林莉，伍強，李會超，尹學軍, 3，李杰，陳常福，吳波波

重慶地鐵采用WTMD抑制鋼軌波磨及噪聲的試驗研究

林莉1，伍強1，李會超2，尹學軍2, 3，李杰1，陳常福2，吳波波4

(1. 重慶軌道交通(集團)有限公司運營一公司，重慶 401120；2. 青島科而泰環(huán)境控制技術有限公司，山東 青島 266101；3. 隔而固(青島)振動控制有限公司，山東 青島 266108；4. 中國科學院聲學研究所 北海研究站，山東 青島 266023)

為研究寬頻型調諧式鋼軌阻尼器(Wide-frequency Tuned Mass Damper，簡稱WTMD)對抑制波磨和減小車內噪聲的效果，基于WTMD設計原理及調頻方法，通過前期測試得到鋼軌波磨及噪聲主頻，從而確定WTMD型號，并在重慶地鐵1號線雙碑至石井坡上行高架橋曲線段進行了安裝及現(xiàn)場試驗研究，對同一半徑(=545 m)曲線內鋼軌安裝WTMD區(qū)段與未安裝WTMD區(qū)段進行對比測試，測試結果表明：安裝WTMD后可以改善鋼軌動力特性，在安裝WTMD后車廂內1.5 m處噪聲降低7.2 dBA；安裝WTMD后鋼軌在 250～5 000 Hz 頻帶內的阻尼特性得到明顯改善，鋼軌縱向振動衰減率分別在垂向和橫向分別最大提升約28倍(3 150 Hz)和17倍(1 250 Hz)；該改造段內鋼軌波磨的特征波長為40 mm，433 d跟蹤測試結束時未安裝WTMD的鋼軌表面粗糙度級最大超出 TSI 3095:2010 限值達28 dB，而安裝 WTMD 段無明顯鋼軌波磨現(xiàn)象，安裝WTMD能夠有效抑制鋼軌波磨的發(fā)展。

鋼軌波磨；鋼軌振動；噪聲；曲線段；寬頻型鋼軌阻尼器(WTMD)

目前，國內城市軌道交通正處在一個迅速發(fā)展的時期。各個城市地鐵大規(guī)模建設的同時，也面臨新的問題，如由鋼軌波磨引起的螺栓斷裂、彈條斷裂、車廂內噪音、高架橋環(huán)境輻射噪聲等問題[1]，這些問題不僅增加了軌道系統(tǒng)的維修養(yǎng)護成本，而且還影響著列車的安全行駛[2]。近年來，國內外學者對鋼軌波磨的治理進行了大量研究，Egana等[3]利用改變鋼軌表面摩擦因數(shù)和鋼軌硬度來改善鋼軌表面波磨狀態(tài)，但是其采用涂油方式對行車安全存在一定隱患。劉衛(wèi)豐等[4]研究了剪切型減振扣件對抑制鋼軌波磨的效果，結果表明剪切型減振扣件內增設剛度墊塊后，能夠有效抑制波磨的發(fā)展。Grassie等[5]通過改變列車牽引力的方法來研究波磨的生成與發(fā)展。但目前對于高架橋曲線段鋼軌波磨的研究較少。高架橋在地鐵線路中占比越來越高，主要由于其建設工期短、成本低等優(yōu)點，但在施工過程中由于許多因素影響，大部分線路基本均存在小于800 m半徑的曲線段，而鋼軌波磨主要集中出現(xiàn)在曲線段[6]，鋼軌波磨的出現(xiàn)會惡化輪軌關系并增加軌道系統(tǒng)養(yǎng)護工作量[7?8]。這類波磨一般表現(xiàn)為波長均勻，波深范圍一般為88～160 μm，波谷邊緣的擠出現(xiàn)象[9?11]明顯，波磨波長范圍一般為 12.5～40 mm，屬于短波波磨。根據對試驗段內鋼軌進行的傳遞函數(shù)測試得到，該軌道系統(tǒng)無論在垂向或橫向，在大于250 Hz 頻段內的阻尼比都很低(約0.8%)。有實際改造案例顯示，WTMD能大大提高鋼軌系統(tǒng)阻尼等特性，能有效抑制其鋼軌表面波磨的產生及發(fā)展[12?13]。結合該曲線區(qū)段鋼軌波磨的特點及前期研究成果，本文提出在現(xiàn)行軌道上安裝WTMD來治理該高架橋曲線段鋼軌波磨的方法，并開展了線上試驗段試驗研究。

