卧铺垫下:提高轨道质量，同时降低运营成本

更多的交通，越来越多的轴负荷和更高的速度只是目前世界各地铁路运营商和轨道管理者所面临的技术和经济挑战的一部分。卧铺垫(USP)已被证明可以延长轨道上层建筑的使用寿命，并有助于降低生命周期成本(LCC)。

卧铺垫(USP)代表了永久性建筑中使用的经典弹性构件的进一步发展。它们被额外安装在枕木的底面上，并增加轨道上层建筑的垂直弹性程度。其目的是通过轨道、轨道紧固件和枕木将车辆的荷载以最平稳、最安全、分布最均匀的方式传递到上层建筑和路基。由于已确定的弹性程度，可以通过较低的动力来减少对轨道系统的磨损，从而提高整个系统的耐久性和成本效益。

USP的目的是延长轨道上层建筑的使用寿命。此外，它们被安装来抵御振动，作为一个有限成本的压载垫替代品。它们自20世纪80年代中期开始使用，安装在时速高达300公里的列车的常规干线运行中。它们也越来越多地用于车行道，以及改善轨道几何形状和降低振动。

USP参数对有砟轨道的影响

有砟轨道仍然是铁路轨道最常用的施工形式。然而，由于轴负荷和列车速度的稳步上升，操作负荷正在逐渐增加。压路石是传统轨道上层建筑中最薄弱的环节，长期受到动力沉降的影响。枕木传递的载荷导致镇流器磨损和碎裂，导致单个镇流器颗粒破碎和解体。这种对镇流器的损坏对轨道的几何形状和质量有有害的影响。

有针对性地使用睡眠垫可以从以下方面帮助延缓这一过程:

• 增加轨枕和镇流器之间的接触面积(5-8%没有，30-35%有轨枕垫，温度为0.2 N/mm³)
• 减少镇流器的压力(减少10-25%)
• 调整钢轨弯曲线
• 稳定上层镇流器层
• 减少穴蚀现象
• 降低“悬挂”轨枕对压舱床造成的冲击力
• 减少镇流器床的振动以及这种振动向周围环境的传播

图2显示了使用4.5年的USP型Sylomer®SLB 2210 G轨枕。该轨枕安装在Bad Krotzingen(德国)使用最频繁的线路之一，显示了1.9亿载重吨后压舱物颗粒在载重区域留下的压痕。在卧铺的中心有更少的凹痕，因为这里的轨道没有夯实。尽管有巨大的操作负荷，但弹性衬垫材料没有穿孔或其他破坏。弹性层中的压痕是为了确保足够的抗水平位移(即钢轨屈曲)，有助于稳定顶部镇流器层。动态载荷被转移到镇流器的较深区域。同时，接触面区域内轨道架的接触面面积较大，沉降更均匀。

德国、奥地利和瑞士目前正在进行一些研究，目的是测量填充枕木的水平位移阻力。然而，由于各种测量方法，还没有明确的结果可用。虽然德国和奥地利的假设是对水平位移的阻力没有减少，但在瑞士发现了减少的趋势，但这似乎取决于所使用的产品。

在因斯布鲁克大学对紧密半径曲线(R=230到R=265 m)1进行的位移测量中，水平轨道位移的平均值是基于每个方向的五个通道在不同的点上测量的。在一个参考点上，试验机车引起的所有位移都恢复到原来的位置，在另一个测量点上发现了最大0.1mm的残留水平变形。在安装了相对坚硬垫块的轨枕断面，残余位移高达0.1mm，少数情况下高达0.3mm。使用极软的USP，残余变形可达0.2mm，在少数情况下可达0.6mm。因此，与测量到的高达2.5mm的轨道框架最大位移相比，列车经过后的残留变形基本上可以忽略不计。

从根本上说，使用USP可以预期在数据中发现更少的异常值，单个轨枕的水平位移阻力波动更小。因此，轨道在水平面上的几何形状总体上更加均匀，这对连续焊轨的稳定性有有利的影响。
目前减少镇流器磨损和充分稳定轨道架的趋势是使用较硬的垫层(垫层模量C≥0.2 N/mm³)，具有较大的塑性。

总体而言，由于加垫轨枕的有砟轨道的进一步发展和优化，可以延长整个系统的使用寿命。

使用Sylomer®USP增加了履带质量

由Sylomer®制成的USP已被欧洲主要铁路运营商测试和使用超过15年。这些聚氨酯(PUR)弹性体具有极强的弹性和极少的动态硬化。随着轨道几何质量和轨道稳定性的提高，从长期使用中获得的一个关键见解是降低压载床高度的可能性。图3显示了2001-2008年期间在马克斯多夫(奥地利)的一个测试轨道路段上测量的初步积极经验。质量用纵轨水平的平均标准差表示。

