連逢逾 王顯 韋凱

1.四川成德軌道交通有限公司， 成都 610041；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，其運(yùn)營(yíng)里程逐年增長(zhǎng)，各種減振構(gòu)造和措施在工程中大量應(yīng)用。彈性墊板作為地鐵軌道系統(tǒng)中最常見(jiàn)的減振構(gòu)造之一，其設(shè)計(jì)效果關(guān)系著軌道交通的實(shí)際運(yùn)營(yíng)效果。彈性墊板設(shè)計(jì)或匹配不合理將引起諸如輪軌關(guān)系惡化、環(huán)境振動(dòng)噪聲超限、軌道幾何形位改變、鋼軌波浪形磨耗等問(wèn)題，甚至影響車輛運(yùn)營(yíng)安全。

扣件系統(tǒng)剛度的合理設(shè)計(jì)（其核心為彈性墊板的剛度設(shè)計(jì)）有助于減緩或者消除線路存在的鋼軌波磨，這在國(guó)內(nèi)外多條線路上已有采用［1］。關(guān)于扣件系統(tǒng)動(dòng)剛度對(duì)輪軌振動(dòng)噪聲的影響已有一些研究［2-4］。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，受供貨廠家不同、墊板高聚物成分多樣等因素的影響，往往同一型號(hào)的扣件系統(tǒng)出現(xiàn)多個(gè)類型的彈性墊板與之匹配。不同類型的彈性墊板均根據(jù)其材料采用針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足TB/ T 3395.1—2015《高速鐵路扣件 第1 部分：通用技術(shù)條件》［5］的靜剛度與低頻動(dòng)剛度設(shè)計(jì)要求。然而，受墊板材質(zhì)、安裝狀態(tài)等因素的影響，不同彈性墊板在非規(guī)范要求的指標(biāo)上存在較大差異。韋凱等［6-8］通過(guò)小型溫度箱與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了彈性墊板在不同溫度下的動(dòng)力特征，得出彈性墊板具有溫變、幅變、頻變的動(dòng)力特征，且上述特征直接影響輪軌系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特征。張東陽(yáng)等［9］對(duì)WJ-7 型常阻力扣件與小阻力扣件進(jìn)行橫向阻力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)小阻力扣件的橫向阻力遠(yuǎn)小于常阻力扣件，但二者在設(shè)計(jì)文件中的垂向靜剛度保持一致。上述因素均未在扣件系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)。

實(shí)際工程表明，上述特征還將影響軌道高頻病害的形成與發(fā)展。圖1展示了成都一地鐵曲線地段在采用相同扣件系統(tǒng)不同彈性墊板后的鋼軌波磨特征，其中墊板A 運(yùn)營(yíng)區(qū)域?yàn)榇蚰ズ蟮?4 天，墊板B 運(yùn)營(yíng)區(qū)域?yàn)榇蚰ズ蟮?0 天，運(yùn)營(yíng)速度均為95 km/h?？梢钥闯觯捎脡|板A 的運(yùn)營(yíng)區(qū)域出現(xiàn)了明顯的鋼軌波磨，而采用墊板B的運(yùn)營(yíng)區(qū)域則形成了穩(wěn)定的接觸光帶。兩種彈性墊板均滿足設(shè)計(jì)文件與相關(guān)規(guī)范的要求，僅在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等方面存在一定的差異。

圖1 相同線路運(yùn)營(yíng)條件不同彈性墊板下鋼軌表面狀態(tài)

為說(shuō)明兩種墊板在動(dòng)力學(xué)特征的差異，進(jìn)而解釋其形成機(jī)理，同時(shí)探究現(xiàn)有扣件動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)的不足之處，本文以該線路所采用的同種扣件系統(tǒng)的兩種彈性墊板為研究對(duì)象，在測(cè)試其3 ～ 5 Hz 動(dòng)剛度（我國(guó)規(guī)范要求的墊板動(dòng)力參數(shù)）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展該地鐵運(yùn)營(yíng)線在兩種墊板安裝情況下的軌道振動(dòng)位移、軌道振動(dòng)加速度、軌旁噪聲等特征測(cè)試，分析在兩種墊板服役狀態(tài)下軌道振動(dòng)特征的異同，以期為后續(xù)彈性墊板設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 測(cè)試對(duì)象

