基于轨道高频磨损特性的间接扣件动态刚度匹配形式研究

为什么更平滑的轨道对日常乘客很重要

凡是在弯道中感到地铁列车颤抖或听到刺耳尖叫声的人，都曾体验过轮轨磨损背后的物理机制。随着时间推移，轨道会出现波纹和规律性形态，使乘坐更嘈杂、更颠簸，且维护成本上升。本研究深入考查了线路中一个小但关键的部件——承载在轨底下的弹性扣件——以说明它们的设计如何悄然决定轨道是保持平滑还是快速损坏。

轨下的小部件

现代地铁系统在混凝土轨道上常采用所谓的间接扣件。与仅在轨底放置一块橡胶垫不同，这类扣件由上下两块弹性垫和夹在中间的钢板组成。上垫直接受轨承载，钢制“铁底座”位于其下方，下垫将铁底座与混凝土支撑隔开。这样的“夹心”结构旨在提供合适的柔性、缓冲冲击并降低噪声和振动。然而，如果两块垫不能以合适的方式协同工作，轨与轮在特定频率下可能发生强烈振动，进而在轨面形成有规律的波纹（轨面波纹化），并在车轮上形成多边形轮廓缺陷。

捕捉实际的柔性与弹跳特性

在实际工况下，这些垫片和钢板的行为远比简单弹簧复杂。铁底座会因边缘锚栓的拉紧而弯曲，橡胶类垫片的刚度会随载荷大小和加载速度而变化。为此，作者在实验室对DZ III 型地铁扣件进行了宽载荷和宽频率范围的试验。随后他们建立了精细化的数学模型，将铁底座视为可弯曲的梁，将每块垫片视为其刚度和阻尼随载荷与频率变化的材料。这个详尽的扣件模型被嵌入到一套列车在曲线轨道上运行的完整数值仿真中，仿真包含轮轨的正向压力与滑移相互作用以及这种运动如何逐步引起钢材磨损。

将模型与实际运营线路对比

研究团队将其仿真结果与一条实际运行且已使用该类扣件的中国地铁线路上的测量数据进行了对比。他们考察了轨道的垂向位移、扭转变形，以及在最高至1250赫兹范围内哪些振动频率分量最强。那些忽略下垫或把铁底座视为完全刚性的简化模型无法再现实际数据：在若干关键情况下，主振动峰值偏移超过100赫兹。新的更真实模型在轨道位移幅值和主要共振频段位置上都高度吻合，将主导振动频率的最大误差缩小到约20赫兹左右。这增强了模型用于探索设计选择对长期磨损影响的可信度。

寻找更优的软硬垫配比

在模型验证后，作者在保持轨下总体支撑水平不变的前提下，尝试了不同的垫刚度配对方案。他们考察了三种情况：上垫较软而下垫非常刚性、上下垫刚度相近，以及上垫刚硬而下垫较软。结果表明，最后一种配置——“上硬下软”——最为有利。它没有改变最低频的轮—轨共振，但使若干与较短波长波纹密切相关的高频弯曲模态发生位移并减弱幅度。实践中，这种组合在通常累积有害振动的频段内降低了高频轨面磨损的强度，表明在不改变总体刚度要求的情况下，仅通过调整两层之间刚度的分配即可以对轨道更友好的方式实现相同的节点刚度。

阻尼能如何助益或不利

研究还探讨了垫片的能量耗散——阻尼——如何影响磨损。通过调整控制垫片吸收振动能力的模型参数，作者分别测试了仅增加刚垫阻尼、仅增加软垫阻尼以及两者同时增加的情况。他们发现，整体阻尼主要由软垫掌控。仅提高硬垫的阻尼反而可能使高频磨损恶化，增大若干共振频段的磨损峰值。相比之下，同时增加两片垫的阻尼能显著降低由振动驱动的磨损，尤其是在令人头疼的高频范围内。这一结果强调阻尼设计必须考虑两层如何协同工作，而非只把某一组件做得更“耗散”。

对更安静、更经济的地铁系统意味着什么

简而言之，论文表明，轨下两块垫的微调“顺应性”和“回弹”显著影响轨道粗糙化和车轮缺陷的发展速度。保持上垫相对较硬、下垫较软并同时提高两者阻尼的扣件设计，可削减导致波纹化和噪声的高频有害振动——而无需改变工程规范要求的总体支撑。对乘客而言，这意味着更平顺、更安静的乘车体验；对运营方而言，则意味着减缓磨损、减少打磨与更换频次以及降低全生命周期成本——这些均可通过重设一个已存在但在设计规则中常被简化的部件来实现。

引用: Wang, X., Wei, K., Pu, Q. et al. Research on dynamic stiffness match form of indirect fastener based on rail high-frequency wear characteristics. Sci Rep 16, 11472 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42061-6

关键词: 轨道扣件, 轨道波纹化, 轮—轨振动, 地铁轨道设计, 轨道磨损建模