王志強(qiáng)，王安斌，雷濤，段勇奇

（1.中船重工第七二五研究所，洛陽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471003; 2.成都地鐵運(yùn)營有限公司，成都610000）

諧振式浮軌扣件系統(tǒng)減振效果的分析

王志強(qiáng)1，王安斌1，雷濤2，段勇奇1

（1.中船重工第七二五研究所，洛陽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471003; 2.成都地鐵運(yùn)營有限公司，成都610000）

為了減少因地鐵列車運(yùn)行時鋼軌產(chǎn)生的振動，研發(fā)了一種改進(jìn)型高剛度的諧振式浮軌扣件系統(tǒng)，它充分利用其諧振及彈性元件的動力吸振和隔振特點(diǎn)，能有效地減少鋼軌及道床的振動。運(yùn)用軌道變形及振動、道床及隧道壁振動的測試方法，分析在成都地鐵一號線路上分別采用DTV I2型扣件和諧振式浮軌扣件的減振效果。對比試驗(yàn)表明諧振式浮軌扣件具有較好的鋼軌減振能力，取得了很好的減振及隔振綜合效果，道床及隧道壁的振動水平在改進(jìn)型諧振式浮軌扣件道床相對DTV I2型扣件道床降低8～9 dB左右，諧振式浮軌扣件的軌道變形也滿足線路安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

振動與波；地鐵；浮軌扣件；隔振和吸振。

振動和噪聲是城市軌道交通影響環(huán)境的主要方面，隨著近幾年城市軌道交通的發(fā)展，人們對此問題越來越重視，減小軌道交通的振動和降低噪聲是提高沿線居民的生活質(zhì)量，是軌道交通可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一[1]。

當(dāng)列車以一定速度通過軌道時，車輛和軌道及其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等在空間各個方向產(chǎn)生振動，引起振動強(qiáng)弱的原因有：軌道幾何形位的靜、動不平順、鋼軌頂面波浪形磨耗、鋼軌接縫，列車速度的大小，車輪踏面擦傷、車輪波浪形磨耗、車輪踏面不圓順等等。由于車輛和軌道這兩個系統(tǒng)的振動是一種耦合關(guān)系，這種耦合振動最終要通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞形成輸出。因此，軌道結(jié)構(gòu)既是激振振源，也是振動傳播途徑中一個重要環(huán)節(jié)，直接影響周邊結(jié)構(gòu)最終的振動響應(yīng)，以振源和傳遞途徑為對象研究地鐵的減振性能是較為合理，也是最有效的方法之一[2]。

針對地鐵運(yùn)用環(huán)境，新研發(fā)了一種標(biāo)準(zhǔn)諧振式浮軌扣件，它屬于一種無（金屬）彈性件可分離式高等減振扣件[3]，相對普通減振扣件，其減振量在12 dB以上[4]，同時能顯著降低鋼軌振動及由此引發(fā)的噪聲輻射，并大大減輕鋼軌波磨，延長了鋼軌使用壽命，改善了乘坐舒適性。針對成都地鐵一號線升仙湖至火車北站之間上下行區(qū)間Z(Y)DK3+500～Z(Y) DK3+550路段，進(jìn)行了采用DTVI2扣件系統(tǒng)及改進(jìn)型高剛度諧振式浮軌扣件的對比試驗(yàn)，對比了在同一個點(diǎn)處的軌道動態(tài)變形及振動情況，實(shí)際驗(yàn)證了諧振式浮軌扣件的減振及隔振效果[3]。

1 軌道扣件系統(tǒng)

1.1 更換前的DTVI2扣件系統(tǒng)

成都地鐵一號線軌道工程現(xiàn)有的DTVI2扣件為彈性分形式，扣件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)垂直靜剛度為20～40 kN/mm，適用于60 kg/m鋼軌隧道內(nèi)、U型結(jié)構(gòu)及地面枕式整體道床地段。

圖1 DTVI2型扣件

1.2 更換后改進(jìn)型諧振式浮軌扣件

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，為了與改造地段兩端的過渡段形成平穩(wěn)對接，需要設(shè)計(jì)5～10 m過渡段扣件剛度。由于改造線路較短，按成都地鐵設(shè)計(jì)部門要求，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的改進(jìn)型高剛度諧振式浮軌扣件。由于扣件剛度的提高，改進(jìn)型浮軌扣件的減振效果將比標(biāo)準(zhǔn)浮軌扣件低，適用于60 kg/m鋼軌隧道內(nèi)、U型結(jié)構(gòu)及地面枕式整體道床等多種地鐵線路。

