徐 寧，王 崗，張用兵，王志強(qiáng)，段勇奇

（1.洛陽(yáng)雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003；2.昆明軌道交通集團(tuán)有限公司 總工程師室，昆明 650011）

隨著城市人口規(guī)模和汽車保有量的增加，交通擁堵及其噪聲污染等問(wèn)題是國(guó)內(nèi)各大城市所面臨的重要問(wèn)題，而城市軌道交通運(yùn)量大、安全可靠、運(yùn)行準(zhǔn)時(shí)、不占用地面交通等優(yōu)點(diǎn)，使其得到迅猛發(fā)展。

鋼軌波磨是在列車運(yùn)營(yíng)過(guò)程中沿鋼軌縱向產(chǎn)生的一種規(guī)則化磨耗，其主要特點(diǎn)是波磨波長(zhǎng)基本固定。波磨導(dǎo)致輪軌間作用力急劇增加，使車輛和軌道系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，縮短車輛和軌道結(jié)構(gòu)零部件的使用壽命，惡化車內(nèi)聲環(huán)境，使乘客有不舒適感，同時(shí)振動(dòng)傳遞至軌道周邊的建筑物會(huì)產(chǎn)生惡劣的振動(dòng)和二次輻射噪聲，影響人們的正常生活。鋼軌波磨一旦出現(xiàn)，則無(wú)法根治，即使采取打磨等措施，運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后波磨再次出現(xiàn)，因此波磨是鐵路交通領(lǐng)域的世界性難題之一。對(duì)于波磨形成和發(fā)展，一種研究結(jié)果表明不連續(xù)支撐對(duì)波磨產(chǎn)生和發(fā)展有著重要的影響，即Pinned-Pinned共振頻率[1–5]。通常情況下，人們根據(jù)地鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境、線路工況、軌道結(jié)構(gòu)等情況，通過(guò)改變軌下結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)軌道參數(shù)，來(lái)治理鋼軌波磨和減振降噪。

昆明地鐵一號(hào)線火車站站至福德站區(qū)間在運(yùn)營(yíng)中由于軌道系統(tǒng)特性和鋼軌波磨綜合原因，造成車內(nèi)噪聲異常，影響了區(qū)間上方居民的正常生活。為解決上述問(wèn)題，首先將列車運(yùn)行時(shí)速降至30 km/h，并采用浮軌扣件對(duì)上下行線路進(jìn)行改造。本文分別于上行線改造前后測(cè)試分析采用浮軌扣件改造后列車在低速狀況下軌道系統(tǒng)安全性能、振動(dòng)、波磨、車內(nèi)振動(dòng)及噪聲、敏感建筑物振動(dòng)和二次輻射噪聲等變化情況。

1 線路工況及扣件系統(tǒng)

1.1 線路工況

該區(qū)間線路更換前上行線DK14+360-DK14+460、下行線DK14+370-DK14+470為中等減振扣件，其它為單趾彈簧普通扣件，更換后上下行線DK14+240-DK14+566為浮軌扣件，其它為單趾彈簧普通扣件。地面敏感建筑物（銀海領(lǐng)域小區(qū)7號(hào)樓二樓某室）、改造前普通扣件測(cè)點(diǎn)DK14+560、中等減振扣件測(cè)點(diǎn)DK14+410和改造后浮軌扣件測(cè)點(diǎn)DK14+410均在上行線上，如圖1所示。該區(qū)間線路為圓曲線段圓形地下隧道，曲線半徑為330 m。

圖1 線路及敏感建筑物示意圖

1.2 線路扣件系統(tǒng)

普通扣件剛度為65 kN/mm，中等減振扣件剛度為18 kN/mm，浮軌扣件剛度為6.7 kN/mm。圖2為改造后線路狀態(tài)。

2 測(cè)試項(xiàng)目及設(shè)備

2.1 測(cè)試項(xiàng)目

測(cè)試主要包括鋼軌垂向變形、鋼軌垂向振動(dòng)、道床垂向振動(dòng)、隧道壁垂向振動(dòng)、波磨測(cè)試、車內(nèi)振動(dòng)及噪聲測(cè)試、敏感建筑物振動(dòng)及二次輻射噪聲測(cè)試。其中軌道變形和振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均位于相鄰倆扣件的1/2處的截面處，如圖3所示。

