諧振式浮軌扣件結(jié)構(gòu)及鋼軌減振降噪效果試驗分析

王志強，王安斌，白健，段勇奇，雷濤

（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.成都地鐵運營有限公司，成都 610000）

地鐵已成為解決城市交通擁擠和減少地面噪聲、大氣污染的一種主要交通方式之一。地鐵運營引起的振動噪聲對線路和車輛環(huán)境的影響逐漸引起人們的關(guān)注[1]。軌道交通噪聲污染問題受到高度重視，如果不采取有效的降噪措施，將會被限制經(jīng)營或是被要求降低行車速度[2]。

為減少地鐵線路和車輛振動噪聲，開發(fā)了一種新型無（金屬）彈條可分離式諧振式浮軌扣件[3]，本文重點介紹了其結(jié)構(gòu)原理和減振效果。相對普通扣件，其減振量提高12 dB以上，同時能顯著降低鋼軌振動及由此引發(fā)的鋼軌噪聲輻射，控制鋼軌波磨發(fā)展，提高鋼軌使用壽命和車輛上人員乘坐舒適性。

1 諧振式浮軌扣件結(jié)構(gòu)

諧振式浮軌扣件[4]主要由橡膠彈性楔塊、支撐側(cè)板、鎖緊楔塊、緊鎖彈條、絕緣防撞墊板、絕緣耦合墊板組成，如圖1所示。

圖1 諧振式浮軌扣件安裝示意圖

該裝置允許扣件通過兩個可調(diào)節(jié)的處于不同位置的鎖緊楔塊鎖定鋼軌，并由彈性楔塊的預(yù)壓力扣緊。鋼軌的垂直高度可以通過在底板下的調(diào)高板調(diào)整。軌距的加寬可通過提高外側(cè)楔子和降低內(nèi)側(cè)楔子的位置來達到，反之亦然。在運行中鋼軌本身通過橡膠彈性楔塊允許產(chǎn)生較大位移。

彈性楔塊由天然橡膠及低碳鋼被襯板硫化為一體，橫截面近似于三角形，一側(cè)抵住軌腰，另一側(cè)抵住由鎖楔支撐的側(cè)板。截面底端通常延伸至軌腳上表面以阻止鋼軌向上運動。彈性楔塊通過延伸至內(nèi)部橡膠的背襯板穿洞與側(cè)板上的插腳相配合，實現(xiàn)定位。

絕緣防撞墊板用天然橡膠或聚酯橡膠制成，位于軌底，但與鋼軌底部留有間隙，通常情況下，鋼軌并不接觸到該墊。當有異常負載通過時（如工程車），或超過規(guī)定的下沉量范圍時，或系統(tǒng)失效又沒有維護時，鋼軌則可能接觸到防撞墊。在這兩種任一種情況下，防撞墊才起作用，防止鋼軌和承軌臺或底板的直接碰撞。這也同時確保了鋼軌的電絕緣，并提供了一定程度的隔振，減少了鋼軌和鋼軌承臺機械受損的機會。

2 諧振式浮軌扣件的諧振設(shè)計

低剛度扣件具有較好的隔振效果，但如果輪軌振動能量只是被隔離，而未被耗散，則會反作用于鋼軌和車輛，從而加劇鋼軌的振動和波磨，使車輛噪聲增大，舒適性降低。諧振系統(tǒng)對此進行了專門設(shè)計和改進。諧振式浮軌減振降噪扣件把約束鋼軌的部位由軌腳移動到了鋼軌的軌腰及軌頭下面，呈倒置的“V”型結(jié)構(gòu)從鋼軌的兩側(cè)夾緊鋼軌，正常工作時鋼軌處于懸浮狀態(tài)，可以最大限度地獲得較低的垂向剛度，在保證軌道安全的條件下增加扣件系統(tǒng)的隔振效果，降低輪軌沖擊振動向軌下基礎(chǔ)的傳播，從而控制隧道、站臺及地面建筑物等的振動。在浮軌扣件彈性楔塊中同時設(shè)計了諧振系統(tǒng)，有效地抑制了鋼軌的振動，降低鋼軌噪聲輻射及鋼軌波磨[5]。

