沖擊荷載下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲的關(guān)聯(lián)性研究

王啟好,崔日新,肖 宏,田秋實(shí),王 冠

(北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

高速鐵路及城市軌道交通的快速發(fā)展不僅能有效改善交通環(huán)境，而且還有助于帶動(dòng)城鄉(xiāng)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但其運(yùn)行中所產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲問(wèn)題也不容忽視，過(guò)度的振動(dòng)噪聲不僅嚴(yán)重影響乘客和沿線人們的正常生活，還可能引起有關(guān)設(shè)備和結(jié)構(gòu)以及周邊建筑物的疲勞損壞，縮短使用壽命[1]，因此解決此方面的問(wèn)題也成為了鐵路修建運(yùn)營(yíng)的重要一部分。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)振動(dòng)和噪聲已有大量的研究，如D.J.Thompson研究了頻率在250～5 000 Hz的輪軌噪聲，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果認(rèn)為在整個(gè)頻帶內(nèi)軌道噪聲高于車輪，而車輪噪聲在1 000 Hz以上頻率占主要成分[2]；張?bào)丬缤ㄟ^(guò)有限元法討論了由高速鐵路列車運(yùn)行引發(fā)的環(huán)境振動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性[3]；尹皓、李耀增和辜小安等通過(guò)對(duì)高速鐵路運(yùn)行時(shí)不同區(qū)段測(cè)試，進(jìn)行噪聲頻譜特性分析[4]。

從上述的國(guó)內(nèi)外對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲的研究可以看出，目前的研究主要針對(duì)振動(dòng)[5]或者噪聲[6]各自的研究較多，對(duì)二者之間的內(nèi)在聯(lián)系研究尚未開(kāi)展?；诖?，主要設(shè)計(jì)足尺模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究沖擊荷載[7]作用下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道[8]結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲特性以及其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性[9]，為軌道結(jié)構(gòu)減振[10]降噪[11]設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

模型試驗(yàn)采用軌道結(jié)構(gòu)為足尺的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道，如圖1所示。由于本次試驗(yàn)涉及測(cè)定鋼軌噪聲相關(guān)特性，為避免周圍環(huán)境噪聲干擾，試驗(yàn)在凌晨1點(diǎn)左右進(jìn)行。

圖1 模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2 測(cè)試內(nèi)容與元件布置

根據(jù)研究需要，主要進(jìn)行鋼軌、軌道板、底座板等不同位置處的加速度、聲強(qiáng)、聲壓等指標(biāo)測(cè)試。參考國(guó)外鋼軌噪聲計(jì)算模型[12]后，布置的傳感器位置如表1和圖2所示。

表1 測(cè)點(diǎn)及傳感器描述

圖2 測(cè)點(diǎn)位置布置

3 試驗(yàn)方法及工況

試驗(yàn)裝置由加載系統(tǒng)、足尺模型、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。參考文獻(xiàn)[13]，沖擊荷載采用力錘加載，即將不同方向的荷載加載在不同位置的鋼軌上，以此模擬列車運(yùn)行時(shí)車輪對(duì)鋼軌的作用，其中側(cè)向沖擊荷載模擬直線和曲線地段列車運(yùn)行時(shí)車輪對(duì)鋼軌的側(cè)向沖擊，垂向沖擊荷載模擬鋼軌表面不平順和接頭處對(duì)鋼軌的垂向沖擊。利用DASP軟件系統(tǒng)[14]收集無(wú)砟軌道鋼軌軌頂、軌腰、軌底等位置的加速度、聲壓及聲強(qiáng)。試驗(yàn)工況見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)工況