1.1 彈性墊板特征

測(cè)試扣件系統(tǒng)為DZⅢ型彈性分開(kāi)式扣件系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)文件中規(guī)定了兩種可以使用的彈性墊板，見(jiàn)圖2。兩種墊板采用了不同材質(zhì)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。墊板A通過(guò)采用高度不同的交錯(cuò)式承臺(tái)單元結(jié)構(gòu)來(lái)減小墊板的接觸面積，由承臺(tái)之間的剪切提供垂向剛度，以滿足扣件設(shè)計(jì)的剛度要求。墊板B采用較為常用的溝槽設(shè)計(jì)，通過(guò)墊板基材的壓縮變形來(lái)提供垂向剛度，在實(shí)際受載過(guò)程中可結(jié)合材料的非線性特征來(lái)進(jìn)行剛度與位移控制［10］。

圖2 彈性墊板特征

1.2 兩種彈性墊板的動(dòng)剛度測(cè)試

在該型扣件的設(shè)計(jì)文件中，其動(dòng)力學(xué)參數(shù)為設(shè)計(jì)規(guī)范要求的4 Hz 動(dòng)剛度。因此，根據(jù)TB/ T 3395.1—2015的相關(guān)試驗(yàn)要求，測(cè)試兩種彈性墊板在4 Hz頻率下的動(dòng)剛度特征。測(cè)試裝置見(jiàn)圖3。

圖3 彈性墊板的動(dòng)剛度測(cè)試

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，墊板A、墊板B在4 Hz垂向剛度分別為38、42 kN/mm，相差僅9.5%，且均滿足其原始設(shè)計(jì)文件中的相關(guān)要求。因此，兩種彈性墊板均滿足上線運(yùn)營(yíng)的要求。

2 測(cè)試試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)墊板A 與墊板B 的動(dòng)力學(xué)特征，以一地鐵曲線地段為試驗(yàn)段，展開(kāi)扣件系統(tǒng)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)兩種墊板的實(shí)際使用效果進(jìn)行分析與評(píng)估。

試驗(yàn)段軌道為板長(zhǎng)25 m 的曲線地段鋼彈簧浮置板軌道，曲線半徑為600 m，軌道超高為120 mm，軌道超高設(shè)置于浮置板下，扣件間距加密至595 mm。試驗(yàn)段軌道設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度為95 km/h。

測(cè)試時(shí)，首先測(cè)試該線路在原有墊板A 下的動(dòng)力響應(yīng)特征（墊板A 工況），然后將該線路的扣件系統(tǒng)彈性墊板更換為墊板B，待測(cè)試點(diǎn)前后200 m 均更換完畢后，測(cè)試該測(cè)點(diǎn)在墊板B下的軌道動(dòng)力響應(yīng)特征（墊板B 工況）。由于兩次測(cè)試時(shí)間間隔較短（3 d），可認(rèn)為線路的不平順狀態(tài)未發(fā)生改變。

2.1 測(cè)試設(shè)備與測(cè)試內(nèi)容

試驗(yàn)主要采用的儀器有智能采集儀、激光傳感器、振動(dòng)加速度傳感器、噪聲傳感器等，見(jiàn)圖4。

圖4 力學(xué)性能測(cè)試設(shè)備

數(shù)據(jù)采集儀特別適用于振動(dòng)噪聲、車載試驗(yàn)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析；振動(dòng)加速度傳感器為壓電式，頻率為0.1 ～ 20 000 Hz。激光傳感器的量程為10 mm；噪聲傳感器采用高精度IPEE式聲壓傳感器，其測(cè)試頻率為20 ～ 20 000 Hz，測(cè)試聲壓級(jí)為20 ～ 146 dB。

列車通過(guò)曲線時(shí)，內(nèi)軌上的波磨等病害問(wèn)題往往更為嚴(yán)重［11］。因此選取內(nèi)軌為測(cè)試對(duì)象能更直觀地反映出兩種墊板對(duì)軌道動(dòng)力性能的不同影響。測(cè)試內(nèi)容包括動(dòng)態(tài)位移（鋼軌垂向位移，軌頭、軌底橫向位移，鋼軌翻轉(zhuǎn)角，浮置板橫向位移）、振動(dòng)加速度（鋼軌垂向及橫向加速度）和噪聲（軌旁噪聲）。

