仲瑩涵，關(guān)慶華，溫澤峰，李 偉，陶功權(quán)，張 晴

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

地鐵鋼軌波磨對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)及減振特性影響

仲瑩涵，關(guān)慶華，溫澤峰，李 偉，陶功權(quán)，張 晴

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查某地鐵線路上普通短軌枕、先鋒扣件和鋼彈簧浮置板三種軌道的鋼軌波磨特征，并分別進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，研究鋼軌存在波磨時(shí)，三種軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性及減振效果。結(jié)果表明：三種軌道結(jié)構(gòu)都是內(nèi)軌波磨明顯，外軌表面不平順幅值相比內(nèi)軌都很小，可以忽略不計(jì)其影響；波磨主波長(zhǎng)頻率成分很容易在軌道各零部件（包括隧道壁）振動(dòng)中激發(fā)出來，并且會(huì)引起較大幅值的振動(dòng)；在4 Hz～200 Hz頻率范圍內(nèi)，波磨激勵(lì)下的減振型軌道依然具有良好的減振性能，但是與其最初設(shè)計(jì)用于的減振效果相比，有明顯的下降；先鋒扣件軌道短波長(zhǎng)波磨會(huì)削減隧道壁在高頻段的減振效果；鋼彈簧浮置板軌道的波磨幅值顯著，雖然對(duì)其隧道壁的減振效果影響不明顯，但是會(huì)造成鋼軌振動(dòng)增加。

振動(dòng)與波；地鐵軌道結(jié)構(gòu)；波磨；減振效果

近年來，由于地鐵線路減振降噪要求的提高，我國(guó)越來越多地采用了新型減振軌道形式，如減振扣件軌道、梯形軌枕軌道、鋼彈簧浮置板軌道等，但隨著新型減振扣件軌道的使用，多個(gè)城市地鐵線路減振軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的鋼軌波磨現(xiàn)象越來越普遍。文中以先鋒扣件和鋼彈簧浮置板軌道作為減振軌道代表，研究其在出現(xiàn)波磨時(shí)的振動(dòng)特性及減振效果，并和非減振型軌道即普通短軌枕軌道進(jìn)行對(duì)比，以分析兩種軌道結(jié)構(gòu)在已經(jīng)存在波磨現(xiàn)象時(shí)能否達(dá)到預(yù)期的減振效果。

雖然對(duì)于鋼軌波磨的研究已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多世紀(jì)，但是由于其萌生和發(fā)展是車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，其中涉及的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，本文不涉及波磨成因的研究，因此不再贅述。

針對(duì)城市軌道交通振動(dòng)和噪聲問題，國(guó)內(nèi)外也探索出一系列著眼于軌道結(jié)構(gòu)振源處的控制振動(dòng)方法，尤其是減振軌道的廣泛應(yīng)用，能夠有效減少振動(dòng)對(duì)沿線周圍環(huán)境的影響。對(duì)不同軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和減振效果，不少學(xué)者展開了仿真和試驗(yàn)研究，巫江建立車輛軌道耦合有限元模型，計(jì)算地鐵四種軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，并從振動(dòng)加速度級(jí)、三分之一倍頻程、傳遞函數(shù)等指標(biāo)分析幾種軌道結(jié)構(gòu)的減振效果，發(fā)現(xiàn)梯形軌枕減振效果最好，普通軌道最差[1]。劉鵬輝等對(duì)某地鐵隧道內(nèi)五種軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)鋼彈簧浮置板對(duì)隧道壁減振效果最好[2]。這些研究中很少把鋼軌波磨對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響考慮進(jìn)去，而現(xiàn)場(chǎng)鋼軌波磨出現(xiàn)較普遍，在這種情況下，鋼軌的振動(dòng)一定會(huì)受到影響，至于實(shí)際影響有多大，就需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。