4 試驗(yàn)的結(jié)果分析

4.1 振動(dòng)分析

4.1.1 鋼軌跨中位置側(cè)向錘擊

在跨中軌頂位置進(jìn)行側(cè)向錘擊，測(cè)得的加速度時(shí)程如圖4所示。限于篇幅，僅列出鋼軌跨中各位置側(cè)向加速度時(shí)程。

從圖4看出，加速度衰減快，在20～30 ms內(nèi)已衰減完。從軌頂?shù)杰壯俚杰壍祝逯抵饾u減小。

為了進(jìn)行頻域?qū)Ρ确治觯瑢y(cè)試的加速度時(shí)程圖進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)得到振動(dòng)加速度譜[15]，如圖5所示。

從圖5可以看出，鋼軌各位置處加速度峰值的頻率、峰值大小均不同。從軌頂?shù)杰壯俚杰壍?，?cè)向加速度明顯減弱，垂向加速度明顯增強(qiáng)，縱向加速度一直不明顯；側(cè)向加速度峰值一直在1 400～2 100 Hz頻率區(qū)間內(nèi)，垂向加速度在軌腰處峰值在2 100 Hz頻率附近，軌底處峰值在1 600 Hz頻率附近。

圖4 鋼軌各位置處側(cè)向加速度時(shí)程

圖5 側(cè)向錘擊下鋼軌各位置處三向加速度頻譜

跨中軌頂處以側(cè)向加速度為主，峰值出現(xiàn)在1 600～2 100 Hz頻率區(qū)段?？缰熊壯恢锰幰詡?cè)向和垂向加速度為主，側(cè)向加速度峰值出現(xiàn)在1 400～1 800 Hz頻率區(qū)段，垂向加速度峰值出現(xiàn)在2 100 Hz頻率附近。跨中軌底位置處垂向加速度明顯增大，垂向加速度峰值出現(xiàn)在1 600 Hz頻率附近，側(cè)向加速度峰值出現(xiàn)在1 600、2 100 Hz頻率附近。

4.1.2 鋼軌跨中位置垂向錘擊

通過(guò)FFT變換獲得垂向錘擊下鋼軌各位置處三向加速度頻譜圖，如圖6所示。

圖6 垂向錘擊下鋼軌各位置處三向加速度頻譜

從圖6可以看出，鋼軌各位置處加速度峰值的頻率、峰值大小均不同。側(cè)向加速度從軌頂?shù)杰壯俚杰壍字饾u減弱，垂向加速度逐漸增強(qiáng)，縱向加速度一直不明顯；側(cè)向加速度峰值一直在1 400～1 600 Hz頻率區(qū)間內(nèi)，垂向加速度峰值分布范圍廣。

跨中軌頂、軌腰、軌底處均以垂向、側(cè)向加速度為主?？缰熊夗攤?cè)向加速度峰值出現(xiàn)在1 600 Hz頻率附近，垂向加速度峰值在300～2 100 Hz均有分布?？缰熊壯恢锰巶?cè)向加速度峰值出現(xiàn)在1 400 Hz頻率附近，垂向加速度峰值在300～2 400 Hz均有分布?？缰熊壍孜恢锰幋瓜蚣铀俣让黠@增大，側(cè)向加速度峰值出現(xiàn)在1 500、3 500 Hz頻率附近，垂向加速度峰值在300～2 400 Hz、3 500 Hz附近均有分布，最大峰值出現(xiàn)在1 600、2 100 Hz頻率附近。

同時(shí)在上述幾種情況下，對(duì)比軌道板和底座板加速度時(shí)，均發(fā)現(xiàn)了相同的傳遞規(guī)律[16]，從鋼軌到道床(板)逐層衰減，如圖7所示。

圖7 底座板與軌道板加速度頻譜對(duì)比

從圖7看出，軌道板和底座板加速度頻譜峰值凸出明顯，頻譜圖形式簡(jiǎn)單。軌道板加速度峰值出現(xiàn)在500 Hz頻率處，底座板峰值出現(xiàn)在2 000 Hz頻率處。