2.2 橫向位移數(shù)據(jù)處理方法

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，由于傳感器安裝位置的影響，僅能得到鋼軌垂向位移、橫向位移與扭轉(zhuǎn)耦合的結(jié)果。因此，結(jié)合文獻(xiàn)［12］中的鋼軌運(yùn)動(dòng)解耦計(jì)算方法，首先通過(guò)式（1）計(jì)算鋼軌扭轉(zhuǎn)角，再根據(jù)傳感器位置將測(cè)試得到的垂向、橫向位移，按式（2）—式（3）剔除鋼軌扭轉(zhuǎn)引起的部分，從而得到解耦后的鋼軌變形特征。

式中：θ、y、z分別為鋼軌的扭轉(zhuǎn)角、橫向位移與垂向位移；y1、y2分別為鋼軌軌頭、軌底的橫向位移；h為軌頭、軌底測(cè)量點(diǎn)的高差；yc、zc分別為傳感器測(cè)量得到的鋼軌橫向、垂向位移；yθ、zθ分別為鋼軌扭轉(zhuǎn)角引起測(cè)量點(diǎn)的橫向、垂向位移。

3 運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的鋼軌空間動(dòng)力響應(yīng)

3.1 鋼軌位移響應(yīng)特征

墊板A 工況和墊板B 工況下鋼軌垂向位移、鋼軌橫向位移、扭轉(zhuǎn)位移見(jiàn)圖5?？芍?/p>

圖5 兩種墊板工況下的鋼軌位移響應(yīng)

1）兩種工況下的鋼軌垂向位移差別不大，墊板A對(duì)應(yīng)的鋼軌最大垂向位移為0.71 mm，墊板B 對(duì)應(yīng)的鋼軌最大垂向位移為0.63 mm，相差0.08 mm。

2）兩種工況下，鋼軌在橫向上的位移特征具有較為明顯的差異。①對(duì)于鋼軌橫向位移，墊板A 在前輪對(duì)通過(guò)時(shí)引起了較大的橫向位移，而后輪對(duì)通過(guò)時(shí)位移較小，其最大值分別為-0.73、0.37 mm；而墊板B 工況的規(guī)律恰恰相反，其最大值分別為-0.40、0.74 mm。②墊板A 與墊板B 的鋼軌扭轉(zhuǎn)方向趨勢(shì)相同，但在轉(zhuǎn)向架前后輪對(duì)通過(guò)時(shí)的幅值差異較為明顯。當(dāng)前輪對(duì)通過(guò)鋼軌測(cè)點(diǎn)時(shí)，墊板A 與墊板B 對(duì)應(yīng)的鋼軌扭轉(zhuǎn)角最大值分別為0.038、0.016 rad，相差58.90%；后輪對(duì)通過(guò)鋼軌測(cè)點(diǎn)時(shí)，墊板A 與墊板B 對(duì)應(yīng)的鋼軌扭轉(zhuǎn)角分別為-0.014、-0.007 rad，相差50.00%。

輪軌橫向振動(dòng)特征主要受扣件系統(tǒng)橫向剛度特性的影響［13］，由于兩種工況僅存在墊板的不同，鋼軌測(cè)點(diǎn)、行車方向和墊板垂向剛度均一致或相差很小，可以認(rèn)為鋼軌橫向位移與扭轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律主要受兩墊板橫向動(dòng)力學(xué)特征的影響，從而使鋼軌橫向位移在墊板A與墊板B工況分別呈現(xiàn)出橫向位移先大后小與先小后大的變化規(guī)律，且使鋼軌扭轉(zhuǎn)角產(chǎn)生大于50%的降幅。