1 鋼軌波磨現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 鋼軌不平順

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查某地鐵線路半徑為390 m的普通短軌枕軌道和先鋒扣件軌道（兩處路段的道床均為混凝土整體道床）以及半徑為400 m的鋼彈簧浮置板軌道處（鋼彈簧浮置板軌道采用普通扣件）的曲線內(nèi)外側(cè)鋼軌波磨情況。發(fā)現(xiàn)三種類型軌道的曲線內(nèi)側(cè)鋼軌表面均有明顯的波磨，外側(cè)鋼軌表面肉眼看不到明顯的波磨。上述三種軌道結(jié)構(gòu)所在曲線半徑接近，運(yùn)行同樣的地鐵列車，因此，下文可以對(duì)其鋼軌波磨特征和振動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比分析。圖1分別示意普通短軌枕軌道、先鋒扣件軌道和鋼彈簧浮置板軌道內(nèi)軌波磨波長(zhǎng)和形貌特征。圖2和圖3分別是三種軌道結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)(對(duì)應(yīng)圖中橫坐標(biāo)零點(diǎn))前后1 m以內(nèi)的波磨不平順幅值和頻譜特征圖，從測(cè)試結(jié)果可以看到，曲線內(nèi)軌波磨幅值比外軌大很多，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)小半徑曲線上有這種現(xiàn)象，其中的原因很復(fù)雜，金學(xué)松等從理論上解釋了內(nèi)外軌產(chǎn)生不同初始波磨的原因[3]。李霞結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，認(rèn)為當(dāng)內(nèi)軌輪重較大（過超高）時(shí)，容易導(dǎo)致內(nèi)側(cè)鋼軌和軌道板作垂向彎曲振動(dòng)，伴隨翻轉(zhuǎn)振動(dòng)或橫向1階彎曲振動(dòng)，會(huì)首先導(dǎo)致曲線內(nèi)軌產(chǎn)生波磨[4]。從圖2和圖3中還發(fā)現(xiàn)先鋒扣件軌道內(nèi)軌不平順幅值相比其它兩種軌道要小，但波長(zhǎng)要短，關(guān)于不同軌道結(jié)構(gòu)的波磨形成機(jī)理文中不做研究，但是這種情況可以與其它兩種軌道結(jié)構(gòu)的波磨特征作比較，以分析內(nèi)軌鋼軌的振動(dòng)大小主要是由波磨幅值還是波長(zhǎng)決定的。

試驗(yàn)車輛通過這三種軌道的運(yùn)行速度是57 km/h～59 km/h，對(duì)應(yīng)到每種軌道上的波磨通過頻率見表1。

表1 不同軌道結(jié)構(gòu)鋼軌波磨通過頻率

2 軌道振動(dòng)測(cè)試與分析

為了分析上述已有波磨下三種軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，進(jìn)行實(shí)際列車運(yùn)行試驗(yàn)，測(cè)試軌道結(jié)構(gòu)在列車運(yùn)行激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)。

測(cè)試采用堅(jiān)固型動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)和壓電式加速度傳感器，軌道的振動(dòng)測(cè)量位置參照?qǐng)D1所示，主要測(cè)試量有：

（1）軌枕上方軌頭垂向和橫向加速度；

（2）相鄰兩軌枕中間處（跨中）軌頭垂向和橫向加速度；

（3）扣件或彈條垂向和橫向加速度；

（4）軌枕垂向加速度；

（5）道床垂向加速度；

（6）隧道壁垂向和橫向加速度，測(cè)點(diǎn)選在距離鋼軌軌面1.2 m處（見圖4）。

測(cè)試列車為地鐵B型車，4動(dòng)2拖，測(cè)試工況為空載，通過曲線速度約為59 km/h。下面就測(cè)試結(jié)果對(duì)波磨激勵(lì)下軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性進(jìn)行分析。

分別采集三種軌道結(jié)構(gòu)在地鐵列車正常運(yùn)營(yíng)條件下鋼軌、扣件、道床（板）以及隧道壁的振動(dòng)時(shí)程響應(yīng)信號(hào)，并進(jìn)一步分析其相應(yīng)的1/3倍頻程頻譜結(jié)果。

圖1 三種軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)軌波磨

圖2 曲線內(nèi)外軌不平順幅值

圖3 曲線內(nèi)外軌波磨不平順等級(jí)

圖4 隧道壁（內(nèi)軌側(cè)）傳感器布點(diǎn)