2.2 測(cè)試設(shè)備

線路測(cè)試設(shè)備主要有：NI采集儀、PCB公司352C03和393A03型加速度計(jì)、CAT波磨采集儀。車內(nèi)和敏感建筑物測(cè)試設(shè)備主要有：NI-USB6212采集儀、PCB公司426A11型傳聲器、393B12型加速度計(jì)。

3 測(cè)試分析結(jié)果

3.1 鋼軌垂向變形分析

分別選取早、中、晚三個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算可得列車分別通過(guò)普通扣件、中等減振扣件和浮軌扣件測(cè)點(diǎn)的時(shí)速分別為29.1 km/h、28.4 km/h和29.0 km/h。三種扣件區(qū)間上車速一致，其測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)需修正。變形測(cè)試結(jié)果如表1所示，其中負(fù)值代表鋼軌下沉變形。

表1 鋼軌垂向變形/mm

表1中普通扣件區(qū)間內(nèi)鋼軌下沉量最小，為0.33 mm，浮軌扣件區(qū)間內(nèi)鋼軌下沉量最大，為1.73 mm；變形量的大小體現(xiàn)減振能力，但變形量過(guò)大則影響行車安全，該處所有扣件區(qū)間內(nèi)鋼軌變形均低于國(guó)家鐵路線路維修I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[（7]8 mm），測(cè)試數(shù)據(jù)表明浮軌扣件在列車低速運(yùn)行過(guò)程中具有較好的安全性能。

3.2 軌道系統(tǒng)振動(dòng)分析

3.2.1 鋼軌振動(dòng)分析

圖2 改造后浮軌扣件軌道系統(tǒng)

圖3 線路測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖4 鋼軌振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

圖4中僅普通扣件區(qū)間鋼軌受鋼軌波磨影響，在63 Hz處有共振峰，共振頻率與車速關(guān)系為f=v/λ，浮軌扣件低軌在160 Hz～2 500 Hz頻段、高軌在100 Hz～500 Hz和1 000 Hz～2 500 Hz頻段振動(dòng)大于普通扣件相應(yīng)振動(dòng)，表明浮軌扣件能夠?qū)⒃擃l帶內(nèi)的能量隔斷于道床。

從表2可知，對(duì)于鋼軌速度總振動(dòng)級(jí)，浮軌扣件最高，普通扣件最低，結(jié)合表1和向心力理論可知，車低速經(jīng)過(guò)曲線段時(shí)，低軌受力較大，下沉變形增大，其鋼軌振動(dòng)也增大，浮軌扣件與普通扣件高低軌總振動(dòng)級(jí)分別相差2.3 dB(A)和2.4 dB(A)。

表2 鋼軌速度總振動(dòng)級(jí)/dB(A)(參考值為5×10-8m·s-1)

3.2.2 隧道壁振動(dòng)分析

從圖5可知，普通扣件區(qū)間隧道壁受波磨和自身固有特性影響，在63 Hz出現(xiàn)峰值，其值遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)由自身固有特性所引起的在40 Hz和31.5 Hz出現(xiàn)的共振峰值，尤其以浮軌扣件峰值為最低，從整體上看，浮軌扣件區(qū)間隧道壁振動(dòng)在整個(gè)頻帶內(nèi)均低于普通扣件區(qū)間相應(yīng)振動(dòng)。

圖5 隧道壁振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

由表3可求得，相對(duì)于普通扣件區(qū)間，中等減振扣件區(qū)間隧道壁垂向振動(dòng)降低8.2 dB(Z)，浮軌扣件區(qū)間隧道壁垂向振動(dòng)降低12.2 dB(Z)，表明浮軌扣件具有優(yōu)良的隔振性能。

表3 隧道壁加速度總振動(dòng)級(jí)/dB(Z)(參考值為1×10-6m·s-2)

3.3 鋼軌波磨測(cè)試分析

為使數(shù)據(jù)具有縱橫向?qū)Ρ刃?，浮軌扣件測(cè)試?yán)锍谭譃椤案≤?”和“浮軌2”兩段，分別對(duì)應(yīng)改造前普通扣件和中等減振扣件里程。

