軌道交通減振扣件對列車穩(wěn)定性影響對比測試

劉長卿，祝文英，夏 丹，商衛(wèi)純，孫曉明

（1.上海市環(huán)境科學研究院，上海 200233；2.上海城市環(huán)境噪聲控制工程技術研究中心，上海 200233；3.寧波市環(huán)境保護科學研究設計院，浙江 寧波 315012）

城市軌道交通具有便捷、快速、準時、節(jié)能的諸多優(yōu)勢，可以有效緩解地面交通擁堵。但同時列車引起的振動及二次結構噪聲對周邊環(huán)境與適居條件的影響也為城市規(guī)劃及軌道交通設計帶來了新的問題。近年來，國內(nèi)外研究人員對軌道交通引起的振動預測及減振措施進行了大量研究[1-4]。在軌道交通減振措施中，減振扣件因其造價低、使用簡潔高效等優(yōu)點得以在實際工程中得到廣泛應用[5]。但由于減振扣件增加了軌道彈性，導致軌道結構剛度發(fā)生變化，進而影響到列車運行安全與平穩(wěn)性。國內(nèi)已有關于軌道條件對列車平穩(wěn)性影響的相關研究。王開云、翟婉明等運用車輛-軌道耦合動力學理論研究了軌道結構各部件剛度以及線路不平順度等參數(shù)對列車平穩(wěn)性和舒適性的影響[6]。王平等基于車軌耦合動力學理論，以既有提速線路為例，研究分析了軌道、扣件剛度變化對車體、轉向架振動的影響[7]。張小華等對南京地鐵機場線的B型列車經(jīng)過安裝QY-2型減振扣件和ZX-2型普通扣件軌道結構時的車體振動加速度進行現(xiàn)場測試，比較列車通過安裝兩種扣件區(qū)域時車體振動響應，并根據(jù)相關標準進行了平穩(wěn)性指標分析[8]。

上述研究分別從理論計算和現(xiàn)場實測兩個方面研究了相關減振扣件對列車運行平穩(wěn)性的影響。為了研究GH-1軌道交通新型減振扣件對列車運行穩(wěn)定性的影響，本文參考國際鐵路聯(lián)盟規(guī)范《UIC518-2005鐵道車輛動態(tài)性能-安全性-軌道疲勞-運行特性的試驗的認證方法》[9]以及《GB5599-1985鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》[10]提供的測試方法，分別對列車經(jīng)過安裝GH-1和DT系列某型號減振扣件軌道時列車車體和轉向架振動加速度進行現(xiàn)場測試，對比分析不同扣件對列車運行穩(wěn)定性的影響。

1 軌道扣件介紹

測試用的DT某型號減振扣件結構為無擋肩彈性分開式結構，其主要特點是通過鋼軌下的平式橡膠墊板和鐵墊板下的槽式橡膠墊板的雙重彈性沖擊來達到減振目的。該扣件豎向靜剛度為20 kN/mm～30 kN/mm，是目前國內(nèi)使用較多的基礎減振元件。

GH-1減振扣件結構型式與DT扣件類似，主要由鑄鐵件、消聲墊、防短路器及安裝螺栓構成。該系列產(chǎn)品節(jié)點靜剛度為10 kN/mm～40 kN/mm，動靜比小于1。其主要減振元件為橡膠消聲墊，將材料設計和結構設計相結合，具有較高的靜剛度和較低的動剛度，即“高靜低動”的特點，在保證列車運行穩(wěn)定性的同時增強了減振效果。上線試驗主要針對其消聲墊分別為26 mm和34 mm兩種厚度的GH-1扣件進行測試。

2 現(xiàn)場測試

2.1 測試內(nèi)容

測試在同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院試驗線上進行。在測試地段分別安裝GH-1型減振扣件（消聲墊厚度為26 mm和34 mm兩種）和DT減振扣件，測試列車以不同速度通過安裝扣件區(qū)域時的車體和轉向架振動加速度。具體測試內(nèi)容及工況如表1所示。

2.2 測試條件及測點布置

試驗線為直線地面線封閉線路，道床為C40混凝土整體道床，鋼軌為60 kg/m，軌枕采用埋入式長軌，混凝土面與長軌中心頂面平齊。列車為A型車2節(jié)編組，空車運行。軌道扣件安裝區(qū)域長度近30 m。

