王志強(qiáng)，王安斌，白健，段勇奇，雷濤

（1.中船重工第七二五研究所洛陽(yáng)雙瑞橡塑科技有限公司，河南省減振降噪材料工程技術(shù)研究中心,河南洛陽(yáng) 471003；2.成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，成都 610000）

地鐵已成為解決城市交通擁擠和減少地面噪聲、大氣污染的一種主要交通方式之一。地鐵運(yùn)營(yíng)引起的振動(dòng)噪聲對(duì)線路和車輛環(huán)境的影響逐漸引起人們的關(guān)注[1]。軌道交通噪聲污染問(wèn)題受到高度重視，如果不采取有效的降噪措施，將會(huì)被限制經(jīng)營(yíng)或是被要求降低行車速度[2]。

為減少地鐵線路和車輛振動(dòng)噪聲，開發(fā)了一種新型無(wú)（金屬）彈條可分離式諧振式浮軌扣件[3]，本文重點(diǎn)介紹了其結(jié)構(gòu)原理和減振效果。相對(duì)普通扣件，其減振量提高12 dB以上，同時(shí)能顯著降低鋼軌振動(dòng)及由此引發(fā)的鋼軌噪聲輻射，控制鋼軌波磨發(fā)展，提高鋼軌使用壽命和車輛上人員乘坐舒適性。

1 諧振式浮軌扣件結(jié)構(gòu)

諧振式浮軌扣件[4]主要由橡膠彈性楔塊、支撐側(cè)板、鎖緊楔塊、緊鎖彈條、絕緣防撞墊板、絕緣耦合墊板組成，如圖1所示。

圖1 諧振式浮軌扣件安裝示意圖

該裝置允許扣件通過(guò)兩個(gè)可調(diào)節(jié)的處于不同位置的鎖緊楔塊鎖定鋼軌，并由彈性楔塊的預(yù)壓力扣緊。鋼軌的垂直高度可以通過(guò)在底板下的調(diào)高板調(diào)整。軌距的加寬可通過(guò)提高外側(cè)楔子和降低內(nèi)側(cè)楔子的位置來(lái)達(dá)到，反之亦然。在運(yùn)行中鋼軌本身通過(guò)橡膠彈性楔塊允許產(chǎn)生較大位移。

彈性楔塊由天然橡膠及低碳鋼被襯板硫化為一體，橫截面近似于三角形，一側(cè)抵住軌腰，另一側(cè)抵住由鎖楔支撐的側(cè)板。截面底端通常延伸至軌腳上表面以阻止鋼軌向上運(yùn)動(dòng)。彈性楔塊通過(guò)延伸至內(nèi)部橡膠的背襯板穿洞與側(cè)板上的插腳相配合，實(shí)現(xiàn)定位。

絕緣防撞墊板用天然橡膠或聚酯橡膠制成，位于軌底，但與鋼軌底部留有間隙，通常情況下，鋼軌并不接觸到該墊。當(dāng)有異常負(fù)載通過(guò)時(shí)（如工程車），或超過(guò)規(guī)定的下沉量范圍時(shí)，或系統(tǒng)失效又沒(méi)有維護(hù)時(shí)，鋼軌則可能接觸到防撞墊。在這兩種任一種情況下，防撞墊才起作用，防止鋼軌和承軌臺(tái)或底板的直接碰撞。這也同時(shí)確保了鋼軌的電絕緣，并提供了一定程度的隔振，減少了鋼軌和鋼軌承臺(tái)機(jī)械受損的機(jī)會(huì)。

2 諧振式浮軌扣件的諧振設(shè)計(jì)

低剛度扣件具有較好的隔振效果，但如果輪軌振動(dòng)能量只是被隔離，而未被耗散，則會(huì)反作用于鋼軌和車輛，從而加劇鋼軌的振動(dòng)和波磨，使車輛噪聲增大，舒適性降低。諧振系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)和改進(jìn)。諧振式浮軌減振降噪扣件把約束鋼軌的部位由軌腳移動(dòng)到了鋼軌的軌腰及軌頭下面，呈倒置的“V”型結(jié)構(gòu)從鋼軌的兩側(cè)夾緊鋼軌，正常工作時(shí)鋼軌處于懸浮狀態(tài)，可以最大限度地獲得較低的垂向剛度，在保證軌道安全的條件下增加扣件系統(tǒng)的隔振效果，降低輪軌沖擊振動(dòng)向軌下基礎(chǔ)的傳播，從而控制隧道、站臺(tái)及地面建筑物等的振動(dòng)。在浮軌扣件彈性楔塊中同時(shí)設(shè)計(jì)了諧振系統(tǒng)，有效地抑制了鋼軌的振動(dòng)，降低鋼軌噪聲輻射及鋼軌波磨[5]。

