地鐵軌道道床減振墊減振性能研究

王志強(qiáng) 王安斌 徐 寧 何 況

(1.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,471003,洛陽; 2.鄭州市軌道交通有限公司,450018,鄭州∥第一作者,工程師)

地鐵軌道道床減振墊減振性能研究

王志強(qiáng)1王安斌1徐 寧1何 況2

(1.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,471003,洛陽; 2.鄭州市軌道交通有限公司,450018,鄭州∥第一作者,工程師)

道床減振墊已在鄭州地鐵軌道上得到了實(shí)際應(yīng)用。通過進(jìn)行軌道靜態(tài)錘擊試驗(yàn)及在車輛正常運(yùn)行條件下的軌道動(dòng)態(tài)變形和振動(dòng)測試,分析道床減振墊的減振性能。結(jié)果表明:道床減振墊實(shí)際應(yīng)用時(shí)的固有頻率為25.4 Hz,道床減振墊豎向振動(dòng)頻率在250 Hz、橫向振動(dòng)頻率在100 Hz處的振動(dòng)衰減趨勢較大;在20～400 Hz頻率范圍內(nèi),采用道床減振墊相對于不采用道床減振墊的平均減振量為24.4 dB;在車輛正常運(yùn)行條件下,軌道的動(dòng)態(tài)變形滿足列車安全運(yùn)行的要求,隧道壁的豎向振動(dòng)相對于不采用道床減振墊減少了15.7 dB;在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試條件下,采用道床減振墊的減振量基本一致,具有較好的減振效果。

地鐵軌道; 道床減振墊; 減振性能

First-author′s address Luoyang Sunrui Rubber & Plastic Technology Co.,Ltd.,471003,Luoyang,China

隨著軌道交通的快速發(fā)展,軌道振動(dòng)和噪聲污染問題日趨突出,不但對軌道交通系統(tǒng)的設(shè)備、旅客和工作人員產(chǎn)生不利影響,而且會(huì)影響沿線環(huán)境,尤其是對距離小于20 m的居民住宅、醫(yī)院、學(xué)校、高級賓館、文物保護(hù)等建筑物及穿越地段。僅地鐵方面,每條25～30 km線路中有約16%需要采取高級減振或特殊減振措施[1]。

道床減振墊作為地鐵、輕軌、城市鐵路的碎石道床、整體道床或軌道板下的連續(xù)彈性支撐,具有隔振性能好、耐疲勞性能優(yōu)異、安裝使用方便、成本低廉等特點(diǎn),適用于城市軌道交通環(huán)境的減振降噪[1-4]。

鄭州地鐵1號線市體育館站至紫荊山站上下行線路均鋪設(shè)道床減振墊。該區(qū)間線路長1.12 km,軌道采用整體道床，最小曲線半徑為350 m；左、右線隧道的中心距離約為14 m。區(qū)間隧道為盾構(gòu)法施工的圓形隧道,直徑為5.2 m,隧道頂部與地面的距離約為22 m。本文對該區(qū)間的道床減振墊的減振效果進(jìn)行測試,從而分析產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的減振性能指標(biāo)[5]。

1 道床減振墊介紹

城市軌道交通道床減振墊的靜剛度在0.01～0.03 N/mm3,動(dòng)靜剛度比小于1.5。采用300 mm×300 mm的樣品,在加載頻率4 Hz、加載載荷1.8～9.0 kN的條件下,1 000萬次疲勞測試后,產(chǎn)品無開裂、破損,厚度變化未超過1 mm,靜力基礎(chǔ)模量變化小于20%。同時(shí),道床減振墊采用獨(dú)特的非線性技術(shù),通過采用底板與多個(gè)圓錐截頂?shù)淖枘釂卧嘟Y(jié)合的層次結(jié)構(gòu)形式和橡膠材料配方的設(shè)計(jì),借助面和點(diǎn)支撐的結(jié)合,使產(chǎn)品具有輕載荷低剛度、重載荷高剛度的非線性剛度特點(diǎn)。即當(dāng)列車正常運(yùn)行時(shí),道床減振墊表現(xiàn)出線性變形,以保持列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和隔振降噪性;一旦負(fù)載過重,道床減振墊在正常載荷以外表現(xiàn)出非線性,只產(chǎn)生很小的變形,以保持列車運(yùn)行平穩(wěn),同時(shí)保障了產(chǎn)品具有較好的減振降噪效果[6]。