表1 測試內(nèi)容及工況列表

兩種扣件的行車測試是在同一軌道區(qū)域進行。在相應的軌道區(qū)域首先安裝GH-1新型減振扣件，進行行車測試，然后在相同軌道區(qū)域將GH-1新型減振扣件替換成DT扣件，進行相同行車工況的測試。試驗過程中，僅對減振扣件進行了替換，其他條件不變。

車體測點位于車廂地板，沿垂直于行車方向布設3個測點（P1-P3），測試垂向（z向）和橫向（x向）加速度。轉向架測點（P4）安裝在構架上，測試橫向（x向）加速度。測點位置及測試現(xiàn)場照片如圖1、圖2所示。

圖1 車體地板及轉向架測點布置圖

圖2 測試現(xiàn)場照片

2.3 測試儀器

測試系統(tǒng)采用HEAD SQuadrigaII便攜式8通道數(shù)據(jù)采集儀、KISTLER-8766A50（3向）、KISTLER-8702B100T等IEPE型傳感器若干。

2.4 測試數(shù)據(jù)處理方法

對于車體平穩(wěn)性，首先參考標準《UIC518-2005》中關于行車安全性評價的簡化方法，對列車經(jīng)過扣件安裝區(qū)時測得的車體地板橫向加速度進行6 Hz低通濾波，對垂向加速度進行0.4 Hz～4 Hz帶通濾波。再參考標準《GB5599-1985》對車體橫向和垂向加速度進行數(shù)據(jù)處理，計算列車通過扣件安裝區(qū)時的車體平穩(wěn)性指標W。

對于轉向架，參考標準《UIC518-2005》中關于行車安全性評價的簡化方法，對列車經(jīng)過扣件安裝區(qū)時測得的轉向架的構架橫向加速度進行10 Hz低通濾波。

3 測試結果分析

3.1 車體測試結果

圖3、圖4為列車以兩種車速通過不同扣件安裝區(qū)時測點P1的振動加速度FFT頻譜曲線（因篇幅有限僅列出P1點頻譜），其中點線為橫向振動加速度，實線為垂向振動加速度。

從頻譜圖可見：

(1)列車通過扣件安裝區(qū)時，車體垂向振動加速度主要有兩個峰值頻域，第1個在10 Hz以下，第2個在140 Hz～150 Hz之間，而橫向振動加速度僅有10 Hz以下一個峰值頻域，車體垂向振動加速度遠大于橫向振動，說明車體垂向振動占據(jù)了主導地位；

(2)50 km/h車速工況下，車體在不同扣件安裝區(qū)的垂向振動加速度最大值位于10 Hz以下的頻域內(nèi)，而30 km/h車速工況下該最大值位于140 Hz～150 Hz頻域內(nèi)，說明較高的車速對影響列車穩(wěn)定性的10 Hz以下低頻振動產(chǎn)生不利影響；

(3)從車體在不同扣件安裝區(qū)的振動加速度對比可見，GH-1（26 mm）扣件對應的車體振動最小，而DT扣件對應的車體振動最大，表明GH-1扣件對車體振動的不利影響更小。

參考《UIC518-2005》對測試所得的車體加速度進行濾波處理，得到測試結果如下。

(1)列車通過扣件安裝區(qū)時，車體各測點橫向加速度峰值最大值如圖5、圖6所示。

圖3 車速為50 km/h時P1點的振動頻譜

圖4 車速為30 km/h時P1點的振動頻譜

圖5 車速為50 km/h時車體橫向振動加速度最大值

圖6 車速為30 km/h時車體橫向振動加速度最大值

由對比結果可見，兩種車速工況下，車廂振動加速度均能滿足3 m/s2的安全性指標。列車在通過安裝GH-1扣件區(qū)時車廂橫向振動加速度峰值遠小于通過安裝DT扣件區(qū)時的值，其峰值降低13%～33%，說明GH-1扣件對車體橫向穩(wěn)定性的不利影響更小。將GH-1兩種厚度的扣件相比，26 mm扣件在50 km/h車速工況下對應的車體加速度較34 mm扣件更小，說明其對車體橫向穩(wěn)定性的不利影響更小。

