自锁套等组成，具有优良的动态减振性能，属于中等减振扣件，与普通扣件相比隔振效果提高8dB以上，能有效地控制钢轨波浪磨耗的发展。该系统结构紧凑、重量轻，安装及维修方便，既可用于城市轨道交通新线铺设、旧线改造，也适用于高架线小阻力路段，具有广泛适应性。［3］ 3 GJ-III型减振扣件系统技术和安全可靠性 GJ-III型减振扣件系统在国内城市轨道交通经过近十年运行检验和不断修改完善，形成了自身鲜明的独特优势。GJ-III型减振扣件及同类减振轨道系统的主要技术参数如表1所示。 表1 GJ-III型减振扣件系统与其他同类系统主要技术参数技术参数GJ-III型减振扣件硫化型减振器梯形轨枕弹性套靴普通扣件（DTVI2、WJ-2等）系统静刚度（kN／m）10-2010-25--30-100相对隔振量dB8-103-84-83-80波磨增长dB／3-6个月015-205-205-205-10上铁垫板与下铁垫板预紧力或承轨板与基础kN5-300-010-20钢轨调高量（mm）-3-+30+20--+20轨距调整量（mm）-20-+16-12／+8---12／+8湿态工作电阻（kΩ）＞20--＞10安装高度（mm）58（标准型）80-100--46每公里造价（万元）-80施工工期短，与普通道床相同短，与普通道床相同很长长短，与普通道床相同维修更换免维修、易更换难维修可维修，维护成本高、更换困难难维修难维修 3.1 GJ-III型减振扣件系统技术 3.1.1 非粘接无螺栓可拆卸式结构 上铁垫板和下铁垫板之间的连接采用专利技术绝缘自锁套实现密封自锁，［4］现场组装和拆卸方便，便于调节及零部件更换，安装及维修费用低；上铁垫板和下铁垫板采用非粘接无螺栓密封连接能够充分发挥中间弹性垫的弹性作用，同时传递纵向和横向力及翻转力矩，系统稳定性高，耐环境污染，安全可靠。 3.1.2 扣件系统自身预紧力可调 扣件上铁垫板和下铁垫板之间的预紧力可通过自锁机构中的调整垫片进行现场调整，有效地解决了传统双层减振扣件中上铁垫板与下铁垫板之间因安装施工误差或长期运营磨损造成的离缝问题，满足线路安装调整及维修需求。可调预紧力自锁机构满足弯道及过渡段对不同钢轨扣件预压力的要求。 3.1.3 扣件上拔阻力大，安全可靠 扣件上拔力不受自锁机构影响，由锚固系统固定，上拔阻力更大，大大提高了轨道的安全系数和延长了扣件的使用寿命。 3.1.4 有效改善钢轨波磨 优化了扣件上铁垫板的固有频率及扣件系统连接刚度，有效改善钢轨波磨发展。 3.1.5 非线性弹性垫板 采用了专利技术“非线性高扭抗减振垫板”设计；低载荷低刚度，高载荷高刚度；具有过载保护功能，安全性好。 3.1.6 现场检修方便 扣件系统自锁机构设置于扣件上部，并密封防尘，所有零部件可见，方便现场检查及维修；对于自锁机构零部件调整及更换不需移动钢轨及拆卸轨距块和轨下弹性垫等，只需打开锚固螺栓（及弹条），旋转绝缘自锁套，可实现现场调节扣件预紧力或更换自锁机构零部件等。 3.1.7 低剪切锚固螺栓连接结构设计 扣件弹性系统及锚固连接系统功能分离，下铁垫板与承轨台之间设计了一层绝缘耦合垫板，扣件系统承受的横向力由下铁垫板、耦合垫板及承轨台面之间的摩擦力抵消，锚固螺栓基本不承受剪切力，安全可靠；锚固螺栓不受剪切，可减小螺栓直径或减少螺栓数量，降低工程造价。 3.1.8 强大的轨道调整能力 设置了多种轨距调整方式：轨距块及调距狭槽等；扣件下设计绝缘耦合板及调高垫板，可实现钢轨正负调高。 3.1.9 过渡段适应性 扣件系统具有良好的线路适应性，其接口类型、安装尺寸及刚度等指标，可根据要求较容易地进行设计；产品能安装于各种不同结构的轨枕或道床，也适用于道岔、接头等特殊段，可保证全线扣件的一致性。 3.1.10 多重绝缘设计 通过橡胶弹性垫、绝缘轨距块、尼龙套管、绝缘自锁套及绝缘耦合垫板等实现多重绝缘电阻抗。 