諧振式浮軌扣件中的橡膠支撐楔塊內(nèi)含諧振質(zhì)量塊，按照動力吸振器原理工作，當(dāng)鋼軌發(fā)生振動時，通過諧振質(zhì)量塊產(chǎn)生的諧振，在低頻、中頻和高頻段內(nèi)轉(zhuǎn)移和吸收鋼軌的振動能量，從而降低了鋼軌的振動和噪聲輻射；同時根據(jù)鋼軌波磨的典型波長范圍設(shè)計(jì)相應(yīng)的諧振系統(tǒng)來抑制鋼軌波磨激勵產(chǎn)生的響應(yīng)，減小因鋼軌波磨而產(chǎn)生的振動和噪聲，降低輪軌間作用力。

圖2 更換后的改進(jìn)型諧振式浮軌扣件

2 運(yùn)行條件下的動態(tài)測試

動態(tài)測試安排在地鐵列車正常運(yùn)營狀況下行車高峰時段進(jìn)行，記錄30列車的振動數(shù)據(jù)，各種工況試驗(yàn)比較應(yīng)盡可能記錄同等線路、同等車型、相近車速條件下的試驗(yàn)結(jié)果。測試項(xiàng)目包括軌道變形、軌道振動、隧道振動等方面的測試。

2.1 軌道變形測量

軌道變形測量選在改造地段中部，測試如圖3所示兩個扣件跨度的1/2處典型位置進(jìn)行。軌道相對混凝土道床的變形通過位移計(jì)進(jìn)行測量。傳感器安裝在與道床相連的萬向節(jié)支架上，每個傳感器探頭都垂直于目標(biāo)板上的測量表面。

圖3 軌道振動變形位移計(jì)布置圖

鋼軌的變形測試由6個測點(diǎn)組成，其中4個用來測量鋼軌兩邊相對道床的垂直變形，2個用來測量鋼軌相對道床的橫向變形，所有傳感器均布設(shè)在1/2的斷面上，具體位移傳感器分布如圖4所示。

圖4 跨度1/2處鋼軌相對道床的布置

鋼軌下沉量：由鋼軌兩邊測得的垂直變形量取平均值來估算。

鋼軌翻轉(zhuǎn)量：即鋼軌的扭轉(zhuǎn)變形，由鋼軌在軌腳處外側(cè)的變形量減去內(nèi)側(cè)的變形量除以2，然后乘以幾何系數(shù)（軌腳寬度除以軌腳外側(cè)垂直變形傳感器到軌腳內(nèi)側(cè)垂直變形傳感器之間的距離）求得。

軌頭水平變形量：可以從鋼軌的扭轉(zhuǎn)變形乘以由鋼軌截面衍生的幾何系數(shù)，再加上相應(yīng)的軌腳橫向變形量。

2.2 軌道振動測量

軌道的振動測量位置與鋼軌變形測試位置相同，即在扣件跨度的1/2處截面處，測量傳感器位置如圖5進(jìn)行，具體布點(diǎn)如下。

圖5 振動測量加速度計(jì)布置圖

主要測試點(diǎn)有：.

（1）左右鋼軌軌底的垂直方向及軌腰的橫向振動（圖6）；

（2）軌道混凝土道床中心的垂直方向和橫向振動（圖6）；

圖6 跨度1/2處鋼軌及道床上加速計(jì)位置圖

A1、A4：測量鋼軌垂向加速度；

A2、A5：測量鋼軌橫向加速度；

A7：測量道床垂向加速度；

A8：測量道床橫向加速度；

2.3 隧道壁振動測量

在鋼軌變形和振動及道床振動測試的相同截面對應(yīng)的隧道墻壁垂直及橫向振動進(jìn)行測量，主要利用固定在隧道壁上的固定塊來放置加速度計(jì)，加速度計(jì)位置如圖7所示。