在整體道床中,包含離散的彈性單元、剛體質(zhì)量單元,以及連續(xù)彈性板元和連續(xù)彈性梁單元。這樣的體系既包含了有限自由度,以剛體運(yùn)動(dòng)為主的模態(tài)振型,也有連續(xù)彈性質(zhì)量體系的無限自由度的無限階數(shù)的模態(tài)振型。運(yùn)用有限單元法可得到道床的各種模態(tài),包含一些復(fù)雜的耦合振型,可以非常清晰地描述其動(dòng)力學(xué)特性[7]。

道床基礎(chǔ)必須有足夠的承載力和剛度。道床減振墊為帶凸起的橡膠墊。道床減振墊的靜剛度試驗(yàn)曲線如圖1所示,在軌道上的安裝示意圖如圖2所示。

圖1 道床減振墊剛度曲線

圖2 道床減振墊在軌道上的安裝示意圖

2 軌道傳遞響應(yīng)函數(shù)試驗(yàn)

為了排除不同載荷工況(如軸載、車速、線路曲線半徑的大小和輪軌表面條件等)對測試比較的影響,從而更準(zhǔn)確了解不同軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性及其振動(dòng)傳遞規(guī)律,對軌道在可控制激勵(lì)大小和方向的條件下測量激勵(lì)及響應(yīng),獲得軌道的傳遞響應(yīng)函數(shù)[9]。從軌道的傳遞響應(yīng)函數(shù)可對軌道進(jìn)行識別,獲得無載條件下的特征參數(shù),如軌道支承剛度等。用激振錘對軌道進(jìn)行激勵(lì),各種條件與運(yùn)行試驗(yàn)相同。在實(shí)際測試過程中,車輛的基本參數(shù)如表1所示,道床減振墊的隔振參數(shù)如表2所示,整體道床軌道的參數(shù)如表3所示。

表1 A型車輛基本參數(shù)

表2 道床減振墊的隔振參數(shù)

表3 整體道床軌道參數(shù)

2.1 軌道傳遞響應(yīng)函數(shù)測試方法

軌道傳遞響應(yīng)函數(shù)測試方法見圖3所示。通過測試可得傳遞響應(yīng)函數(shù)的激振和測振的方向和位置,同時(shí)也可比較兩軌傳遞響應(yīng)函數(shù)的差異。激振和測振可在鋼軌支承的正上方和扣件間距的1/2處截面分別進(jìn)行。傳遞響應(yīng)函數(shù)最好由幾組不同位置測試的平均值來減少誤差。

圖3 軌道傳遞響應(yīng)函數(shù)測試方法示意圖

2.2 計(jì)算軌道振動(dòng)傳播衰減率

通過移動(dòng)激振位置所得的不同位置的傳遞響應(yīng)函數(shù)可計(jì)算軌道振動(dòng)傳播衰減率。即每米振動(dòng)幅值衰減分貝數(shù)。圖4給出了激振和測振的位置。其中,激振和測振在豎直方向、橫向分別進(jìn)行,以獲得不同方向的振動(dòng)傳播衰減率。

3 軌道動(dòng)態(tài)變形及振動(dòng)測試

3.1 軌道變形測量

變形測量位置位于2個(gè)扣件底板的中間,即扣件間距的1/2處截面,如圖5所示[5]。

3.2 隧道振動(dòng)測量

隧道內(nèi)的振動(dòng)測量也在扣件間距的1/2處截面進(jìn)行。隧道壁的豎向和橫向振動(dòng)測量傳感器(加速計(jì))的位置如圖6所示[5]。