1 試驗段波磨和噪聲特點

為了研究該試驗段內鋼軌波磨及噪聲的特點，對重慶地鐵1號線雙碑至石井坡上行高架橋曲線段(曲線半徑=545 m)鋼軌波磨及噪聲進行了研究。

經過波磨測試發(fā)現(xiàn)該曲線段波磨波長為12.5～40 mm短波波磨[14]，如圖1所示，同時對該段車內噪聲及環(huán)境輻射噪聲進行測試，經過分析，結果如表1所示。

圖1 高架橋曲線鋼軌波磨

由表1得到，該曲線試驗段鋼軌波磨波長與扣件類型和速度等因素有關，波磨波長與速度確定后根據經驗公式得到波磨主頻率，經過測試結果發(fā)現(xiàn)該曲線段車內噪聲主頻與波磨主頻較為一致，即對應工況下車內噪聲及環(huán)境輻射噪聲是由鋼軌表面波磨直接引起，也就是說，鋼軌表面波磨的嚴重程度直接影響車內噪聲及環(huán)境輻射噪聲的大小。同時，由測試結果可以得出該曲線段產生的短波波磨有可能是導致螺栓斷裂的主要原因，具體驗證需要進一步詳細研究。

表1 試驗區(qū)段軌道參數(shù)及鋼軌波磨和噪聲特點

2 WTMD的結構和原理

寬頻型調諧式鋼軌阻尼器(WTMD)由迷宮式約束阻尼板和鋼軌動力吸振器組成，產品的鋼軌斷面結構如圖2所示。迷宮式阻尼板采用高性能金屬粘接劑粘接在鋼軌軌腰兩側，在鋼軌橫向方向上連續(xù)貼滿整個曲線段鋼軌的軌腰兩側。鋼軌調諧質量阻尼器布置在現(xiàn)有扣件的中間，鋼軌翼緣兩側各一個，采用高性能的彈性粘合劑粘結在翼緣板和迷宮阻尼板上，然后采用彈簧夾進行二次防護，使產品達到結構安全可靠的防護要求。

圖2 WTMD結構示意圖

鋼軌WTMD由彈性元件、質量塊和支承框架組成，質量塊放置在支承框架的空腔中，彈性阻尼元件放置在質量塊與支承框架之間。通過改變在鋼軌垂向及橫向的彈性元件的剛度和阻尼特性，就可以實現(xiàn)改變產品吸振頻率及阻尼比的效果，這種調整，可以通過控制彈性元件的材質、數(shù)量、尺寸等實現(xiàn)。在實際應用中，沿鋼軌橫向設置的彈性元件和沿鋼軌垂向設置的彈性元件可以單獨控制其剛度及阻尼比特性，從而分別滿足鋼軌在垂向和橫向振動控制的不同需求。

根據該產品的設計原理以及經過前期對重慶高架橋曲線段內鋼軌過車振動數(shù)據測試，經過分析可以得到鋼軌過車時的一階主頻率為540 Hz，二階主頻率為740 Hz，因此，只要將WTMD的固有頻率調至相應的過車主頻率即可，通過實驗室振動臺對不同型號的WTMD進行調頻試驗，如圖3所示，可以得到301-15型號WTMD的一階頻率為518 Hz，二階和三階頻率分別為700 Hz和759 Hz，與過車振動及噪聲主頻率相近，故選擇該型號為最終型號，實驗室調頻測試如圖4所示。

圖3 301-15型WTMD固有頻率頻譜圖

圖4 實驗室WTMD調頻現(xiàn)場

3 WTMD的軌道線路動態(tài)特性研究

軌道線路結構的動態(tài)響應可以用頻率響應函數(shù)來直接反應，頻響函數(shù)分析能夠反映軌道線路系統(tǒng)在頻域范圍內的固有特性。為保證測試數(shù)據的可重復性，在WTMD安裝段和對比段分別選取5組扣件上方與扣件跨中位置，進行垂向與橫向頻響函數(shù)測試(圖5)，每組選取3次可靠數(shù)據進行分析。

圖5 試驗段頻響函數(shù)測試

測試結果如圖6所示，可以得出：對比段鋼軌垂向一階pinned-pinned共振頻率為 1 030 Hz。WTMD安裝段的垂向一階pinned-pinned頻率為1 038 Hz，并且對應頻響函數(shù)幅值相比于對比段降低約75%。

對比段鋼軌橫向一階pinned-pinned共振頻率為510 Hz。WTMD安裝段的橫向一階 pinned- pinned 共振頻率為420 Hz，其頻響函數(shù)幅值較對比段降低約 43%。WTMD安裝段將對比段在473 Hz處跨中和1 317 Hz 處扣件上方的橫向共振峰消除。