圖7 隧道壁振動加速度放置位置

A9：測量隧道墻壁垂向加速度；

A10：測量隧道墻壁橫向加速度；

3 振動控制及振動評估

當(dāng)列車在軌道上運(yùn)行時，產(chǎn)生振動的頻率范圍很寬，其部分振動通過軌道扣件系統(tǒng)時衰減，由地面?zhèn)魉偷礁浇幕A(chǔ)結(jié)構(gòu)時又進(jìn)一步衰減。由地面承受的振動頻率一般從幾赫茲到幾百Hz。從軌道附近的建筑地面振動測得數(shù)據(jù)來看，集中在200 Hz以下，這些頻率對于扣件系統(tǒng)的控制非常重要。

描述振動的大小可用位移、速度或加速度，對于環(huán)境振動水平的評估則取決于振動危害的對象。對于影響人體和環(huán)境的振動常用Z計(jì)權(quán)加速度級來表示，我國頒布的《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》[5]就規(guī)定了垂向振級的限值。

從人體剛剛感覺到微弱振動(加速度約為10-3m/s2)，到人體能承受的最強(qiáng)振動(約為103m/s2)，振動加速度變化達(dá)百萬倍，這給振動加速度的測量、運(yùn)算和表達(dá)均帶來極大的不方便。為此，國內(nèi)外有關(guān)環(huán)境振動的標(biāo)準(zhǔn)一般采用振動加速度級來代替。

振動加速度級按下式定義[6]

式中a——振動加速度有效值，m/s2；

a0——基準(zhǔn)加速度，城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)與ISO相同，a0=10-6m/s2。

4 測試分析結(jié)果[7]

4.1 鋼軌的動態(tài)變形測試分析

變形測量在線路的正常運(yùn)營情況下進(jìn)行，兩根鋼軌的變形分析細(xì)化到每個轉(zhuǎn)向架的前軸和后軸。對相同的車軸（前軸和后軸）經(jīng)過時產(chǎn)生的變形量取平均值。1上行線鋼軌的動態(tài)變形結(jié)果

左右兩鋼軌動態(tài)變形對DTVI2扣件系統(tǒng)的變形平均值列在表1中，改進(jìn)型浮軌扣件系統(tǒng)的變形平均值在表2中。當(dāng)變形值為負(fù)值時對于垂直方向的變形則表示向下，對于橫向或扭轉(zhuǎn)變形則表示水平向外（軌距增加），計(jì)算的軌頭橫向變形也列在相同的表中。對于上行線DTVI2扣件系統(tǒng)，鋼軌的凈垂直變形量為0.60 mm，最大軌頭橫向變形量為-0.73 mm；對于改進(jìn)型諧振式浮軌扣件系統(tǒng)，鋼軌

4.1.的凈垂直變形量為1.41 mm，最大軌頭橫向變形量為0.33 mm。

扭轉(zhuǎn)變形負(fù)值——表示鋼軌相對軌道中心向外轉(zhuǎn)動（軌距擴(kuò)大））；正值反之。

橫向變形負(fù)值——表示鋼軌動態(tài)軌距擴(kuò)大；正值反之。

4.1.2 下行線鋼軌的動態(tài)變形結(jié)果

左右兩鋼軌對DTVI2扣件系統(tǒng)的變形平均值列在表3中，改進(jìn)型浮軌扣件系統(tǒng)的變形平均值在表4中。當(dāng)變形值為負(fù)值時對于垂直方向的變形則表示向下，對于橫向或扭轉(zhuǎn)變形則表示水平向外（軌距增加），計(jì)算的軌頭橫向變形也列在相同的表中。對于上行線DTVI2扣件系統(tǒng)，鋼軌的凈垂直變形量為0.41 mm，最大軌頭橫向變形量為0.72 mm；對于改進(jìn)型諧振式浮軌扣件系統(tǒng)，鋼軌的凈垂直變形量為1.32 mm，最大軌頭橫向變形量為0.24 mm。

表1 上行線DTVI2扣件鋼軌動態(tài)軌道變形

表2 上行線改進(jìn)型浮軌扣件鋼軌動態(tài)軌道變形

表3 下行線DTVI2扣件鋼軌動態(tài)軌道變形

表4 下行線改進(jìn)型浮軌扣件鋼軌動態(tài)軌道變形

扭轉(zhuǎn)變形負(fù)值——表示鋼軌相對軌道中心向外轉(zhuǎn)動（軌距擴(kuò)大））；正值反之。

橫向變形負(fù)值——表示鋼軌動態(tài)軌距擴(kuò)大；正值反之。

4.2 道床及隧道壁振動分析結(jié)果

道床和隧道墻壁的垂向Z振級VLz直接影響隧道上方地面及建筑物的振動環(huán)境水平。對道床和隧道墻壁Z振級的測量和分析主要感興趣的主要頻率范圍大約從1 Hz到80 Hz，其振動用Z加權(quán)的加速度級dB(Z)表示。由于隧道橫向振動分量的傳播同樣會影響隧道上方地面或建筑物的垂向Z振動特別是隧道兩側(cè)的振動，所以對道床和隧道墻壁的橫向振動也采用Z振級給出振動水平評估參考。