圖4 振動(dòng)傳播衰減率測試的激振和測振位置圖

圖5 軌道振動(dòng)變形位移計(jì)布置圖

圖6 隧道墻體上加速度計(jì)設(shè)置位置圖

4 軌道靜態(tài)錘擊分析

現(xiàn)場錘擊試驗(yàn)采用5 kg的榔頭錘擊。錘擊試驗(yàn)點(diǎn)分別在鋼軌扣件及兩扣件中間的豎向和橫向激勵(lì)處,以測試模擬車輪激勵(lì)鋼軌時(shí)隧道壁的振動(dòng)傳遞函數(shù)效應(yīng),在低頻20～200 Hz之間求得插入損失,以得到道床減振墊的隔振性能[6-7]。

4.1 道床減振墊固有頻率

圖7為道床減振墊的錘擊試驗(yàn)傳遞函數(shù),錘頭激勵(lì)點(diǎn)在鋼軌正上方,響應(yīng)點(diǎn)位于道床中間,其傳遞函數(shù)第一階峰值的頻率為25.4 Hz,是道床減振墊在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的固有頻率(靜態(tài)條件下)。圖8為傳遞函數(shù)的相位,在頻率25.4 Hz處傳遞函數(shù)的相位出現(xiàn)了從負(fù)值到正值的跳躍,相位在25.4 Hz處出現(xiàn)突變。圖9為錘擊試驗(yàn)傳遞函數(shù)的相關(guān)相干性,在頻率25.4 Hz處的相關(guān)相干性為0.989，接近1.000，說明錘擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較可靠。

圖7 道床減振墊的錘擊試驗(yàn)傳遞函數(shù)

圖8 錘擊試驗(yàn)傳遞函數(shù)的相位信息

4.2 減振量分析

現(xiàn)場的錘擊試驗(yàn)中,當(dāng)錘子的激勵(lì)點(diǎn)在鋼軌上時(shí),測試隧道壁上的豎向及橫向振動(dòng)響應(yīng)如圖10所示,可分別求得頻率在20～200 Hz之間的傳遞函數(shù)插入損失值的平均值,得到道床減振墊的減振量[10]。設(shè)道床減振墊的相對于不設(shè)道床減振墊的在隧道壁豎向振動(dòng)的傳入損失值為16.3 dB、橫向振動(dòng)的插入損失值為15.9 dB。

圖9 錘擊試驗(yàn)傳遞函數(shù)的相關(guān)相干性

圖10 錘擊試驗(yàn)隧道壁振動(dòng)加速度傳遞函數(shù)

5 軌道動(dòng)態(tài)變形及振動(dòng)分析

5.1 鋼軌的變形分析

鋼軌的變形測量是在線路車輛正常運(yùn)營情況下進(jìn)行的,記錄的車輛數(shù)為10輛。設(shè)道床減振墊和不設(shè)道床減振墊的整體道床對應(yīng)的鋼軌動(dòng)態(tài)試驗(yàn)位移如表4所示。曲線外側(cè)道床邊緣相對于道床基礎(chǔ)的垂直位移為0.93 mm,曲線內(nèi)側(cè)道床邊緣相對于道床基礎(chǔ)的垂直位移為0.29 mm,道床中間相對于道床基礎(chǔ)的垂直位移為0.63 mm。

5.2 隧道壁振動(dòng)分析

在車輛正常運(yùn)行條件下,設(shè)道床減振墊的區(qū)間車速為42.6 km/h,不設(shè)道床減振墊的區(qū)間車速為31.3 km/h,以此對比分析隧道壁的豎向及橫向振動(dòng)。圖11為隧道壁振動(dòng)加速度Z振級的1/3倍頻程圖。