兩種墊板工況下浮置板的橫向振動(dòng)位移見(jiàn)圖6。其中正方向?yàn)榍€段內(nèi)側(cè)方向?？芍合啾扔趬|板A，墊板B工況下浮置板位移出現(xiàn)了向曲線外側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)；墊板A 工況下浮置板橫向位移為0.30 mm，而墊板B 工況下浮置板橫向位移為0.52 mm，增幅達(dá)96.3%?？梢?jiàn)，在更換墊板B后，浮置板的振動(dòng)位移更多地偏向曲線外側(cè)。結(jié)合實(shí)際線路為欠超高狀態(tài)可知，更換墊板后浮置板的振動(dòng)與欠超高情況下的鋼軌振動(dòng)方向具有更好的一致性，浮置板更多地參與到軌道結(jié)構(gòu)的橫向振動(dòng)中。

圖6 兩種墊板工況下浮置板橫向振動(dòng)位移

3.2 軌道加速度響應(yīng)特征

實(shí)測(cè)不同材質(zhì)墊板配置下垂向振動(dòng)加速度時(shí)頻曲線見(jiàn)圖7。

圖7 兩種墊板工況下鋼軌垂向振動(dòng)加速度時(shí)頻曲線

由圖7 可知：①兩種墊板工況下鋼軌垂向振動(dòng)加速度在時(shí)域上無(wú)明顯區(qū)別。②頻域上，墊板A 工況下鋼軌垂向加速度在各個(gè)頻帶上引起了更為劇烈的振動(dòng)，特別是在640、770、1 000 Hz 處分別產(chǎn)生了8、12、14 m/s2的振動(dòng)峰值。相對(duì)而言，墊板B 除在1 000 Hz的Pinned-Pinned共振頻率處［1］存在與墊板A幅值相近的共振峰以外，其余頻段內(nèi)的振動(dòng)特性均明顯降低，具有更好的振動(dòng)抑制作用。

兩種墊板工況下鋼軌橫向振動(dòng)加速度的時(shí)頻曲線見(jiàn)圖8?？芍孩贂r(shí)域上，鋪設(shè)墊板A 的鋼軌橫向振動(dòng)加速度最大值為200.01 m/s2，對(duì)應(yīng)墊板B 工況僅為80.15 m/s2，降幅達(dá)到59.93%。②頻域上，墊板A 工況下鋼軌振動(dòng)較為劇烈，在420、900、1 400 Hz 共振峰處分別產(chǎn)生了0.56、0.98、1.34 m/s2的橫向加速度。相對(duì)而言，采用墊板B 后鋼軌橫向振動(dòng)加速度在全頻帶均出現(xiàn)了明顯的降低，在墊板A 工況的三個(gè)典型共振頻率處的振動(dòng)響應(yīng)也明顯減弱。

圖8 兩種墊板工況下鋼軌橫向加速度時(shí)頻曲線

結(jié)合浮置板橫向位移結(jié)果，在軌道不平順狀態(tài)相同的情況下，采用墊板B對(duì)應(yīng)的鋼軌振動(dòng)加速度降低、浮置板振動(dòng)位移增大，可認(rèn)為原有鋼軌振動(dòng)能量更多地由鋼軌本身傳遞至浮置板中，降低了鋼軌的振動(dòng)強(qiáng)度。

3.3 軌旁噪聲測(cè)試結(jié)果

為測(cè)試兩種墊板對(duì)隧道內(nèi)軌旁噪聲的影響，采用噪聲傳感器測(cè)量?jī)煞N工況下軌旁噪聲幅值。結(jié)果表明，墊板A、墊板B 工況下噪聲最大等效聲壓級(jí)分別為97.9、93.2 dB，換用墊板B 后最大等效聲壓級(jí)下降了4.7 dB。

為進(jìn)一步探究?jī)煞N墊板在不同頻段對(duì)噪聲大小的影響，對(duì)實(shí)測(cè)噪聲時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到噪聲頻譜曲線，見(jiàn)圖9?？芍簤|板B 在70 Hz 以下低頻區(qū)域與400 Hz 以上高頻區(qū)域噪聲強(qiáng)度均小于墊板A，在70 ～ 400 Hz 頻段內(nèi)二者噪聲程度差異不大。結(jié)合鋼軌振動(dòng)加速度分析結(jié)果，認(rèn)為墊板B 可以使鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)水平下降，進(jìn)而降低了輪軌系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲［14-15］。