4.2.1 上行線道床及隧道壁振動分析

圖8給出上行線改進(jìn)型諧振式浮軌扣件和DTVI2扣件兩種道床結(jié)構(gòu)道床和隧道墻壁的垂直方向的Z振級1/3倍頻譜，圖9給出改進(jìn)型諧振式浮軌扣件和DTVI2扣件兩種道床結(jié)構(gòu)道床和隧道墻壁的橫向的Z振級1/3倍頻譜，在正常運(yùn)營條件下的1/ 3倍頻程測試結(jié)果。道床及隧道墻壁總Z振級如表5所示，從表5得出改進(jìn)型浮軌減振扣件對于更換之前的DTVI2扣件隧道墻壁的橫向插入損失為7.1 dB，道床及隧道壁垂直方向的插入損失為6.8 dB。在低頻段1～80 Hz內(nèi)，從圖8和圖9能看出，改進(jìn)型浮軌扣件比DTVI2扣件有較為明顯的減振效果。在40～125 Hz之間的減振效果比較明顯，其中在63 Hz、80 Hz處，隧道壁的垂向、橫向振動減振效果大概在6～17 dB，道床的垂向、橫向減振效果大概在7～13 dB。

圖8 上行線DTVI2和改進(jìn)型浮軌扣件道床及隧道壁垂向Z振級1/3倍頻譜

圖9 上行線DTVI2和改進(jìn)型浮軌扣件道床及隧道壁橫向Z振級1/3倍頻譜

表5 上行線DTVI2扣件和改進(jìn)型浮軌扣件道床及隧道壁的Z振級VLzmax dB(Z)

4.2.2 下行線道床及隧道壁振動分析

圖10給出下行線改進(jìn)型諧振式浮軌扣件和DTVI2扣件兩種道床結(jié)構(gòu)道床和隧道墻壁的垂直方向的Z振級1/3倍頻譜，圖11給出改進(jìn)型諧振式浮軌扣件和DTVI2扣件兩種道床結(jié)構(gòu)道床和隧道墻壁的橫向的Z振級1/3倍頻譜，在正常運(yùn)營條件下的1/ 3倍頻程測試結(jié)果。道床及隧道墻壁總Z振級表6所示，從表6得出改進(jìn)型浮軌減振扣件對于更換之前的DTVI2扣件隧道墻壁的橫向有明顯的插入損失8.9 dB外，道床及隧道壁垂直方向的插入損失為6.9 dB。在低頻段1～80 Hz內(nèi)，從圖10和圖11能看出，改進(jìn)型浮軌扣件比DTVI2扣件有較為明顯的減振效果。在40～125 Hz之間的減振效果比較明顯，其中在63 Hz、80 Hz處，隧道壁的垂向、橫向振動減振效果大概在7～20 dB，道床的垂向、橫向減振效果大概在6～16 dB。

圖10 下行線DTVI2和改進(jìn)型浮軌扣件道床及隧道壁垂向Z振級1/3倍頻譜

圖11 下行線DTVI2和改進(jìn)型浮軌扣件道床及隧道壁橫向Z振級1/3倍頻譜

表6 下行線DTVI2扣件和改進(jìn)型浮軌扣件道床及隧道壁Z振級VLzmax dB(Z)

5 結(jié)語

（1）成都地鐵軌道交通一號線升仙湖至火車站北站上行區(qū)間，鋼軌相對道床的垂向變形在DTVI2扣件路段和改進(jìn)型浮軌扣件路段分別為0.60 mm和1.41 mm；同區(qū)段下行線區(qū)間，鋼軌相對道床垂向變形在DTVI2扣件為和改進(jìn)型浮軌扣件路段分別為0.41 mm、1.32 mm。上下行區(qū)間測試結(jié)果基本一致，且均符合鐵路軌道工程質(zhì)量評定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)5 mm的線路車輛運(yùn)行安全要求[8]；

