4種地鐵減振軌道輪軌動態(tài)相互作用對比分析

郭強 王平 徐井芒 胡辰陽

（西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031）

軌道交通已經(jīng)成為城市居民出行的首選交通工具。為解決軌道交通帶來的環(huán)境振動、車內(nèi)噪聲等環(huán)境污染問題，已研發(fā)了橡膠隔振墊道床軌道、鋼彈簧浮置板道床軌道、梯形軌枕軌道、減振扣件軌道等減振軌道。不同減振軌道結(jié)構(gòu)和軌下基礎(chǔ)狀態(tài)的差異，將影響列車-軌道系統(tǒng)的振動響應(yīng)，進而對列車運營安全產(chǎn)生影響。

目前針對減振軌道結(jié)構(gòu)的研究大多集中于減振性能和輪軌動力學(xué)性能。羅雁云等［1］研究了不同減振扣件落錘激勵下的減振性能。薛紅艷等［2］研究了地鐵車輛內(nèi)噪聲的分布規(guī)律。葛輝等［3］對比分析了梯形軌枕軌道和普通長枕整體道床軌道的減振效果。楊樺［4］研究了不同軌下基礎(chǔ)參數(shù)對鋼軌的豎向位移、輪軌接觸力等的影響。任娟娟等［5］通過實測數(shù)據(jù)分析了客貨共線無砟軌道輪軌力的統(tǒng)計特征。本文通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析地鐵小半徑曲線地段橡膠隔振墊道床軌道、鋼彈簧浮置板道床軌道、梯形軌枕軌道、單趾彈條扣件軌道的鋼軌豎向振動位移、輪軌力，以評估列車運行安全性，為仿真提供參考。

1 減振軌道結(jié)構(gòu)簡介

4種減振軌道結(jié)構(gòu)如圖1所示。橡膠隔振墊道床軌道將道床板置于橡膠墊層上。鋼彈簧浮置板道床軌道是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置于鋼彈簧隔振器上。梯形軌枕軌道是基于縱向軌枕理論研發(fā)的，在左右縱梁之間用鋼管或鋼筋混凝土進行橫向剛性連接，組成“梯子式”的一體化結(jié)構(gòu)。單趾彈條扣件屬于彈性分開式扣件，適用于無砟軌道線路。

圖1 減振軌道對比

2 現(xiàn)場測試

測試儀器包括筆記本電腦、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、應(yīng)變花、千斤頂、位移傳感器、加速度傳感器。輪軌動態(tài)作用力測試內(nèi)容包括列車運行狀態(tài)下輪軌的垂向作用力和橫向作用力。輪軌力測試采用剪力法［6］，采樣頻率為5 000 Hz。

隧道壁振動加速度測點距離鋼軌頂面1.25 m，加速度傳感器最大量程10g。

鋼軌位移測量采用間接測量，采樣頻率1 000 Hz，分別測量鋼軌相對軌道板的位移和軌道板相對隧道的位移，兩者相加得到鋼軌相對隧道的位移，即鋼軌絕對位移。測點選在4種減振軌道的最小曲線半徑處，具體見表1。

表1 4種減振軌道結(jié)構(gòu)測試地段

3 現(xiàn)場測試結(jié)果與分析

3.1 振動情況

在4種減振軌道結(jié)構(gòu)斷面處各采集了10組數(shù)據(jù)，對比各斷面處隧道壁垂向振動加速度最大值的平均值。將10組隧道壁垂向振動加速度采樣信號轉(zhuǎn)換為頻域內(nèi)的加速度幅值譜，將幅值譜處理后可得到各中心頻率的振動加速度級。

1）振動加速度

4種減振軌道結(jié)構(gòu)斷面處，10組隧道壁垂向振動加速度最大值的平均值見圖2。

圖2 隧道壁垂向振動加速度最大值的平均值

由圖2可知：橡膠隔振墊道床軌道、鋼彈簧浮置板道床軌道、梯形軌枕軌道、單趾彈條扣件軌道對應(yīng)的隧道壁垂向振動加速度最大值的平均值分別為0.06，0.07，0.08，0.17 m/s2。橡膠隔振墊道床軌道最小，單趾彈條扣件軌道最大。與單趾彈條扣件軌道相比，橡膠隔振墊道床軌道平均值降低了65%。

2）分頻Z振級

為了進一步分析這4種減振軌道結(jié)構(gòu)的振動情況，將測得的隧道壁加速度采樣信號進行傅里葉變換，將得到的頻域內(nèi)加速度幅值譜按照規(guī)定的1/3倍頻程中心頻率的全身振動Z計權(quán)因子修正，可以得到各中心頻率的振動加速度級，即分頻Z振級。4種減振軌道結(jié)構(gòu)對應(yīng)的隧道壁測點多測次平均分頻Z振級見圖3。

圖3 隧道壁測點多測次平均分頻Z振級

由圖3可知：單趾彈條扣件軌道對應(yīng)的隧道壁分頻Z振級最大值為68 dB，對應(yīng)的峰值頻率為50 Hz；梯形軌枕軌道對應(yīng)的隧道壁分頻Z振級最大值為52 dB，對應(yīng)的峰值頻率為40 Hz；橡膠隔振墊道床軌道對應(yīng)的隧道壁分頻Z振級最大值為48 dB，對應(yīng)的峰值頻率為25 Hz；鋼彈簧浮置板道床軌道對應(yīng)的隧道壁分頻Z振級最大值為44 dB，對應(yīng)的峰值頻率為40 Hz。單趾彈條扣件軌道對應(yīng)的隧道壁分頻Z振級最大，鋼彈簧浮置板道床軌道的最小。