3.1.11 安装与维护 GJ-Ⅲ型上部自锁预紧式双层非线性减振扣件安装与地铁常规普通扣件安装方式基本相同，扣件上铁垫板及下铁垫板和中间弹性垫通过绝缘自锁套实现出厂前预组装，现场安装将扣件和耦合垫板依次摆放于轨枕或承轨台上，先行将锚固螺栓拧紧，然后安装钢轨，摆放轨距块，安装弹条，调整轨道状态，即完成安装。该扣件系统适合从上至下的施工方法也适合从下至上的施工方法。 扣件设计免维修，对于扣件的日常养护维修无须特殊要求，可根据使用者的使用情况和养护维修条例，比照常规普通扣件进行检查和养护。 3.2 GJ-III型减振扣件可靠性 第一，GJ-III型减振扣件经验丰富、技术成熟可靠。GJ-III型减振扣件系统在中等减振应用占市场份额的90%以上，几乎所有的国内地铁都在应用。自2009年以来，在线运营300公里，在建100多公里。GJ-III型减振扣件在中等减振降噪轨道上的应用已经非常成熟，赢得了广大用户的好评和信赖。 第二，GJ-III型减振扣件根据城市轨道交通小半径大运量和少维修要求等特点及环保要求，系统更安全可靠，并有效地控制钢轨波浪磨耗的发展，大大地延长钢轨打磨等维修周期及减振降噪稳定性。 4 GJ-III型减振扣件控制钢轨横向动态位移及振动和钢轨波浪磨耗的增长 根据钢轨波浪磨耗产生和发展的机理，减缓及控制钢轨波浪磨耗需要降低轮轨柔度差及钢轨振动，特别是在轮轨系统在钢轨横向的柔度差及钢轨轨头的横向振动。 正常情况下，在中低频段车轮的动态阻抗一般比钢轨高，因此，轮轨之间的相互作用力及振动冲击会反作用回到钢轨，从而引起钢轨更大的振动。在这种频率下的振动越大，沿钢轨踏面的波浪磨耗（波峰—波谷）就会越大，反过来这种波浪磨耗又加大了对轮轨之间的激励，图2是典型的普通扣件轨道曲线段的钢轨波浪磨耗状态。所以，降低钢轨的振动幅度对控制钢轨波浪式磨耗发展非常重要。控制钢轨的振动有很多不同的方式，比如：提高钢轨的阻抗或提高钢轨阻尼。［5］ 图2 普通扣件钢轨波磨 4.1 不同横向刚度中等减振扣件的动态变形及振动水平 低刚度扣件具有较好的隔振效果，例如城市轨道交通大量使用的克隆蛋轨道减振器扣件，图3（a）是典型的克隆蛋扣件系统，扣件的弹性层由轨下弹性垫及在铸铁承轨座和铸铁安装底座之间的硫化橡胶层来提供，其垂向刚度范围由普通扣件的50～100MN／m降低到10～20MN／m，其横向刚度由普通扣件的10～20MN／m降低到4～7MN／m，但垂向刚度的降低可能会导致轨道横向刚度的大幅度下降，增加钢轨垂向变形的同时大大地增加了钢轨的横向变形，从而加剧钢轨的振动和波磨，使车辆噪声增大，舒适性降低。 GJ-III型减振扣件属于双层非线性抗扭减振扣件是利用非线性轨下弹性垫及两层底板之间非硫化非线性弹性层保证低的垂向刚度和高的轨头横向刚度（10～15MN／m），更重要的是钢轨与承轨台由弹条提供的预压力高阻抗同样通过预紧的两底板之间弹性层与道床连接，保证系统的动态阻抗及稳定性，提高钢轨的阻抗来降低钢轨的振动幅度及动态变形来控制轮轨之间的横向相对横向滑动，有效地抑制了钢轨的振动及传递，降低钢轨噪声辐射及钢轨波磨。图3（b）为GJ-III型减振扣件。 为了比较两种不同横向刚度对钢轨波浪磨耗的影响，在南京地铁一号线路某A站至某B站下行线K7+429～K7 +917区间对现有的克隆蛋扣件进行部分更换对比试验，2014年12月19日对现有路段进行钢轨打磨，2015年1月15～16日将K7+600～K7+675区间原克隆蛋减振器扣件更换为GJ-III型减振扣件。更换后对两种扣件系统在相同的运营条件（6节编组A型车）及相同时间比较钢轨的动态变形及波浪磨耗发展状态，其中钢轨波磨每月测试及跟踪比较直到下次维修打磨周期，这里给出的结果周期大约为200天（2014年12月19日到2015年7月7日）中6次波磨测试结果。试验段为同一半径350m的曲线段，车速65km／h。