4.2 噪聲分析

4.2.1 鋼軌跨中位置側(cè)向錘擊

在跨中軌頂位置進(jìn)行側(cè)向錘擊，測(cè)得的跨中軌頂、軌腰聲強(qiáng)時(shí)程如圖8所示。

圖8 鋼軌跨中各位置聲強(qiáng)時(shí)程

從圖8看出，聲強(qiáng)衰減較快，在20～30 ms內(nèi)已衰減完成。從軌頂?shù)杰壯?，峰值變大?/p>

為了進(jìn)行頻域?qū)Ρ确治?，將測(cè)試的聲強(qiáng)時(shí)程進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)得到頻譜圖，如圖9所示。

圖9 鋼軌各位置處聲強(qiáng)頻譜

從圖9可以看出，鋼軌跨中位置，軌腰處聲強(qiáng)峰值比軌頂處大?？缰熊夗?、軌腰處峰值出現(xiàn)在400、1 000、1 600 Hz附近。枕上軌頂處聲強(qiáng)遠(yuǎn)大于軌腰處聲強(qiáng)。枕上軌頂處聲強(qiáng)峰值出現(xiàn)在500、1 500 Hz附近。

4.2.2 鋼軌跨中位置垂向錘擊

通過(guò)FFT變換獲得跨中垂向錘擊下鋼軌各位置處聲強(qiáng)頻譜，如圖10所示。

圖10 垂向錘擊下鋼軌各位置處聲強(qiáng)頻譜

從圖10可以看出，鋼軌跨中位置，軌腰聲強(qiáng)峰值比軌頂大。軌頂處峰值出現(xiàn)在500、900、1 700 Hz附近。軌腰處峰值出現(xiàn)在900、1 700 Hz附近。枕上位置，軌頂處聲強(qiáng)峰值遠(yuǎn)大于軌腰處。軌頂處峰值出現(xiàn)在800、1 400、2 000 Hz頻率附近。

4.3 關(guān)聯(lián)性分析

4.3.1 鋼軌跨中位置側(cè)向錘擊

將鋼軌跨中各位置處的加速度和聲強(qiáng)頻譜圖進(jìn)行對(duì)比[18]，如圖11所示。

圖11 側(cè)向錘擊下加速度與聲強(qiáng)對(duì)比

從圖11發(fā)現(xiàn)，聲強(qiáng)和側(cè)向加速度峰值的出現(xiàn)有很強(qiáng)的相似性，在側(cè)向加速度出現(xiàn)峰值時(shí)，相應(yīng)頻段的聲強(qiáng)也會(huì)出現(xiàn)峰值。分析多組數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)這種規(guī)律并不是偶然的。在跨中軌頂位置處，側(cè)向加速度和聲強(qiáng)在0～2 200 Hz頻段峰值吻合良好；在跨中軌腰位置處，側(cè)向加速度和聲強(qiáng)在0～1 200 Hz頻段峰值吻合良好。

4.3.2 鋼軌跨中位置垂向錘擊

將鋼軌跨中各位置處的加速度和聲強(qiáng)頻譜圖進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。

圖12 垂向錘擊下加速度與聲強(qiáng)對(duì)比

從圖12發(fā)現(xiàn)，在垂向激勵(lì)作用下，跨中軌頂位置處鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)相比側(cè)向激勵(lì)時(shí)復(fù)雜，側(cè)向和垂向加速度均較大，垂向加速度對(duì)0～2 000 Hz頻段聲強(qiáng)影響大，側(cè)向加速度對(duì)聲強(qiáng)的貢獻(xiàn)不明顯?？缰熊壯恢锰?，在0～1 500 Hz頻率區(qū)段內(nèi)，聲強(qiáng)主要受垂向加速度影響，與側(cè)向加速度的關(guān)聯(lián)小。

5 結(jié)論

(1)在鋼軌跨中位置分別施加側(cè)向和垂向激勵(lì)，鋼軌均產(chǎn)生側(cè)向振動(dòng)和垂向振動(dòng)，從軌頂?shù)杰壯俚杰壍?，?cè)向振動(dòng)逐漸減弱，垂向振動(dòng)逐漸增強(qiáng)。