（2）在列車正常運(yùn)營情況下，成都地鐵軌道交通一號線升仙湖至火車站北站上行區(qū)間，最大動態(tài)軌距擴(kuò)大量在DTVI2扣件路段和改進(jìn)型浮軌扣件路段分別為0.73 mm和0.33 mm；下行區(qū)間，最大動態(tài)軌距擴(kuò)大量在DTVI2扣件路段和改進(jìn)型浮軌扣件路段分別為0.72 mm、0.24 mm；

升仙湖至火車站北站段上、下行區(qū)間DTVI2扣件路段和改進(jìn)型浮軌扣件路段動態(tài)軌距擴(kuò)大量均符合《中華人民共和國鐵道部鐵路線路維修規(guī)則》[9]對試驗(yàn)車速v＜100 km/h軌道動態(tài)軌距I級保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許偏差管理值的規(guī)定（偏差-6～+12 mm范圍內(nèi)）；

（3）上行線改進(jìn)型浮軌扣件相對于DTVI2扣件隧道墻壁的垂向振動插入損失為7.1 dB，道床垂向振動的插入損失為6.8 dB；下行線改進(jìn)型浮軌扣件相對于DTVI2扣件隧道墻壁垂向振動插入損失為8.9 dB，道床垂向振動插入損失為6.9 dB。在成都地鐵一號線升仙湖站至成都火車北站，在道床或隧道壁處，改進(jìn)型浮軌扣件在1～80 Hz內(nèi)相對于DTVI2扣件平均減振效果大約為8～9 dB。

[1]林常明，陳光冶.軌道交通噪聲機(jī)理研究與控制[J].軌道交通噪聲機(jī)理研究與控制.2003，4(2)：5-9.

[2]劉加華，練松良，城市軌道交通振動與噪聲[D].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2002，3(2)1：29-33.

[3]洛陽雙瑞橡塑科技有限公司.一種滑槽安裝式懸浮鋼軌減振減振扣件[P].實(shí)用新型專利，專利號：ZL 2011 2 0439915.4.2011.11.9.

[4]中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所.諧振式浮軌減振降噪扣件落錘試驗(yàn)[R].試驗(yàn)分析報告，2010.1-6.

[5]國家環(huán)境保護(hù)局.城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)[S].GB10070-1988.

[6]鐵科院鐵建所.廣州地鐵四號線軌道動態(tài)測試及減振性能評估[R].2006.1-20.

[7]洛陽雙瑞橡塑科技有限公司.成都軌道交通一號線軌道動態(tài)變形及振動測試分析報告[R].2012.-24.

[8]鐵建設(shè).鐵路軌道工程質(zhì)量評定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].（TBJ413-1987）.

[9]中華人民共和國鐵道部鐵路線路維修規(guī)則[S].2001.

Experimental Study on Track Vibration Control Using a Tuned-damper Floating Rail-fastening System

WANG Zhi-qiang1,WANG An-bin1,LEI Tao2,DUAN Yong-qi1

(1.Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang Sunrui Rubber&Plastic Technology Co.Ltd., Research Center of Henan Province on Vibration and Noise Reduction Materials,Luoyang 471003; Henan China;2.Chengdu Metro Operation Co.Ltd.,Chengdu 610000,China)

In order to reduce the track vibration in METRO,an improved tuned-damper floating rail-fastening system with high stiffness has been developed.It makes full use of the dynamic isolator and absorber to effectively reduce the vibrations of rail and slab.This paper introduces the testing method of rail deformation and vibration measurements,and slab and tunnel wall vibration measurements in Chengdu Metro No.1 Line,where the DTV I2 fasteners and the improved tuneddamper floating rail-fasteners have been installed respectively.Mutual comparison of the tests show that the improved tuneddamper floating rail-fastener has a better damping effect for the rail vibration reduction than the other,and can achieve a good vibration insertion loss of 8～9 dB for the slab and the tunnel wall.And the track deformation with this system can also meet the safety requirements in the standard.

vibration and wave;metro;floating rail fastener;vibration isolation and absorption

TB52

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.022

1006-1355(2014)01-0095-06

2013-03-06

王志強(qiáng)（1986-），男，河南息縣人，碩士，目前從事減振降噪材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)振動噪聲分析。

E-mail:wzhiqiang86@126.com