［6］ 钢轨轨头的横向最大动态变形如表2所示，可以看出轨头的横向动态位移在GJ-III型减振扣件地段相对克隆蛋扣件有明显的改善，波浪磨耗较严重的低轨横向位移在GJIII型减振扣件相对克隆蛋降低约1／3。表3是钢轨在两种扣件上的钢轨轨腰处横向振动对比，横向振动GJ-III型减振扣件相对克隆蛋降低3～4dB。 图3 减振扣件（钢轨打磨后） 表2 钢轨动态变形 （mm） 车速65km／h扣件 高／低轨 轨头最大横向克隆蛋高轨-1.92低轨 -2.83双层非线性高轨-1.37低轨-1.81 表3 钢轨轨腰处横向振动对比名称 克隆蛋 GJ-III型低轨垂向 114.0 106.3低轨横向 103.8 99.6高轨垂向 100.0 102.5高轨横向97.7 94.9 同时，在西安地铁二号线大明宫西站至龙首原站下行线K9+400～K9+694区间GJ-III型减振扣件与克隆蛋扣件在运营5年来的钢轨磨耗进行对比，其中钢轨波磨每月测试及跟踪比较直到下次维修打磨周期，结果与南京地铁一致。 4.2 不同横向刚度对钢轨粗糙度发展的影响 对两种等效垂向隔振效果但不同横向刚度的中等减振扣件系统克隆蛋轨道减振器和GJ-III型减振扣件安装在同一曲线半径350米的线路在线运营条件下钢轨粗糙度的发展进行实际跟踪测试，对粗糙度按行车速度进行频谱转换及A计权分析给出等效总粗糙度级并按打磨的时间天数分类如图4所示。 图4 钢轨粗糙度发展 随着时间的推移，克隆蛋扣件区间高低轨波磨明显严重，除原有发展严重的低轨波长80mm，高轨波长63mm外，低轨波长40mm波磨逐渐显现并持续加重。钢轨打磨大约200天后低轨粗糙度增加了18.3dB，高轨增加了15.2dB；对于新打磨的克隆蛋扣件区间钢轨，2个月内低轨波磨增加13.4dB，高轨波磨增加5.4dB，克隆蛋扣件钢轨波磨发展快。 GJ-III型减振扣件区间试验段也存在波磨是原有波磨在更换前的克隆蛋扣件存在，但粗糙度幅值在前四个月逐渐降低，总体上在半年运行后的波磨粗糙度水平基本没有变化。 把克隆蛋减振器扣件在不同地段按打磨后运行时间分类，对GJ-III型减振扣件波磨水平的起点仍是原来在克隆蛋减振扣件打磨18天后更换时的状态绘在同一张图3（b）中。从图中可看出克隆蛋减振器扣件低轨在打磨后第一个月增长很快，月增长10dB左右，后续增长速度减慢平均约每月2dB；高轨的波磨水平相对低轨低，并增长基本上是线性，平均每月增加2.7dB。而GJ-III型减振扣件的波磨在更换时的中等水平基础上基本上没有变化。 两种不同扣件钢轨打磨5个月后的表面状态如图5所示。 图5 钢轨打磨5个月后表面状态 通过在线比较在正常地铁运营条件下安装在曲线半径350米轨道的两种不同横向刚度中等减振扣件克隆蛋减振器及新型预紧式双层非线性减振扣件线路段钢轨横向动态变形和横向振动及其钢轨波浪磨耗发展的实际跟踪测试，测试结果发现克隆蛋减振器扣件钢轨随时间其波浪磨耗发展很快，特别在打磨后一两个月内，月增长高达10dB左右，钢轨打磨大约200天后低轨粗糙度增加18.3dB，高轨增加15.2dB；而预紧式双层非线性线减振扣件使用半年来钢轨的波浪磨耗基本没有变化。由于钢轨相对车轮的横向变形和振动直接产生轮轨接触面之间相对滑动摩擦磨损，在横向p-p频率附近较高的钢轨振动导致短波长（20～80mm）钢轨波浪磨耗的产生和发展，而在P2共振频率附近钢轨横向高柔度高振动会导致中长波长（100～300mm）钢轨波浪磨耗的加剧，通过两种不同横向刚度减振扣件上钢轨波浪磨耗的对比试验表明降低轮轨横向柔度差变及控制钢轨横向振动是有效抑制减振轨道系统钢轨波浪磨耗的形成与发展的关键措施之一。可以看出上部自锁预紧式GJ-III型减振扣件能够降低钢轨波浪磨耗的发展。 5 GJ-III型减振扣件系统养护维修便利性 铁路轨道结构是处于边运营、边破坏、边维修的动态工程结构物的特性，尤其是长时间高密度日运营的地铁铁路，方便轨道养护维修是扣件系统选型的一个重要指标。 