(2)列車通過扣件安裝區(qū)時，車體各測點垂向加速度峰值最大值如圖7、圖8所示。

圖7 車速為50 km/h時車體垂向振動加速度最大值

圖8 車速為30 km/h時車體垂向振動加速度最大值

由對比結果可見，兩種車速工況下，車廂振動加速度均能滿足3 m/s2的安全性指標。列車以50 km/h車速通過GH-1扣件安裝區(qū)時僅P3測點測得的26 mm墊板對應的車體加速度高于DT扣件，P1、P2點位測得的車體加速度均低于DT扣件，說明該車速工況下GH-1扣件對車體垂向穩(wěn)定性的不利影響較小。而列車以30 km/h通過扣件安裝區(qū)時，不同扣件對應的車體垂向加速度各有高低。

參考標準《GB5599-1985》對車體橫向和垂向加速度進行數(shù)據(jù)處理，計算列車通過不同扣件安裝區(qū)時的車體平穩(wěn)性指標W，按如下公式計算。

式中Wi為單頻平穩(wěn)性指標，Ai為振動加速度，fi為振動頻率，F(xiàn)(fi)為頻率修正系數(shù)（參見標準），W為不同頻率合成后的平穩(wěn)性指標。

計算結果如表2、表3所示。

表2 車速為50 km/h時不同扣件區(qū)車體平穩(wěn)性指標W

表3 車速為30 km/h時不同扣件區(qū)車體平穩(wěn)性指標W

可見，車體在3種扣件區(qū)的平穩(wěn)性指標均能達到1級（優(yōu)）標準（W＜2.5），且GH-1扣件區(qū)整體平穩(wěn)性更優(yōu)，可以很好保證列車平穩(wěn)運行。

3.2 轉向架測試結果

列車分別以50 km/h和30 km/h的車速通過不同的扣件安裝區(qū)。參考《UIC518-2005》建議的方法對測試所得的轉向架橫向加速度進行10 Hz低通濾波處理，得到轉向架橫向振動加速度如圖9所示。

圖9 轉向架橫向振動加速度最大值

由測試結果可見，兩種車速工況下轉向架橫向加速度能夠滿足標準規(guī)定的10.66 m/s2限值。列車通過GH-1(26 mm)扣件安裝區(qū)時，轉向架的橫向振動最小，說明其對列車運行安全性的不利影響最小，DT扣件次之，GH-1(34 mm)扣件最大。這說明GH-1扣件通過橡膠材料和內(nèi)部結構設計實現(xiàn)了扣件“高靜低動”的特點，使得GH-1(26 mm)扣件具備了較大的橫向靜剛度，保證了列車運行時較好的橫向穩(wěn)定性，優(yōu)于DT扣件。但GH-1(34 mm)扣件的橫向穩(wěn)定性較差，這是由于橡膠承載面尺寸不變的情況下，增加其厚度將導致其橫向剛度下降[11]，進而對列車橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。因此，在橡膠墊的聲學設計過程中，應注意控制橡膠厚度與承載面尺寸的比例，以保證在提高其減振效果的同時具備足夠的橫向靜剛度。

4 結語

(1)列車經(jīng)過減振扣件安裝區(qū)時，車體垂向振動加速度遠大于橫向振動加速度，較高的車速對影響列車穩(wěn)定性的10 Hz以下低頻振動產(chǎn)生不利影響。

(2)列車通過安裝GH-1減振扣件軌道時，車體橫向振動加速度相比于DT扣件有13%～33%的降低，垂向振動加速度在50 km/h車速工況下低于DT扣件，而在30 km/h車速下各有高低，車體在GH-1扣件安裝區(qū)的運行平穩(wěn)性整體表現(xiàn)更優(yōu)；

(3)列車通過安裝GH-1(26 mm)減振扣件軌道時，轉向架橫向振動加速度相比于DT扣件有33%～43%的降低，而列車通過安裝GH-1(34 mm)減振扣件軌道時，轉向架橫向振動加速度略高于DT扣件。因此在橡膠墊的聲學設計過程中，應注意控制橡膠厚度與承載面尺寸的比例，以保證在提高其減振效果的同時具備足夠的橫向靜剛度；

(4)GH-1減振扣件能夠滿足安全性和平穩(wěn)性的標準要求，對列車穩(wěn)定性不利影響較小，在有效降低周邊振動的同時可以保證列車平穩(wěn)安全地運行。

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