2.1 諧振系統(tǒng)對(duì)鋼軌振動(dòng)的控制

諧振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是該扣件區(qū)別于傳統(tǒng)軌腰支承結(jié)構(gòu)扣件（如先鋒扣件[6]）的主要特征之一。

諧振式浮軌扣件中的橡膠支撐楔塊內(nèi)含諧振質(zhì)量塊，借助橡膠支撐楔塊的彈性層形成動(dòng)力吸振器。當(dāng)鋼軌發(fā)生振動(dòng)時(shí)，通過(guò)諧振質(zhì)量塊及彈性層在特定設(shè)計(jì)的頻率產(chǎn)生諧振效應(yīng)。

圖2為兩諧振質(zhì)量隔振系統(tǒng)相互關(guān)系示意圖，當(dāng)鋼軌受到激勵(lì)時(shí)，主要有諧振子系統(tǒng)1和諧振子系統(tǒng)2以及主彈簧系統(tǒng)（隔振彈簧系統(tǒng)）反相位相互作用。

圖2 兩諧振質(zhì)量隔振系統(tǒng)相互關(guān)系示意圖

圖3是一個(gè)典型的3階諧振質(zhì)量設(shè)計(jì)的諧振式浮軌扣件彈性楔塊斷面結(jié)構(gòu)。

圖4給出了系統(tǒng)其中1階振動(dòng)有限元模態(tài)分析振型[7]，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到滿足諧振要求模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的諧振質(zhì)量和彈性層設(shè)計(jì)。對(duì)現(xiàn)有地鐵線路及運(yùn)營(yíng)條件其主要的諧振頻率范圍在200～1 000 Hz。該系統(tǒng)也保持了隔振設(shè)計(jì)的剛度要求，通過(guò)有限元模型對(duì)扣件系統(tǒng)施加兩個(gè)12.5 kN的垂向力，計(jì)算得到垂向位移為4.61 mm，因而垂向靜剛度為5.4 kN/mm。

圖3 彈性楔塊斷面

圖4 諧振浮軌扣件諧振棒的分析模振型

2.2 諧振系統(tǒng)對(duì)鋼軌波磨的控制

軌道交通中特別在城市軌道小半徑低車速條件下鋼軌波磨問(wèn)題是軌道振動(dòng)噪聲及軌道維護(hù)的主要問(wèn)題之一，鋼軌波磨的產(chǎn)生及發(fā)展機(jī)理復(fù)雜，影響因素多，一般鋼軌與異常波磨相關(guān)的振動(dòng)響應(yīng)大小和振動(dòng)傳播范圍與鋼軌支承剛度和阻尼有關(guān)[5]。由列車沖擊時(shí)所帶來(lái)的鋼軌振動(dòng)及對(duì)應(yīng)鋼軌因不連續(xù)支承引起的“共振”（Pinned-Pinned），通常被認(rèn)為是鋼軌產(chǎn)生波磨的主要原因，這種“共振”頻率f可有下式計(jì)算[6]

這里的E是鋼軌的彈性模量，I是鋼軌截面對(duì)水平中性軸的慣性矩，mr是鋼軌單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，l是扣件支承間距。

為了有效地抑制鋼軌在相應(yīng)頻率的振動(dòng)，根據(jù)鋼軌波磨的典型波長(zhǎng)范圍設(shè)計(jì)相應(yīng)的諧振系統(tǒng)來(lái)降低鋼軌波磨激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)，減小因鋼軌波磨生成和擴(kuò)展而產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，降低輪軌間作用力。

諧振式浮軌扣件的“質(zhì)量—彈簧”諧振頻率設(shè)計(jì)同時(shí)滿足鋼軌波磨對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍，抑制波磨的生成和擴(kuò)展。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)改造地段為普通整體道床結(jié)構(gòu)，其上鋪設(shè)DTVI2型扣件，位于成都地鐵一號(hào)線升仙湖站與火車北站K 3+500～K 3+550上行線，該段的兩端均為鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)，浮置板上鋪設(shè)DTVI2型扣件。不同結(jié)構(gòu)道床之間設(shè)置約5 m的過(guò)渡段，過(guò)渡段為提高了鋼彈簧隔振桶分布密度的鋼彈簧浮置板道床。分別對(duì)改造前后正常運(yùn)營(yíng)條件下鋼軌的振動(dòng)水平進(jìn)行測(cè)試分析。