圖5給出三種軌道結(jié)構(gòu)鋼軌的振動(dòng)加速度時(shí)域圖，可以明顯看到內(nèi)軌側(cè)鋼軌的振動(dòng)加速度峰值都高于外軌；其中先鋒扣件軌道內(nèi)外側(cè)鋼軌振動(dòng)幅值差異最小，對(duì)應(yīng)波磨測(cè)試結(jié)果，該軌道內(nèi)外軌表面波磨幅值相差亦最小。

從圖6中普通短軌枕軌道各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值可知，內(nèi)軌彈條的振動(dòng)有效值最大，內(nèi)軌側(cè)鋼軌的振動(dòng)次之，這是因?yàn)橛刹ヒ鸬奶囟l率使輪軌系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，從而激發(fā)了彈條的共振。

圖7為普通短軌枕軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)鋼軌、道床及隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻曲線，各測(cè)點(diǎn)的垂向振

圖5 三種軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)外鋼軌振動(dòng)時(shí)域圖

動(dòng)加速度分頻振級(jí)都在80 Hz～100 Hz頻率段存在峰值，該頻率段正好和該測(cè)試斷面內(nèi)軌波磨不平順的通過頻率對(duì)應(yīng)，說明波磨的主波長(zhǎng)成分在整個(gè)軌道系統(tǒng)的振動(dòng)中發(fā)揮了重要作用，即主波長(zhǎng)波磨的激勵(lì)很容易在軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)中體現(xiàn)出來，下面兩種軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性分析也能得出以上結(jié)論。

由圖8可知，先鋒扣件軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性規(guī)律與普通短軌枕軌道不同，從鋼軌經(jīng)扣件減振后傳遞到軌下結(jié)構(gòu)的能量大大減少；從圖9可知，內(nèi)外軌、道床和隧道壁四個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)加速度分頻振級(jí)均在260 Hz存在峰值，這個(gè)頻率和該測(cè)試斷面內(nèi)軌波磨不平順通過頻率對(duì)應(yīng)。

圖6 普通短軌枕軌道各測(cè)點(diǎn)加速度有效值

圖7 普通短軌枕軌道垂向振動(dòng)分頻振級(jí)

圖8 先鋒扣件軌道各測(cè)點(diǎn)加速度有效值

如圖10和圖11所示，鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與先鋒扣件軌道相比，內(nèi)軌軌枕及以上結(jié)構(gòu)的振動(dòng)有效值要高，這是由于鋼彈簧浮置板軌道的波磨不平順幅值更大和扣件剛度更大所致。

比較表2中三種軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)水平還能發(fā)現(xiàn)：

（1）鋼彈簧浮置板軌道的隧道壁振動(dòng)明顯小于其他兩種軌道，這是由于鋼彈簧浮置板軌道作為減振軌道，浮置板質(zhì)量大，吸收了大量能量，從而大大減小隧道壁的振動(dòng)。

（2）鋼軌以下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基本是逐層遞減的，但是波磨主波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的通過頻率會(huì)傳遞到軌道的所有結(jié)構(gòu)中，包括隧道壁，所以相比于沒有波磨的情況，減振效果會(huì)有一定影響，至于存在波磨時(shí)的減振效果有多大影響將在下節(jié)中詳細(xì)分析。

圖9 先鋒扣件軌道垂向振動(dòng)分頻振級(jí)

圖10 鋼彈簧浮置板軌道各測(cè)點(diǎn)加速度有效值

圖11 鋼彈簧浮置板軌道垂向振動(dòng)分頻振級(jí)

表2 不同軌道結(jié)構(gòu)垂向振動(dòng)加速度級(jí)/dB

3 波磨激勵(lì)下軌道結(jié)構(gòu)減振性能分析

3.1 減振效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)處理方法

我國(guó)目前對(duì)軌道交通減振措施的減振效果的評(píng)價(jià)尚沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可依據(jù)JGJ/T170-2009評(píng)價(jià)城市軌道交通引起建筑物振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]，文中根據(jù)上述軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的分析，發(fā)現(xiàn)由波磨引起的中高頻率成分都能傳遞到隧道壁上，因此建議采用軌旁隧道壁鉛垂向加速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]，并采用ISO2631/1-1997標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1/3倍頻程中心頻率Z計(jì)權(quán)因子進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[7]，軌道減振效果系統(tǒng)評(píng)價(jià)的頻率范圍為4 Hz～200 Hz。