3.2 輪軌動態(tài)相互作用

結(jié)合各個指標時域結(jié)果和10組輪軌垂向力、輪軌橫向力、軌道板位移、鋼軌相對位移、鋼軌絕對位移，對4種減振軌道結(jié)構(gòu)進行對比分析。

2.2 HAMA評分情況 所有患者HAMA評分進行重復(fù)測量資料方差分析，P＜0.05，說明HAMA評分有隨化療次數(shù)變化的趨勢?；颊?次HAMA評分情況 見表2。

1）時域分析

4種減振軌道結(jié)構(gòu)在時域分布規(guī)律相似，本文僅以橡膠隔振墊道床軌道為例進行說明。

橡膠隔振墊道床軌道對應(yīng)的輪軌力時程曲線見圖4。規(guī)范［7］規(guī)定：輪軌垂向力和橫向力最大值不超過170，45.3kN。由圖4（a）可知，輪對經(jīng)過測點時輪軌垂向力急劇變化。測試車輛共6節(jié)，因此時程曲線共有24個波谷，但幅值不同，最大值為69.7 kN，由第3個轉(zhuǎn)向架的第1個輪對經(jīng)過測點時引起。由圖4（b）可知，輪軌橫向力最大值為28.5 kN，未超過安全限值。

圖4 橡膠隔振墊道軌道輪軌力時程曲線

由圖4（b）可以看出，列車經(jīng)過測點時輪軌橫向力有12個極值點。選擇相同位置處的輪軌垂向力，計算可得脫軌系數(shù)，見表2。脫軌系數(shù)最大值為0.48，小于地鐵車輛脫軌系數(shù)的限值0.8［8］。

表2 極值點輪軌力和脫軌系數(shù)

美國鐵路工程協(xié)會推薦維修規(guī)則［9］要求鋼軌最大垂向位移量小于6.35 mm。橡膠隔振墊道床軌道鋼軌和軌道板位移時程曲線見圖5?？芍河捎谕还?jié)車廂前后2個轉(zhuǎn)向架之間的距離較長，故2個轉(zhuǎn)向架之間鋼軌絕對位移出現(xiàn)基本為0的情況。車廂的兩端各有1個轉(zhuǎn)向架，相鄰車廂2個轉(zhuǎn)向架之間距離很短，故鋼軌絕對位移恢復(fù)較少，便再次達到峰值。鋼軌相對位移、軌道板位移在同一時刻出現(xiàn)最大值，因此鋼軌絕對位移的最大值即為鋼軌相對位移的最大值和軌道板位移的最大值之和。鋼軌絕對位移最大值由第3個轉(zhuǎn)向架的第1個輪對經(jīng)過測點時引起，其值為1.47mm。

圖5 橡膠隔振墊道床軌道鋼軌和軌道板位移時程曲線

圖6 輪軌力平均值

2）動力特性分析

由上節(jié)可知，輪對經(jīng)過測點時，輪軌力和位移會產(chǎn)生峰值。以輪軌垂向力為例，某趟車經(jīng)過測點會產(chǎn)生24個峰值，每個峰值代表1個輪對經(jīng)過產(chǎn)生的最大輪軌力，共選取10趟車，統(tǒng)計240個最大輪軌力的平均值，作為輪軌垂向力的評價指標。4種減振軌道結(jié)構(gòu)10趟車輪軌力、脫軌系數(shù)、軌道板位移、鋼軌位移的峰值及其平均值見圖6－圖9。由圖6－圖9可知：輪軌力、脫軌系數(shù)的平均值均未超過安全限值，測試得到的輪軌橫向力較大，這可能與曲線段半徑較小和超高設(shè)置有關(guān)。針對各指標的平均值，與單趾彈條扣件軌道相比可得：①橡膠隔振墊道床軌道輪軌垂向力增大10.6%，輪軌橫向力減小30.0%，脫軌系數(shù)減小37.0%，鋼軌絕對位移減小6.7%。②鋼彈簧浮置板道床軌道輪軌橫向力和輪軌垂向力變化較小，脫軌系數(shù)增大8.2%，鋼軌絕對位移增大113.3%。這是因為鋼彈簧隔振器具有一定剛度和阻尼，在列車荷載下將發(fā)生垂向變形，導(dǎo)致軌道板位移增大。③梯形軌枕軌道輪軌垂向力減小10.4%，輪軌橫向力減小2.8%，脫軌系數(shù)減小2.1%，鋼軌絕對位移增大1.7%。

圖7 脫軌系數(shù)平均值

圖8 軌道板位移平均值

圖9 鋼軌位移平均值

4 結(jié)論

通過對現(xiàn)場實測結(jié)果分析，輪軌垂向力、橫向力、脫軌系數(shù)均滿足列車安全運營要求。得出結(jié)論如下：

1）單趾彈條扣件軌道振動相對較大，梯形軌枕軌道、橡膠隔振墊道床軌道振動相對較小。

2）4種減振軌道中，橡膠隔振墊道床軌道的輪軌垂向力最大，輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、軌道板位移、鋼軌絕對位移均最?。讳搹椈筛≈冒宓来曹壍赖匿撥壪鄬ξ灰谱钚?，脫軌系數(shù)、軌道板位移、鋼軌絕對位移均最大；梯形軌枕軌道的輪軌垂向力最??；單趾彈條扣件軌道的輪軌橫向力和鋼軌相對位移均最大。

3）各種減振軌道鋼軌相對位移均小于1 mm，鋼軌絕對位移主要由軌道板位移控制。