(a) 垂向；(b) 橫向

綜上，在安裝 WTMD 后使得鋼軌橫向與垂向頻響函數(shù)曲線均變得較為“平順”，即：在激勵條件相同情況下，鋼軌橫向和垂向頻響函數(shù)幅值均明顯降低。這為治理由輪軌關系引起的波磨具有重大意義。

4 WTMD的降噪抑磨效果研究

4.1 降噪效果研究

為了評價鋼軌阻尼器的降噪性能，分別在安裝前后(鋼軌均未打磨條件下)同一測點對車內噪聲進行了測試。聲傳感器布置在第3節(jié)車廂中間位置中軸線上(B型車，6節(jié)編組)，高1.5 m，位置布置情況如圖7所示。

圖7 車廂內聲傳感器位置

為了研究WTMD的治理效果，選取10組車廂內噪聲測試結果進行平均計算對比。如圖8所示，WTMD安裝后在500 Hz以上頻帶聲壓級均有較大程度降低，經過計算得到WTMD安裝后車廂內噪聲比安裝前降低7.2 dBA。

圖8 安裝WTMD前后車廂內噪聲等效A聲級

4.2 抑磨效果研究

為了評價WTMD的抑磨效果，對鋼軌進行了振動衰減率(Decay rate)測試，它能夠直接體現(xiàn)出鋼軌系統(tǒng)的阻尼特性及振動能量在縱向傳遞能力的指標，單位為 dB/m。如果振動衰減率在某一頻率范圍內較低，說明在該頻帶內鋼軌系統(tǒng)的阻尼較小，即列車運行時產生的振動能量可能不會得到有效的吸收，沿鋼軌縱向傳播較遠。鋼軌振動衰減率的測試及計算參照國際標準 BS EN 15461:2008 +A1:2010[16]的要求。

圖9 振動衰減率測試

(a) 垂向；(b) 橫向

試驗段鋼軌振動衰減率分析結果如圖10所示?？梢缘贸觯涸?50～5 000 Hz 頻帶范圍內 WTMD 安裝段垂向振動衰減率比對比段有明顯提高，鋼軌垂向振動衰減率在3 150 Hz 頻帶處提高最大，約是對比段的 28倍；同樣，安裝段橫向振動衰減率在125～5 000 Hz 頻帶范圍內較對比段均有明顯提高，橫向振動衰減率在1 250 Hz頻帶處提高最大，約是對比段的17倍。

4.3 跟蹤測試

為研究 WTMD在安裝后對高架橋曲線段鋼軌波磨治理的效果，現(xiàn)對鋼軌軌頂走形帶粗糙度進行連續(xù)跟蹤測試。WTMD安裝后并在鋼軌重新打磨后第 128 d，采用高精度波磨小車(m|rail Trolley: Rail Roughness Measuring Device，以下簡稱m|推車式鋼軌波磨儀，如圖11)對改造段內、外軌表面走形帶粗糙度進行第一次測試，并在重新打磨后分別于 370 d和 433 d進行第2和3次測試。參照國際標準BS EN ISO 3095:2005，分析評價指標采用鋼軌表面粗糙度級(Lr)[17]和移動波深幅值峰峰平均值(PPR)[18]。

圖11 使用m|推車式鋼軌波磨儀進行鋼軌表面粗糙度測試

4.3.1 對比段鋼軌走形帶粗糙度分析

鋼軌在重新打磨后第433 d，對比段內鋼軌波磨情況如圖12所示。內軌存在顯著短波波磨，外軌有側磨現(xiàn)象，與WTMD安裝前的表現(xiàn)形態(tài)較為一致。

經計算，在 30～100 mm 分析窗長下，對比段內、外軌的PPR 超限率(限值為 10 μm)分別于開始測試時的51%和 1%增大為 98%和 17%，尤其內軌已遠遠超過標準[18]規(guī)定的容許超限率(5%)。鋼軌表面在典型波長40 mm處超出 TSI 3095:2010 限值達28.35 dB；外軌表面在典型波長20 mm處超限達 9.46 dB(圖13)。

(a) 內軌；(b) 外軌

圖13 對比段內、外軌表面粗糙度級

4.3.2 安裝段鋼軌走形帶粗糙度分析

鋼軌重新打磨后第 433 d，WTMD安裝段鋼軌表面波磨如圖14所示，內、外軌均無明顯波磨。經計算，在 30～100 mm 分析窗長下，安裝段內、外軌PPR 超限率(限值為10 μm)分別于開始測試時的 1%和 2% 增大為 4%和 3%，均在標準規(guī)定的容許超限率(5%)內。內軌走形帶粗糙度級滿足 TSI 3095:2010 限值要求(圖15)。WTMD安裝段在安裝完并重新打磨后，經過433 d正常運行，鋼軌走形帶未出現(xiàn)波磨。