在施工高度较低的地方是有利的或必要的，例如在有低架空净空的隧道中，或在桥梁上达到充分的层理条件，USP可以有额外的财务影响，并导致显著的成本节约。

关于轨道系统的磨损，在因斯布鲁克大学进行的测量表明，在紧密的半径曲线上，轨道波纹的形成可以在内部轨道1的表面上延缓。钢轨波纹是速度、半径和斜度的函数。轨道的垂直刚度也会随着时间的推移影响这种波纹的形成和发展。钢轨波纹通常会增加上层建筑的动荷载，导致轨道几何形状恶化，并破坏钢轨紧固件、轨枕和镇流器。有了USP后，测试曲线上波纹的平均深度比标准轨道上层结构增加的速度要慢，在总载荷达到2500万吨后，大约减少了50%(见图4)。对于配备USP的轨枕，波纹的平均深度为0.075 - 0.1毫米，因此大大低于无垫的轨枕，波纹的平均深度为0.15 - 0.18毫米。与参考测量点相比，有垫段的平均波纹长度更短。

在一些有衬垫枕木的半径较窄的曲线中，即使在几年后也没有检测到钢轨波纹。
轨道垫片的磨损也大大减少。在轨道沉降方面，与传统的有砟轨道系统相比，可实现约40-70%的改善3。长期经验表明，使用加垫轨枕可显著降低上部结构的维护费用，并增加夯实间隔时间。

减少振动

特别是在频率超过40赫兹的情况下，振动明显减少。首先，这对镇流器的稳定性有有利的影响，因为镇流器框架主要对50-150 Hz范围内的中频振动敏感，因此表现出更强的“液化”倾向，从而变得不稳定4。在德国进行的试验表明，与传统的有砟轨道5相比，USP的使用显著改善了振动性能。

主要在欧洲的各种测试装置中，在相关频率范围内发现了8到15 dB之间的绝缘-涉及插入损耗。所用材料的弹性越大，层理模量越低，在减轻结构噪声方面的绝缘效果就越大。

由于减少了更高频率的振动和结构噪声，弹性USP是压舱垫的一种具有成本效益的替代品，特别是在没有非常严格要求的情况下。同时，也可以在不改变轨枕设计的情况下补偿轨道上的局部不均匀性。根据到目前为止所获得的经验，使用一个简单的、经过全面测试的系统可以产生显著的优势。一般而言，主要的空气噪声不会有实质性的变化。

生命周期成本(LCC) -方面

格拉茨技术大学根据从有衬垫枕木的铁路线获得的测量数据，对铁路轨道的成本效益进行了各种研究。这些研究是基于LCC方面的调查6。为了做到这一点，对轨道几何质量的测量数据进行了8年的分析。研究发现，通过延长使用寿命和相应的折旧减少，可以最有效地实现维修规划的预期目标，即降低轨道的LCC。使用带垫的枕木可以将夯实的间隔时间延长至少2到2.5倍。即使采取保守的观点，这至少可以使压载物的使用寿命翻倍。应当记得，根据所用石头的质量，压实轨道通常平均可夯实约10次。因此，轨道的使用寿命高度依赖于镇流器的状况。在确定成本效益时，还考虑到维修工作造成的运营中断的成本(例如，轨道关闭、减速区)。在这方面，研究发现，交通负荷越高，使用的轨道段越强，特别是对于较紧的弯道，USP的成本效益越高。 At the present investment costs, the interest rate on the capital employed should be approximately 5% in order to be profitable. While padded sleepers initially are a cost-increasing factor, the technical and economic impacts demonstrated must be specifically considered. In addition to being a very economical and effective option to reduce maintenance costs, the basic aspect that should be taken into account in this regard is the extension of the useful life of the track.