2.1 諧振系統(tǒng)對鋼軌振動的控制

諧振系統(tǒng)的設(shè)計是該扣件區(qū)別于傳統(tǒng)軌腰支承結(jié)構(gòu)扣件（如先鋒扣件[6]）的主要特征之一。

諧振式浮軌扣件中的橡膠支撐楔塊內(nèi)含諧振質(zhì)量塊，借助橡膠支撐楔塊的彈性層形成動力吸振器。當鋼軌發(fā)生振動時，通過諧振質(zhì)量塊及彈性層在特定設(shè)計的頻率產(chǎn)生諧振效應(yīng)。

圖2為兩諧振質(zhì)量隔振系統(tǒng)相互關(guān)系示意圖，當鋼軌受到激勵時，主要有諧振子系統(tǒng)1和諧振子系統(tǒng)2以及主彈簧系統(tǒng)（隔振彈簧系統(tǒng)）反相位相互作用。

圖2 兩諧振質(zhì)量隔振系統(tǒng)相互關(guān)系示意圖

圖3是一個典型的3階諧振質(zhì)量設(shè)計的諧振式浮軌扣件彈性楔塊斷面結(jié)構(gòu)。

圖4給出了系統(tǒng)其中1階振動有限元模態(tài)分析振型[7]，對系統(tǒng)進行模態(tài)分析，得到滿足諧振要求模態(tài)頻率對應(yīng)的諧振質(zhì)量和彈性層設(shè)計。對現(xiàn)有地鐵線路及運營條件其主要的諧振頻率范圍在200～1 000 Hz。該系統(tǒng)也保持了隔振設(shè)計的剛度要求，通過有限元模型對扣件系統(tǒng)施加兩個12.5 kN的垂向力，計算得到垂向位移為4.61 mm，因而垂向靜剛度為5.4 kN/mm。

圖3 彈性楔塊斷面

圖4 諧振浮軌扣件諧振棒的分析模振型

2.2 諧振系統(tǒng)對鋼軌波磨的控制

軌道交通中特別在城市軌道小半徑低車速條件下鋼軌波磨問題是軌道振動噪聲及軌道維護的主要問題之一，鋼軌波磨的產(chǎn)生及發(fā)展機理復(fù)雜，影響因素多，一般鋼軌與異常波磨相關(guān)的振動響應(yīng)大小和振動傳播范圍與鋼軌支承剛度和阻尼有關(guān)[5]。由列車沖擊時所帶來的鋼軌振動及對應(yīng)鋼軌因不連續(xù)支承引起的“共振”（Pinned-Pinned），通常被認為是鋼軌產(chǎn)生波磨的主要原因，這種“共振”頻率f可有下式計算[6]

這里的E是鋼軌的彈性模量，I是鋼軌截面對水平中性軸的慣性矩，mr是鋼軌單位長度的質(zhì)量，l是扣件支承間距。

為了有效地抑制鋼軌在相應(yīng)頻率的振動，根據(jù)鋼軌波磨的典型波長范圍設(shè)計相應(yīng)的諧振系統(tǒng)來降低鋼軌波磨激勵產(chǎn)生的響應(yīng)，減小因鋼軌波磨生成和擴展而產(chǎn)生的振動和噪聲，降低輪軌間作用力。

諧振式浮軌扣件的“質(zhì)量—彈簧”諧振頻率設(shè)計同時滿足鋼軌波磨對應(yīng)的波長范圍，抑制波磨的生成和擴展。

3 現(xiàn)場試驗及效果

現(xiàn)場試驗改造地段為普通整體道床結(jié)構(gòu)，其上鋪設(shè)DTVI2型扣件，位于成都地鐵一號線升仙湖站與火車北站K 3+500～K 3+550上行線，該段的兩端均為鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)，浮置板上鋪設(shè)DTVI2型扣件。不同結(jié)構(gòu)道床之間設(shè)置約5 m的過渡段，過渡段為提高了鋼彈簧隔振桶分布密度的鋼彈簧浮置板道床。分別對改造前后正常運營條件下鋼軌的振動水平進行測試分析。