GJ-III型减振扣件系统的“预紧”分离式“自锁”具备在线重复装卸及预紧力可调等特征，可在工厂预安装、轨道铺设、养护维修时可以打开养护再安装。特别对于更换易耗零件例如中间弹性橡胶垫，因非硫化设计只需要在现场打开锚固螺栓及自锁尼龙套就可更换橡胶垫，金属件可多次重复使用，大大地降低了维修及更换成本。 6 GJ-III型减振扣件全寿命经济性分析比较 GJ-III型减振扣件系统由于无螺栓紧固、结构简单、零部件少，日常养护维修量很少，尼龙橡胶件其平均使用寿命超过25年，能与钢轨及轨枕寿命同步，金属件寿命至少是尼龙橡胶件4倍以上，对于轨道交通是百年大计，其轨道设计寿命一般也考虑100年以上的设计要求，这里根据目前国内地铁建设及运营维修情况对钢轨及扣件弹性垫板按使用50年全寿命做成本分析比较，估算中主要针对扣件系统中易耗弹性元件及钢轨的使用维修但不包含因钢轨波浪磨耗引起的轨道及车辆其他零部件如扣件弹条、车轮磨耗等的维修费用，对比分析如表4所示。 从表4可以看出，普通扣件轨道系统全寿命成本是GJ-III型减振扣件的2.5倍，硫化型减振器全寿命成本是GJ-III型减振扣件的11.3倍，换句话说，若使用GJ-III型减振扣件系统按50年运营期计算相对普通扣件每公里可节省653万元以上，相对硫化型减振器扣件每公里可节省4562万元以上。 7 结 论 GJ-III型减振扣件系统大大地提高了轨道系统的安全性和可维修性，相对普通扣件减振效果8-10dB，能够降低钢轨波浪磨耗，其全寿命增加比普通扣件高一倍多；相对硫化型减振器扣件大大降低钢轨波浪磨耗，扣件全寿命相对硫化型减振器增加十倍以上。 表4 使用50年全寿命成本分析扣件类型GJ-III型减振扣件硫化型减振器普通扣件（DTVI2、WJ-2、单趾弹簧等）每公里造价3200套／公里120万元（每套按375元）140万元（每套按437元）80万元（每套按250元）每公里橡胶件尼龙件更换成本53万元［尼龙件寿命10年（8元／套+22元／每套更换作业成本）×4，橡胶件20年（30元／块）×1.5）］1835万元［减振器寿命5年（437元／块+200元／每套更换作业成本）×9］77万元［橡胶件10年（38元／块+22元／每片更换作业成本）×4］每公里钢轨打磨维修费108万元［每5年打磨一次（120元／米）×（10-1）］2352万元［每三个月打磨一次（120元／米）×（50×4-4）］564万元［每年打磨一次（120元／米）×（50-3）］每公里更换钢轨160万元［钢轨寿命25年（5000元／吨）×1，更换钢轨（100万元／次）×1］640万元［钢轨寿命10年（5000元／吨）×4，更换钢轨（100万元／次）×4］373万元［钢轨寿命15年（5000元／吨）×（5-1），更换钢轨（100万元／次）×2.33］扣件及钢轨更换及维修总成本321万元4827万元1014万元 续 表扣件类型GJ-III型减振扣件硫化型减振器普通扣件（DTVI2、WJ-2、单趾弹簧等）合计全寿命等效扣件成本［（造价+维修）／3200］1378元／套元／套3418元／套每公里50年多投资（相对双层非线性）0万元4526万元653万元 注：（1）扣件更换按施工安装进度及费用估算；（2）打磨费用按国内打磨车／寿命／磨石等估算：打磨车2000万元折旧10年，每年打磨11月×8次，每次200米，磨石4000元／年，柴油300元／次，人力600元／次；（3）钢轨材料及更换费用按目前国内地铁用钢轨统计平均寿命及参考最大磨耗量报废估算；（4）钢轨打磨费及钢轨更换费用数据来自南京地铁运营维保中心实际费用统计；（5）GJ-III型减振扣件打磨周期按运营1年波磨发展测试结果估算；（6）估算中不含弹条更换费用（钢轨波磨高，钢轨振动高，弹条断裂率高其更换频率高）。