表4 設(shè)道床減振墊和不設(shè)道床減振墊的鋼軌動(dòng)態(tài)試驗(yàn)位移

圖11 隧道壁振動(dòng)加速度Z振動(dòng)級

由圖11可知,在1～80 Hz低頻率段,不設(shè)道床減振墊的隧道壁的豎向振動(dòng)為78.0 dB,橫向振動(dòng)為78.0 dB;設(shè)道床減振墊的隧道壁的豎向振動(dòng)為62.3 dB,橫向振動(dòng)為70.8 dB。設(shè)道床減振墊的在隧道壁的豎向振動(dòng)相對不設(shè)道床減振墊的插入損失值為15.7 dB、橫向振動(dòng)插入損失值為7.2 dB。

6 結(jié)語

(1) 鋼軌相對道床的豎向位移:設(shè)道床減振墊時(shí),鋼軌的凈豎向位移量平均值為0.32 mm,最大軌頭橫向位移量平均值為0.02 mm;曲線外側(cè)道床邊緣相對于道床基礎(chǔ)的豎向位移為0.93 mm,曲線內(nèi)側(cè)道床邊緣相對于道床基礎(chǔ)的豎向位移為0.29 mm,道床中間相對于道床基礎(chǔ)的豎向位移為0.63 mm。對不設(shè)道床減振墊的鋼軌的凈豎向位移量平均值為0.35 mm,最大軌頭橫向位移量平均值為0.07 mm。

(2) 軌距動(dòng)態(tài)擴(kuò)張量:在列車正常運(yùn)營情況下,對于設(shè)道床減振墊的鋼軌在此路段動(dòng)態(tài)軌距擴(kuò)大量均符合對試驗(yàn)車速v<100 km/h時(shí)的軌道動(dòng)態(tài)軌距I級保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許偏差管理值的規(guī)定(偏差在-6～+12 mm范圍內(nèi))[8-9]。

(3) 隧道壁上的豎向及橫向振動(dòng)響應(yīng):在頻率20～200 Hz之間,設(shè)道床減振墊的相對于不設(shè)道床減振墊的在隧道壁豎向振動(dòng)的插入損失值為16.3 dB、橫向振動(dòng)的插入損失值為15.9 dB。

(4) 設(shè)道床減振墊和不設(shè)道床減振墊的隧道壁加速度Z振動(dòng)級:在1～80 Hz低頻段,設(shè)道床減振墊的在隧道壁的豎向振動(dòng)相對于不設(shè)道床減振墊的插入損失值為15.7 dB、橫向振動(dòng)插入損失值為7.2 dB[10-11]。

(5) 通過現(xiàn)場靜態(tài)錘擊測試和通車情況下的動(dòng)態(tài)測試,減振效果基本在16 dB左右,數(shù)據(jù)結(jié)果可靠有效。

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[9] 中華人民共和國鐵道部.鐵路軌道工程質(zhì)量評定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：TBJ 413—1987[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1989.

[10] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)局.城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)：GB 10070—1988[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1989.

[11] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)局.城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)測試方法：GB 10071—1988[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1989.

Vibration Damping Performance of Roadbed Damping Pad Applied in Zhengzhou Metro

WANG Zhiqiang, WANG Anbin, XU Ning, HE Kuang

Anti-vibration roadbed damping pad has been applied in Zhengzhou metro.To analyze its vibration isolation performance,experiments are carried out on site in different loading conditions, including the hammer experiment without traffic loading,and the track vibration measurement in normal traffic loading conditions. The results show that the isolation frequency of the damping pad is between 10 Hz and 15 Hz on the track in metro orperation.Compared with the track system without the damping pad in the frequency range between 20 Hz and 400 Hz,the average vibration insertion loss on the tunnel wall with damping pad track is about 24.4 dB, in normal traffic loading conditions, vibration insertion loss with damping pad in the vertical direction is 15.7 dB lower than that of the track without damping pad. It proves that in both static and dynamic conditions, the track installed with damping pad hasbetter damping performance.

metro track; roadbed damping pad; damping performance

U 211.3

10.16037/j.1007-869x.2016.07.015

2014-07-11)