(a) 內軌；(b) 外軌

圖15 安裝段內、外軌面粗糙度級

由第 4.3.1節(jié)鋼軌表面粗糙度分析可以得到，試驗段內軌40 mm 和外軌20 mm 波長為最具代表性的典型波長，因此將對比段與安裝段的內軌40 mm 和外軌20 mm特征波長對應的鋼軌表面粗糙度級隨時間變化進行對比，如圖16所示。圖中的第0天為試驗段安裝 WTMD 后并重新打磨當天，其數(shù)值是根據所得3次粗糙度級增長率的平均值推測得到。由圖 16可得，對比段內軌 40 mm 特征波長的粗糙度級隨運行時間增長較快，而外軌20 mm波長粗糙度級增長緩慢，內外軌特征波長處的粗糙度級在打磨后433 d時分別增長到了28 dB(40 mm)左右和3 dB(20 mm)左右。安裝段與對比段為同一曲線段內，無論是內軌的40 mm特征波長還是外軌的20 mm特征波長，其相對應的粗糙度級增長均較慢，至重新打磨后的433 d，內外軌的兩特征波長粗糙度級均在TSI 3095:2010限值以內。對比結果表明：安裝WTMD后，有效抑制了該高架橋曲線試驗段鋼軌波磨的產生和發(fā)展。

圖16 試驗段內外軌 40 mm和20 mm 特征波長粗糙度級隨時間變化對比

5 結論

1) 安裝WTMD后，列車中間車廂內高1.5 m處噪聲降低7.2 dBA。

2) 安裝WTMD后，該改造段內鋼軌的動力特性得到有效改善，消除或降低了頻響函數(shù)曲線中與鋼軌波磨及噪聲主頻率對應的頻響函數(shù)峰值。同時，提高了鋼軌在一定頻帶范圍內的鋼軌縱向振動衰減率。

3) 持續(xù)433 d的鋼軌表面走形帶粗糙度跟蹤測試表明，在安裝WTMD后，能有效抑制和治理該高架橋曲線試驗區(qū)段的鋼軌波磨問題。

[1] 尹學軍, 劉興龍, 劉永強, 等. 鋼軌阻尼器控制鋼軌波磨噪聲的應用[J]. 噪聲與振動控制, 2017, 37(6): 190? 198. YIN Xuejun, LIU Xinglong, LIU Yongqiang, et al. Application of rail dampers to rail corrugation noise control[J]. Noise And Vibration Control, 2017, 37(6): 190?198.

[2] 李紀陽, 劉林芽, 尹學軍. 迷宮式約束阻尼鋼軌減振降噪試驗分析[J]. 華東交通大學學報, 2016, 33(4): 31?36. LI Jiyang, LIU Linya, YIN Xuejun. Analysis of vibration and noise reduction of labyrinth constrained damping steel[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2016, 33(4): 31?36.

[3] Egana J I, Vinolas J, Gil-Negrete N. Effect of liquid high positive friction (HPF) modifier on wheel-rail contact and rail corrugation[J]. Tribol Int, 2005, 38(8): 769?774.

[4] 劉衛(wèi)豐, 劉維寧, 吳宗臻, 等. 北京地鐵剪切型減振器扣件鋼軌波磨治理的試驗研究[J]. 機械工程學報, 2015, 51(21): 73?78. LIU Weifeng, LIU Weining, WU Zongzhen, et al. Test study on treating rail corrugation for egg fastener in Beijing metro[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(21): 73?78.

[5] Grassie S L, Elkins J A. Tractive effort, curving and surface damage of rails: Part 1. Forces exerted on the rails[J]. Wear, 2005, 258(7/8): 1235?1244.

[6] 劉維寧, 任靜, 劉衛(wèi)豐, 等. 北京地鐵鋼軌波磨測試分析[J]. 都市快軌交通, 2011, 24(3): 6?9. LIU Weining, REN Jing, LIU Weifeng, et al. In-situ tests and analysis on rail corrugation of Beijing metro[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2011, 24(3): 6?9.

[7] 陳嘉梁, 劉維寧, 劉衛(wèi)豐, 等. 北京地鐵DTVI_2扣件鋼軌波磨整治措施的試驗研究[J]. 機械工程學報, 2018, 54(4): 64?69. CHEN Jialiang, LIU Weining, LIU Weifeng, et al. Experimental study on wave grinding treatment of DTVI_2 fastener rails in Beijing subway[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(4): 64?69.