標(biāo)準(zhǔn)的諧振式浮軌扣件具有低剛度（5～8 kN/mm），該線路改造時(shí)，為了與改造地段兩端的過(guò)渡段形成平穩(wěn)對(duì)接，設(shè)計(jì)5～10 m過(guò)渡段扣件剛度。由于改造線路較短，為避免線路剛度在短距離內(nèi)變化過(guò)大，將標(biāo)準(zhǔn)諧振式浮軌扣件的垂向靜剛度統(tǒng)一提高到12～16 kN/mm，防爬阻力保持不變。

在列車正常運(yùn)行的情況下，實(shí)時(shí)對(duì)高峰期過(guò)往的30列車進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)采集。得到了在分別采用DTVI2扣件、改進(jìn)型諧振式浮軌扣件、測(cè)點(diǎn)不變，均為B型車、車速相近條件下對(duì)比測(cè)試結(jié)果[8]。

圖5、圖6分別為平均車速54.9 km/h時(shí)，采用DTVI2扣件的鋼軌垂向、橫向振動(dòng)的1/3倍頻譜，為了了解不同車輛的影響，圖中同時(shí)給出測(cè)量時(shí)段不同車輛通過(guò)下的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出鋼軌的垂向、橫向加速度振幅基本穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果能代表系統(tǒng)特征。對(duì)于減振扣件在200～500 Hz之間是導(dǎo)致異常波磨的主要原因[5]。振動(dòng)主要集中在50 Hz～1 000 Hz之間。

圖5 DTVI2扣件鋼軌垂向振動(dòng)1/3倍頻程

圖6 DTVI2扣件鋼軌橫向振動(dòng)1/3倍頻程

圖7、圖8分別為平均車速54.4 km/h時(shí)，采用改進(jìn)型諧振式浮軌扣件的鋼軌垂向、橫向振動(dòng)加速度1/3倍頻程。

在相近車速，同種車型和軸載，以及相同軌道狀態(tài)下，對(duì)兩種不同扣件的30列車的平均測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖9、圖10分別為采用DTVI2扣件與采用改進(jìn)型浮軌扣件的鋼軌垂向、橫向振動(dòng)加速度1/3倍頻程。在鋼軌的垂向振動(dòng)中，諧振式浮軌扣件在50 Hz～80 Hz、250 Hz～1 000 Hz之間的減振效果比較顯著，其中在50 Hz、63 Hz減振量在2～5 dB，在500 Hz、630 Hz處的減振量在2～4 dB；在橫向振動(dòng)中，諧振式浮軌扣件在50 Hz～125 Hz、250 Hz～2 500 Hz有較為顯著的減振效果，其中在63 Hz、800 Hz處的減振最為明顯。在減振扣件在200～500 Hz容易產(chǎn)生波磨的頻率段內(nèi)能得到了很好的減振效果，總體比更換之前的DTVI2扣件在該頻率段內(nèi)減少了2～3 dB。

圖7 改進(jìn)型諧振式浮軌鋼軌垂向振動(dòng)1/3倍頻程

圖8 改進(jìn)型諧振式浮軌鋼軌橫向振動(dòng)1/3倍頻程

通過(guò)圖9、圖10中的數(shù)據(jù)計(jì)算出該頻段間改進(jìn)型諧振式浮軌扣件和DTVI2扣件的垂向、橫向振動(dòng)加速度的總值，如表1所示。改進(jìn)型諧振式浮軌扣件系統(tǒng)的鋼軌垂向振動(dòng)插入損失為1.5 dB，橫向振動(dòng)為0.8 dB，40～125頻率段內(nèi)減振效果更為明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，諧振式浮軌扣件克服了傳統(tǒng)低剛度隔振扣件對(duì)鋼軌振動(dòng)增加的影響，同時(shí)降低了引起鋼軌波磨頻段的鋼軌振動(dòng)水平，能抑制波磨的生成和擴(kuò)展。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）與更換之前的DTVI2扣件系統(tǒng)相比，諧振式浮軌扣件系統(tǒng)鋼軌的垂向振動(dòng)減小了1.5 dB，橫向振動(dòng)減小了0.8 dB。

（2）200～500 Hz是導(dǎo)致鋼軌波磨的主要頻率段在該頻率段內(nèi)減振扣件可使振動(dòng)減小了約2～3 dB。

（3）理論研究和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了諧振式浮軌扣件的諧振效果。

（4）經(jīng)在線安裝使用諧振式浮軌減振降噪扣件，證明能滿足目前國(guó)內(nèi)外地鐵軌道施工技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。且安裝、維護(hù)工藝簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，安全可靠。

圖9 DTV I2與改進(jìn)型浮軌鋼軌垂向振動(dòng)1/3倍頻程

圖10 DTV I2與改進(jìn)型浮軌鋼軌橫向振動(dòng)1/3倍頻程

表1 DTVI2和改進(jìn)型浮軌的鋼軌振動(dòng)

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