(2)聲強(qiáng)主要與鋼軌振動(dòng)有關(guān)，鋼軌跨中位置軌頂處聲強(qiáng)頻譜峰值比軌腰處小，而枕上位置軌頂聲強(qiáng)頻譜峰值比軌腰大。

(3)側(cè)向激勵(lì)下，軌頂和軌腰位置聲強(qiáng)主要受側(cè)向振動(dòng)影響。垂向激勵(lì)下，鋼軌各位置聲強(qiáng)頻率0～1 500 Hz區(qū)段主要受垂向振動(dòng)影響，側(cè)向振動(dòng)幅度雖然大，但對(duì)聲強(qiáng)貢獻(xiàn)不明顯，僅能看出對(duì)1 700 Hz頻率處聲強(qiáng)產(chǎn)生明顯影響。

(4)振動(dòng)與噪聲關(guān)聯(lián)最強(qiáng)情況為跨中側(cè)向激勵(lì)下跨中軌頂位置處，聲強(qiáng)與側(cè)向加速度頻譜峰值的出現(xiàn)基本達(dá)到一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

[1] 宋傳江.高速鐵路和城市軌道線路橡膠減震制品的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].橡膠科技市場(chǎng)，2009(6):1-6.

[2] Thompson D J. Prediction of the acoustic radiation from vibrating wheels and rails[J]. Journal of Sound and Vibration， 1988，120(2):275-280.

[3] 張?bào)丬?高速鐵路環(huán)境振動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析[D].成都:西南交通大學(xué)，2015.

[4] 尹皓，李耀增，辜小安.高速鐵路列車運(yùn)行噪聲特性研究[J].鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保，2009(5):221-224.

[5] Hugh S， James P. In-service tests of the effectiveness of vibration control measures on the BART rail transit system[J]. Journal of Sound and Vibration， 2006，293(3-5):888-900.

[6] Donald Te，Marco S，Joe K. Railway noise and the effect of top of rail liquid friction modifiers: changes in sound and vibration spectral distributions in curves[J]. Wear， 2004，258(7-8):1148-1155.

[7] 練松良，劉富.軌道剛度變化對(duì)輪軌沖擊荷載的動(dòng)力影響[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002(4):427-430.

[8] 吳斌，陳文榮，劉參，等.列車豎向荷載下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)受力特性試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014(3):37-42.

[9] 劉震，劉林芽.無(wú)砟軌道鋼軌導(dǎo)納特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012(3):78-81.

[10] 魏民.隔震結(jié)構(gòu)中阻尼對(duì)隔震效果的影響[D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2011.

[11] 谷愛(ài)軍，張宏亮，李文會(huì)，等.城市軌道交通高架線噪聲控制問(wèn)題分析[J].都市快軌交通，2013(4):6-9.

[12] Janssens M，Thompson D J. A Calculation Model For The Noise From Steel Railway Bridges[J].Journal of Sound and Vibration， 1996，193(1):295-305.

[13] 侯傳倫.重載鐵路曲線段磨耗狀態(tài)下輪軌相互作用分析[D].成都:西南交通大學(xué)，2009.

[14] 應(yīng)懷樵，劉進(jìn)明，沈松.把試驗(yàn)室拎著走——數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理軟件DASP2000性能介紹[C]∥中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)振動(dòng)與噪聲控制專業(yè)委員會(huì)，第十五屆全國(guó)振動(dòng)與噪聲高技術(shù)及應(yīng)用會(huì)議論文集:2001年卷，現(xiàn)代振動(dòng)與噪聲技術(shù)，2001：219-225.

[15] 劉林芽，雷曉燕.輪軌噪聲的預(yù)測(cè)[J].鐵道學(xué)報(bào)，2004(1):101-104.

[16] 周廣慶.地鐵常用軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性理論和試驗(yàn)分析[D].北京:北京交通大學(xué)，2015.