[8] Grassie S L, Elkins J A. Tractive effort, curving and surface damage of rails: Part 1. Forces exerted on the rails[J]. Wear, 2005, 258(7/8): 1235?1244.

[9] Thompson D J, Jones C J C, Waters T P, et al. A tuned damping device for reducing noise from railwaytrack[J]. Applied Acoustics, 2007, 68(1): 43?47.

[10] Maes J, Sol H. A double tuned rail damper-increased damping at the two first pinned-pinned frequencies[J]. Journal of Sound and Vibration, 2003, 267(3): 721?737.

[11] WU T X. Effects on short pitch rail corrugation growth of a rail vibration absorber/damper[J]. Wear, 2011, 271(1/2): 339?348.

[12] 曾欽娥, 劉林芽, 尹學軍. 阻尼鋼軌的降噪性能試驗[J].聲學技術, 2012, 31(1): 98?101. ZENG Qine, LIU Linya, YIN Xuejun. Experimental study on noise reduction performance of damping rails[J]. Audio Technique, 2012, 31(1): 98?101.

[13] 劉興龍, 尹學軍, 孔祥斐, 等. 控制城市軌道高架橋梁結構噪聲的試驗研究[J]. 噪聲與振動控制, 2019, 39(2): 140?144. LIU Xinglong, YIN Xuejun, KONG Xiangfei, et al. Experimental study on controlling structural noise of urban rail elevated bridges[J]. Noise and Vibration Control, 2019, 39(2): 140?144.

[14] 劉習軍, 賈啟芬. 工程振動理論與測試技術[M]. 北京:高等教育出版社, 2004. LIU Xijun, JIA Qifen. Theory and testing technology of engineering vibration[M]. Beijing: Higher Education Press, 2004.

[15] Thompson D J. Railway noise and vibration :mechanics, modeling and means of control[J]. Wear, 2011, 271(1/2): 17?32.

[16] BS EN 15461:2008+A1:2010. Railway applications- Noise emission-Characterization of the dynamic properties of track selections for pass by noise measurements[S]. London: BSI-British Standards Institution, 2011.

[17] BS EN ISO 3095:2005. Railway applications-Acoustics Measurement of noise emitted by rail bound vehicles[S]. London: BSI-British Standards Institution, 2005.

[18] BSI. BS EN 13231?3?2006 Railway applications of rail corrugation, milling and planning work in tracks[S]. London: BSI-British Standards Institution, 2006.

Experimental study on using WTMD to suppress rail corrugation and noise in Chongqing metro

LIN Li1, WU Qiang1, LI Huichao2, YIN Xuejun2, 3, LI Jie1, CHEN Changfu2,WU Bobo4

(1. The First Operating Company of Chongqing Rail Transit (Group) Co., Ltd., Operating A Company, Chongqing 401120, China; 2. Qingdao Create Environment Control Technology Co., Ltd., Qingdao 266101, China;3. Gerb (Qingdao) Vibration Control Co., Ltd., Qingdao 266108, China;4. Qingdao Branch of Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266023, China)

In order to study the effect of Wide-frequency Tuned Mass Damper (WTMD) on suppressing wave wear and reducing interior noise, based on WTMD design principles and frequency modulation methods, rail corrugation and noise were obtained through preliminary tests. The main frequency was used to determine the WTMD model, and the installation and field test of the curve section of the upward viaduct from Shuangbei to Shijingpo of Chongqing Metro Line 1 were carried out. The WTMD section was installed and not installed on the railsof the same radius (=545 m) WTMD section for comparative testing. The test results show that the dynamic characteristics of the rail can be improved after the WTMD is installed, and the noise is reduced by 7.2 dBA at 1.5meters in the cabin after the WTMD is installed; after installing WTMD, the damping characteristics of the rail in the frequency band of 250 to 5 000 Hz have been significantly improved, and the longitudinal vibration attenuation rate of the rail has been increased by approximately 28 times (3 150 Hz) and 17 times (1 250 Hz) in the vertical and lateral directions respectively; The characteristic wavelength of the rail corrugation is 40 mm. At the end of the 433-day tracking test, the surface roughness of the rail without WTMD installed exceeds the limit of TSI 3095:2010 by 28 dB. However, there is no obvious rail corrugation phenomenon in the WTMD section. Effectively inhibit the development of rail corrugation.

rail corrugation; rail vibration; noise; curve segment; wide-frequency tuned mass damper (WTMD)

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200528

TB532；TB533

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 1017 ? 08

2020?06?15

中科院青年基金資助項目(QNYC201819)

林莉(1968?)，女，重慶人，高級工程師，從事城市軌道交通工程研究；E?mail：892073004@qq.com

(編輯 陽麗霞)