除此之外，還用鉛垂向振動(dòng)加速度級(jí)分別計(jì)算先鋒扣件軌道和鋼彈簧浮置板軌道相對(duì)于普通短軌枕軌道的對(duì)比損失，得到這兩種軌道在該地段取得的減振效果。加速度有效值計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為列車通過測(cè)點(diǎn)時(shí)段。

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

不同軌道結(jié)構(gòu)隧道壁4 Hz～200 Hz計(jì)權(quán)鉛垂向加速度級(jí)修正后所得各中心頻率振動(dòng)加速度級(jí)見圖12，隧道壁振動(dòng)加速度級(jí)未計(jì)權(quán)對(duì)比損失如圖13所示，分頻最大振級(jí)見表3。需要注意的是，表3中先鋒扣件軌道隧道壁分頻最大振級(jí)與表2中的加速度振級(jí)相差很大，這是因?yàn)楸?中加速度振級(jí)是由列車通過8 s內(nèi)的加速度有效值計(jì)算得到，這個(gè)過程包含了所有頻率成分的振動(dòng)，說明高頻段振動(dòng)對(duì)先鋒扣件軌道隧道壁影響較大。

表3 隧道壁處分頻最大振級(jí)（4 Hz～200 Hz）

由表3、圖12和圖13看出：

（1）如圖12所示，先鋒扣件和鋼彈簧浮置板軌道隧道壁的振動(dòng)在4 Hz～200 Hz頻率范圍內(nèi)都小于普通短軌枕軌道。普通短軌枕分頻最大振級(jí)VLmax為89.01 dB，先鋒扣件VLmax為59.71 dB，鋼彈簧浮置板VLmax為58.46 dB。

（2）圖13中，與普通短軌枕軌道相比，先鋒扣件和鋼彈簧浮置板軌道在高于1 Hz時(shí)減振效果明顯，但由于先鋒扣件軌道短波長(zhǎng)波磨的存在，使得其在160 Hz以上頻率段的減振效果不如鋼彈簧浮置板軌道，但是振動(dòng)波在軌道沿線傳播時(shí)振動(dòng)頻率高的分量會(huì)在巖土介質(zhì)中很快衰減[8]，而人體全身垂向振動(dòng)最敏感的振動(dòng)頻率是4 Hz～10 Hz，JGJ/T170-009標(biāo)準(zhǔn)適用的城市軌道交通列車運(yùn)行引起沿線建筑物振動(dòng)的頻率范圍為4 Hz～200 Hz，因此如果不考慮200 Hz以上頻率，則不論是從計(jì)權(quán)或未計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度級(jí)的減振效果看，兩種減振型軌道在鋼軌表面存在波磨的前提下也有良好的減振性能。

圖12 隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程頻譜圖

圖13 隧道壁振動(dòng)對(duì)比損失1/3倍頻程頻譜圖

（3）雖然兩種減振型軌道存在波磨時(shí)也有良好的減振性能，而依據(jù)《地鐵噪聲與振動(dòng)控制規(guī)范》（DB11/T 838-2011）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，沒有波磨時(shí)鋼彈簧浮置板軌道設(shè)計(jì)用于特殊減振，減振效果應(yīng)該要明顯好于先鋒扣件軌道（設(shè)計(jì)用于高級(jí)減振），但是從圖12和圖13明顯可以看到先鋒扣件軌道和鋼彈簧浮置板軌道的分頻振級(jí)和對(duì)比損失值相差都不大，這是因?yàn)椋?/p>

1）文中鋼彈簧浮置板軌道的波磨幅值明顯大于先鋒扣件軌道；

2）鋼彈簧浮置板軌道的波磨主波長(zhǎng)激振頻率在200 Hz以內(nèi)，先鋒扣件軌道波磨主波長(zhǎng)激振頻率在200 Hz以上，而文中選用減振效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍就是4 Hz～200 Hz，即不管是波磨的波深還是波長(zhǎng)都對(duì)減振軌道的減振效果產(chǎn)生了一定影響。