標準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，設(shè)計5～10 m過渡段扣件剛度。由于改造線路較短，為避免線路剛度在短距離內(nèi)變化過大，將標準諧振式浮軌扣件的垂向靜剛度統(tǒng)一提高到12～16 kN/mm，防爬阻力保持不變。

在列車正常運行的情況下，實時對高峰期過往的30列車進行測試數(shù)據(jù)采集。得到了在分別采用DTVI2扣件、改進型諧振式浮軌扣件、測點不變，均為B型車、車速相近條件下對比測試結(jié)果[8]。

圖5、圖6分別為平均車速54.9 km/h時，采用DTVI2扣件的鋼軌垂向、橫向振動的1/3倍頻譜，為了了解不同車輛的影響，圖中同時給出測量時段不同車輛通過下的振動測試結(jié)果，從圖中可以看出鋼軌的垂向、橫向加速度振幅基本穩(wěn)定，測試結(jié)果能代表系統(tǒng)特征。對于減振扣件在200～500 Hz之間是導(dǎo)致異常波磨的主要原因[5]。振動主要集中在50 Hz～1 000 Hz之間。

圖5 DTVI2扣件鋼軌垂向振動1/3倍頻程

圖6 DTVI2扣件鋼軌橫向振動1/3倍頻程

圖7、圖8分別為平均車速54.4 km/h時，采用改進型諧振式浮軌扣件的鋼軌垂向、橫向振動加速度1/3倍頻程。

在相近車速，同種車型和軸載，以及相同軌道狀態(tài)下，對兩種不同扣件的30列車的平均測試結(jié)果進行對比，圖9、圖10分別為采用DTVI2扣件與采用改進型浮軌扣件的鋼軌垂向、橫向振動加速度1/3倍頻程。在鋼軌的垂向振動中，諧振式浮軌扣件在50 Hz～80 Hz、250 Hz～1 000 Hz之間的減振效果比較顯著，其中在50 Hz、63 Hz減振量在2～5 dB，在500 Hz、630 Hz處的減振量在2～4 dB；在橫向振動中，諧振式浮軌扣件在50 Hz～125 Hz、250 Hz～2 500 Hz有較為顯著的減振效果，其中在63 Hz、800 Hz處的減振最為明顯。在減振扣件在200～500 Hz容易產(chǎn)生波磨的頻率段內(nèi)能得到了很好的減振效果，總體比更換之前的DTVI2扣件在該頻率段內(nèi)減少了2～3 dB。

圖7 改進型諧振式浮軌鋼軌垂向振動1/3倍頻程

圖8 改進型諧振式浮軌鋼軌橫向振動1/3倍頻程

通過圖9、圖10中的數(shù)據(jù)計算出該頻段間改進型諧振式浮軌扣件和DTVI2扣件的垂向、橫向振動加速度的總值，如表1所示。改進型諧振式浮軌扣件系統(tǒng)的鋼軌垂向振動插入損失為1.5 dB，橫向振動為0.8 dB，40～125頻率段內(nèi)減振效果更為明顯。試驗結(jié)果表明，諧振式浮軌扣件克服了傳統(tǒng)低剛度隔振扣件對鋼軌振動增加的影響，同時降低了引起鋼軌波磨頻段的鋼軌振動水平，能抑制波磨的生成和擴展。

4 結(jié)語

（1）與更換之前的DTVI2扣件系統(tǒng)相比，諧振式浮軌扣件系統(tǒng)鋼軌的垂向振動減小了1.5 dB，橫向振動減小了0.8 dB。

（2）200～500 Hz是導(dǎo)致鋼軌波磨的主要頻率段在該頻率段內(nèi)減振扣件可使振動減小了約2～3 dB。

（3）理論研究和實際試驗結(jié)果一致，驗證了諧振式浮軌扣件的諧振效果。

（4）經(jīng)在線安裝使用諧振式浮軌減振降噪扣件，證明能滿足目前國內(nèi)外地鐵軌道施工技術(shù)和標準。且安裝、維護工藝簡單，使用壽命長，安全可靠。

圖9 DTV I2與改進型浮軌鋼軌垂向振動1/3倍頻程

圖10 DTV I2與改進型浮軌鋼軌橫向振動1/3倍頻程

表1 DTVI2和改進型浮軌的鋼軌振動

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