使用装配网固定连接

由PUR弹性体制成的USP可作为标准产品，其硬度分级紧密，层垫模量范围从C=0.02 N/mm³到大于C=0.30 N/mm³(根据德国铁路标准DBS 918 145 - 017在标准压载板上测量)。在安装之前，必须将弹性构件粘结到混凝土轨枕的整个底面上。一方面，连接垫块有助于确保安全运输，另一方面，垫块在使用寿命内必须与轨枕紧密牢固地连接。这是必要的，以便衬垫能够传递纵向和横向的力，并承受拉伸载荷，例如，当轨道框架被提升维护工作。在过去，USP是在生产后使用粘合剂粘到枕木上。然而，目前的趋势是将衬垫集成到轨枕本身的生产中。为了达到这一目的，使用了坚固的粘接层。保证这一点的一个极好的方法是使用一个装配网并入轨枕，而网格厚度的上半部分延伸出衬垫，然后被压入轨枕的底部。这种方法适用于不同程度的混凝土湿度，无需将网格振动到混凝土中，这取决于所使用的具体生产过程。基本上，Sylomer®或Sylodyn®轨枕垫可以与混凝土轨枕制造常用的所有类型的生产工艺结合，无论是否采用立即脱模或稍后脱模的原则。 Positive experiences have also been gained with self-compacting concrete. The very good mechanical bonding between the sleeper pad and the concrete has been demonstrated by pull-off tests in the laboratory. The average pull-off resistance of D σR=0,50 N/mm² 7 as required by the German railway standard is ensured by the use of above described assembling mesh.

为了增加对镇流器颗粒及其锋利边缘接触的回弹性，在特殊的高弹性衬垫上安装额外的负载挠度和保护层也是有利的。一种毡状材料(土工织物)已被证明非常有效地保护活动弹性层免受轨道运行造成的破坏。

现场安装软垫枕木

由于弹性衬垫和混凝土轨枕底部之间有很强的机械附力，因此将采用标准的安装程序来安装衬垫轨枕，对轨道维护没有限制。在轨枕下路基层理模量变化的过渡区，可采用不同刚度的USP进行补偿。它也有可能平衡几何引起的刚度差异的转盘与他们的不同的长枕木。由轨枕制造商进行预安装，确保施工现场的顺利进行。在轨道安装现场不需要额外的工作。枕木的安装速度快，不受天气条件的影响(天气条件会影响附着力)，不受USP使用的任何阻碍。

总结

不断增加的铁路运行负荷要求进一步发展有砟轨道系统。安装精确定义的弹性部件有助于满足防止轨道沉降、减少振动和结构噪声以及降低轨道维护成本等方面的要求。在未来，Sylomer®和Sylodyn®轨枕垫的使用增加将保证良好的成本效益关系。弹性垫有助于减轻混凝土轨枕和镇流器颗粒之间接触区域的力，同时保护周围的镇流器免受强动力的冲击。因此，与传统的混凝土轨枕相比，上部结构承受的力要小得多。在轨枕下方引入弹性层不需要对钢轨轮廓进行任何修改或特殊的钢轨紧固系统，当钢轨衬垫或底板衬垫非常柔软时可能需要这样做。此外，与安装镇流器垫相比，材料和安装成本要低得多。LCC的研究证实，安装使用衬垫枕木的轨道系统是一个非常经济的选择。因此，卧铺垫代表了一种经济的替代改造措施，有助于加强对未来轨道的投资。

图1:卧铺垫(USP)集成在轨道上层结构的负载传输路径中

图2:经过1.9亿吨负载的填充轨枕，在Sylomer材料上有压痕

图3:用于测量轨道几何质量的纵轨水平的标准偏差

图4:在USP下，随着时间的推移，轨头上的钢轨波纹的发展是延迟的

图5:各国使用Under Sleeper垫的轨道插入损失测量

图6:拼装网格确保弹性垫块与混凝土轨枕之间牢固结合

图7:加垫枕木的安装

参考

1. 普拉格，G.科普，E.:希弗劳的Schlupfwellenmessungen am standard doberbau and am Oberbau mit besohlten Schwellen (n.v)。Institut für Infrastruktur, Arbeitsbereich Eisenbahnwesen und Öffentlicher Verkehr der Universität因斯布鲁克，2001
2. 席尔德，R. USP -下卧铺垫，Schwellenbesohlungen。施瓦岑贝格/沃拉尔贝格，2007年11月14日至16日
3. Plica, P.: Das Kräftespiel im Schotteroberbau mit besohlten Spannbetonschwellen。施瓦岑贝格/沃拉尔贝格，2007年11月14日至16日
4. 艾森曼，J.莱考夫，G.: Zukunftsperspektiven zum Eisenbahnoberbau。《工程科学》(43)3/1992,S. 130-139。
5. 莱考夫，G.，斯塔尔，W.: Untersuchungen und Erfahrungen mit besohlten Schwellen。EI Der eisenbahningenieer (55) 6/2004, S. 8-16。
6. Veit, P. Schwellenbesohlung von greesen - Wirtschaftliche Bewertung auf Basis einer Lebenszykluskostenbetrachtung。施瓦岑贝格/沃拉尔贝格，2007年11月14日至16日
7. DB Systemtechnik: DBS 918 145-01: Technische Lieferbedingungen - Spannbetonschwellen mit elastischer Sohle - Elastische Schwellensohlen，(2004年1月)