從圖6可知，在原普通扣件區(qū)間低軌存在鋼軌波磨，波長(zhǎng)為125 mm，改造后該區(qū)間低軌波磨仍存在，波長(zhǎng)不變，但峰值下降，高軌及其它扣件區(qū)間與ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)相差不大，即鋼軌表面平滑無(wú)波磨。

圖6 鋼軌波磨粗糙度譜圖

從表4中可知，浮軌扣件更換后，原普通扣件區(qū)間內(nèi)低軌波磨降低4.2 dB(A)，高軌增加1.8 dB(A)，原中等減振扣件區(qū)間內(nèi)波磨降低1.3 dB(A)，高軌增加0.7 dB(A)，表明浮軌扣件整體上能夠抑制鋼軌波磨發(fā)展。

表4 鋼軌波磨粗糙度總級(jí)/dB(A)(參考值為1×10-6m)

3.4 車內(nèi)振動(dòng)噪聲測(cè)試分析

從圖7(a)可知，50 Hz～1 000 Hz頻段內(nèi)普通扣件區(qū)間內(nèi)車內(nèi)噪聲顯著高于另外兩種扣件區(qū)間內(nèi)噪聲，受鋼軌波磨影響，在63 Hz處普通扣件出現(xiàn)峰值，中等減振扣件和浮軌扣件車內(nèi)噪聲變化整體上趨勢(shì)一致，而浮軌扣件在1 000 Hz處出現(xiàn)的峰值整體上抬高總聲壓級(jí)。圖7(b)中，除20 Hz～40 Hz頻段外普通扣件區(qū)間內(nèi)車內(nèi)振動(dòng)整體上最高，中等減振扣件和浮軌扣件區(qū)間內(nèi)車內(nèi)振動(dòng)互相交錯(cuò)，其作用頻段各不相同。

從表5可知，與普通扣件相比，改造后浮軌扣件區(qū)間總聲壓級(jí)減少6.6dB(A)，總振動(dòng)級(jí)減小5.3dB(Z)。

表5 上行線車內(nèi)振動(dòng)噪聲總級(jí)

3.5 敏感建筑物振動(dòng)及二次輻射噪聲分析

從圖8(a)可知，改造前后列車經(jīng)過(guò)時(shí)二次輻射噪聲均在63 Hz出現(xiàn)峰值，改造后峰值下降，主要在31.5 Hz～80 Hz、125 Hz～400 Hz頻帶內(nèi)二次聲輻射降低。

圖8(b)中振動(dòng)曲線均在63 Hz處出現(xiàn)峰值，且改造后峰值下降，主要在31.5 Hz～200 Hz頻帶內(nèi)地面振動(dòng)降低。從表6可知，改造前后地面垂向振動(dòng)減小6.3 dB(Z)，二次輻射噪聲減小4.0 dB(A)。

表6 列車運(yùn)行時(shí)敏感建筑物振動(dòng)噪聲情況

4 結(jié)語(yǔ)

（1）浮軌扣件區(qū)間內(nèi)鋼軌下沉量最大，為1.73 mm，在國(guó)家鐵路線路標(biāo)準(zhǔn)8 mm的范圍之內(nèi)，表明浮軌扣件在列車低速運(yùn)行過(guò)程中具有較好的安全性能。

圖7 車內(nèi)噪聲和振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

圖8 改造前后室內(nèi)二次輻射噪聲和地面垂向振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

（2）與普通扣件區(qū)間相比，浮軌扣件區(qū)間高低軌總振動(dòng)級(jí)分別增大2.3 dB(A)和2.4 dB(A)，隧道壁垂向振動(dòng)降低12.2 dB(Z)，車內(nèi)總聲壓級(jí)減少6.6 dB(A)，車體垂向總振動(dòng)級(jí)減小5.3 dB(Z)。對(duì)于敏感建筑物，改造前后地面垂向振動(dòng)減小6.3 dB(Z)、二次輻射噪聲減小4.0 dB(A)。綜合以上表明浮軌扣件具有優(yōu)良的減振降噪性能。

（3）改造后，原普通扣件區(qū)間內(nèi)低軌波磨降低4.2 dB(A)，高軌增加1.8 dB(A)，原中等減振扣件區(qū)間內(nèi)波磨降低1.3 dB(A)，高軌增加0.7 dB(A)，表明浮軌扣件有效抑制了鋼軌波磨發(fā)展。