4 結(jié)語

（1）三種軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)軌波磨明顯；普通短軌枕軌道內(nèi)軌波磨主波長(zhǎng)為160 mm～200 mm，波深最大值為0.24 mm，對(duì)應(yīng)通過頻率為80 Hz～100 Hz；先鋒扣件軌道內(nèi)軌波磨主波長(zhǎng)是63 mm，波深最大為0.03 mm，通過頻率260 Hz；鋼彈簧浮置板軌道內(nèi)軌波磨主波長(zhǎng)為200 mm，最大波深0.23 mm，通過頻率為80 Hz，；三種軌道的外軌表面不平順幅值相比內(nèi)軌都很小，波深在0.02 mm以內(nèi)，其影響可以忽略不計(jì)。

（2）波磨主波長(zhǎng)頻率成分很容易在軌道各零部件（包括隧道壁）振動(dòng)中激發(fā)出來，并且會(huì)引起較大幅值的振動(dòng)。

（3）從人體感受振動(dòng)敏感頻率和JGJ/T170-2009標(biāo)準(zhǔn)適用頻率范圍（主要指4 Hz～200 Hz）的角度看，存在波磨的減振型軌道依然具有良好的減振性能，但是跟其最初設(shè)計(jì)用于的減振效果相比，已經(jīng)有明顯的下降。

（4）先鋒扣件軌道波磨雖然波深較淺，但其波長(zhǎng)較短，會(huì)明顯削減隧道壁在高頻段的減振效果；鋼彈簧浮置板軌道的波磨幅值顯著，雖然對(duì)其隧道壁的減振效果影響不明顯，但是會(huì)增加鋼軌振動(dòng)能量；普通短軌枕軌道鋼軌波磨會(huì)引起彈條的共振，容易導(dǎo)致彈條斷裂失效等。因此，波磨對(duì)三種軌道結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，需要采用車載或軌道摩擦調(diào)節(jié)器和定期檢查打磨等方法來控制波磨。

[1]巫江.地鐵不同軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及減振效果分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[2]劉鵬輝，楊宜謙，尹京.地鐵隧道內(nèi)不同軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試與分析[J].振動(dòng)與沖擊，2014，33（2）：31-36.

[3]金學(xué)松，溫澤峰，肖新標(biāo).曲線鋼軌初始波磨形成的機(jī)理分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（3）：1-8+15.

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[6]耿傳智.地鐵軌道結(jié)構(gòu)減振效果的實(shí)測(cè)分析[J].環(huán)境污染與防治，2011，33（11）：54-57+62.

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Influence of Metro Rail Corrugation on Track System’s Vibration and Mitigation Characteristics

ZHONG Ying-han,GUAN Qing-hua,WEN Ze-feng,LI Wei,TAO Gong-quan,ZHANG Qing
(State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Rail corrugation characteristics of 3 types of track structures of the selected metro line including fix-dual short sleepers,Vanguard fasteners and steel spring floating slabs are investigated.The vibration experiments are carried out to analyze the influence of rail corrugation on track system’s vibration and mitigation characteristics.The results show that the corrugation on the inner rail is much more obvious and deeper than that on the outer rail.The main frequency mostly depends on the wavelengths of the corrugation.In the range of 4 Hz-200 Hz,the vibration damping track with short-pitch corrugation still have a good vibration damping performance.The vibration mitigating effect at high frequencies is reduced obviously due to the short-pitch corrugation on the rail of the Vanguard fastener track.There’s no obvious influence of longpitch corrugation of steel spring floating slab track on vibration mitigation.But the greater amplitude of the corrugation on the steel spring floating slab track may cause increase of rail vibration.

vibration and wave;metro track system;rail corrugation;vibration mitigating effect

U270.1+6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.017

1006-1355(2017)04-0085-05+154

2016-12-24

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAG12B01-16)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51305360）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2682016CX126）

仲瑩涵（1992－），女，南京市人，碩士生，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。

關(guān)慶華（1981－），男，碩士生導(dǎo)師。

E-mail:guan_qh@163.com