圖9 兩種墊板工況下噪聲頻譜曲線

綜上可知，在更換試驗(yàn)線彈性墊板前后，鋼軌的垂向振動(dòng)位移并未出現(xiàn)明顯差別，這與兩種彈性墊板的4 Hz 垂向動(dòng)剛度的結(jié)果相符合。鋼軌垂向加速度的頻譜存在明顯差異，其軌旁噪聲也出現(xiàn)了相類似的結(jié)果。結(jié)合相關(guān)調(diào)研結(jié)果［8］，該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能與兩種彈性墊板的高頻動(dòng)剛度與阻尼設(shè)計(jì)有關(guān)，而在現(xiàn)有規(guī)范中對(duì)此并無(wú)描述。在橫向上，鋼軌的橫向位移和扭轉(zhuǎn)變形出現(xiàn)了較為明顯的差異，考慮一個(gè)轉(zhuǎn)向架通過(guò)測(cè)試位置時(shí)，鋼軌橫向位移在墊板更換前后的變形規(guī)律發(fā)生了變化，由先大后小改變?yōu)橄刃『蟠?，鋼軌扭轉(zhuǎn)變形幅值出現(xiàn)了明顯的差別，最大差異達(dá)58.90%，橫向振動(dòng)加速度的測(cè)試結(jié)果也存在59.93%的降低幅度，可知兩種彈性墊板對(duì)外表現(xiàn)出了不同的橫向傳力性質(zhì)，并進(jìn)一步影響到了浮置板的橫向變形特征?，F(xiàn)有文獻(xiàn)表明，軌道的橫向振動(dòng)特征顯著影響鋼軌波磨的形成與發(fā)展過(guò)程［12，16］，因此鋼軌表面的磨耗狀態(tài)差異（參見(jiàn)圖1）可認(rèn)為是由于更換墊板引起的軌道橫向位移特征與振動(dòng)加速度特征差異造成。目前由4 Hz 垂向動(dòng)剛度無(wú)法描述鋼軌在橫向上的變形行為，相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)亟待進(jìn)一步完善。

4 結(jié)論

為了分析不同類型彈性墊板對(duì)鋼軌空間振動(dòng)特征的影響規(guī)律，說(shuō)明現(xiàn)有扣件系統(tǒng)動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)尚有待完善之處，本文以DZⅢ型扣件系統(tǒng)所采用的兩種彈性墊板為研究對(duì)象，在測(cè)試其4 Hz 垂向動(dòng)剛度（規(guī)范要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)）的基礎(chǔ)上，分析兩種彈性墊板在同一運(yùn)營(yíng)條件下的鋼軌空間動(dòng)力響應(yīng)差別。主要結(jié)論如下：

1）現(xiàn)有扣件系統(tǒng)彈性墊板所采用的低頻動(dòng)剛度設(shè)計(jì)參數(shù)，無(wú)法描述鋼軌在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的高頻振動(dòng)加速度特征與橫向振動(dòng)特征，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中由于彈性墊板的結(jié)構(gòu)類型、材質(zhì)等的差異而影響鋼軌的空間動(dòng)力響應(yīng)特征，甚至誘發(fā)相關(guān)的軌道病害。

2）在文中設(shè)置的工況下，兩種彈性墊板引起的鋼軌垂向振動(dòng)位移變化幅度為0.08 mm，與二者4 Hz 動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果相差較小的情況相符合，但其垂向振動(dòng)加速度頻譜結(jié)果除Pinned-Pinned 共振峰以外的其余振動(dòng)峰值均存在明顯差別。

3）在橫向上，兩種彈性墊板所引起的鋼軌橫向位移與振動(dòng)加速度存在較大的差異，考慮一個(gè)轉(zhuǎn)向架通過(guò)鋼軌測(cè)點(diǎn)時(shí)，鋼軌橫向位移測(cè)試結(jié)果由先大后小改變?yōu)橄刃『蟠?，鋼軌扭轉(zhuǎn)角減小58.90%，橫向振動(dòng)加速度下降59.93%，而目前并無(wú)彈性墊板動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)與之對(duì)應(yīng)。