不同車速下鋼彈簧浮置板軌道減振降噪性能試驗(yàn)研究

丁德云，王文斌，馬 蒙，閆宇智，李 騰，吳宗臻

（1.北京九州一軌環(huán)境科技股份有限公司，北京 100071；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心，北京 100081；3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市軌道交通線路的設(shè)計(jì)時(shí)速也從常規(guī)速度（＜100 km/h）向更高速（100～160 km/h）發(fā)展［1］.特別是隨著市域（郊）鐵路建設(shè)的加速發(fā)展，其線路不可避免地穿越醫(yī)院、學(xué)校、居民區(qū)等諸多環(huán)境敏感點(diǎn)，給沿線的環(huán)境振動與噪聲控制提出了更新和更高的要求.

目前，國內(nèi)城市軌道交通減振降噪措施種類繁多，其中鋼彈簧浮置板作為特殊等級減振產(chǎn)品，受到學(xué)者廣泛關(guān)注并應(yīng)用于地鐵環(huán)境振動控制［2-6］.但常規(guī)地鐵車速一般在100 km/h以下，為適應(yīng)市域（郊）鐵路更高車速要求下鋼彈簧浮置板軌道的動力性能和減振效果備受關(guān)注.針對應(yīng)用于市郊鐵路減振軌道，李平等［7-8］提出了一種時(shí)速160 km/h重型鋼彈簧浮置板的初步設(shè)計(jì)方案，并通過仿真計(jì)算對快速行車條件下現(xiàn)澆浮置板道床與列車的耦合動力學(xué)性能進(jìn)行仿真分析，評估了25 m長度現(xiàn)澆鋼彈簧浮置板道床高速行車的安全性、舒適性和穩(wěn)定性.Huang等［9］計(jì)算分析了直線段和曲線段鋪設(shè)鋼彈簧浮置板軌道分別在200 km/h和160 km/h車速下的行車安全性.許一海［10］采用數(shù)值仿真的方法從浮置板軌道振動傳遞特性、浮置板與普通板式軌道振動響應(yīng)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)分析，證明了鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)對高速鐵路具有良好的減振效果.葛承寶［11］計(jì)算了車速120 km/h市域快線橋上使用橡膠隔振墊的減振效果.劉玉濤等［12］和羅偉［13］現(xiàn)場測試了市域快線采用橡膠墊道床后的減振效果和高架線的振動源強(qiáng).

以上研究以理論計(jì)算分析為主，鮮有針對100 km/h以上車速下鋼彈簧浮置板減振效果的現(xiàn)場測試結(jié)果.此外，大多數(shù)計(jì)算和測試研究中車速是確定的，鋼彈簧浮置板軌道的動力性能和減振效果隨車速變化的規(guī)律尚缺乏研究.為此，本文在國家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)形試驗(yàn)線設(shè)計(jì)建造了一段高速鋼彈簧浮置板軌道試驗(yàn)段，通過逐級提高測試車輛的行車速度，對其動力性能和減振降噪效果進(jìn)行現(xiàn)場測試.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

國家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)形試驗(yàn)線總長度約9 km，本文研究的試驗(yàn)段位于環(huán)形試驗(yàn)線東南角，由有砟道床改造而成，總長度300 m，包含200 m鋼彈簧浮置板軌道，60 m普通整體道床和兩端各20 m的過渡段.試驗(yàn)段的線路曲線半徑為1 432 m，曲線超高125 mm.試驗(yàn)段總平面布置圖如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)段總平面及測試斷面布置圖（單位：mm）Fig.1 Layout of general plan and cross section in test section(unit:mm)

鋼彈簧浮置板全部采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，單塊板長為25 m，板厚400 mm，板寬3 000 mm，浮起高度30 mm，板與板之間采用內(nèi)置式剪力鉸、外置式剪力鉸兩種方式聯(lián)接.試驗(yàn)段共計(jì)8塊浮置板，分為3種類型：板-1和板-8為過渡板，板-2～板-4為隔振器間隔2個(gè)扣件間距和3個(gè)扣件間距交替布置（簡稱“2/3布置”），板-5～板-7為隔振器均間隔2個(gè)扣件間距布置（簡稱“2/2布置”），具體平面設(shè)計(jì)如圖2所示.隔振器由外套筒和內(nèi)套筒組成，見圖3.內(nèi)套筒采用大剛度彈簧試制而成，疲勞壽命超過800萬次，可以快捷調(diào)整、更換.試驗(yàn)所用鋼彈簧隔振器經(jīng)檢測靜剛度均值為9.50 kN/mm，阻尼彈簧組件阻尼比均值為0.074，滿足設(shè)計(jì)阻尼比0.05～0.10的要求.

圖2 鋼彈簧浮置板平面圖（單位：mm）Fig.2 Plan of steel-spring floating slab track(unit:mm)

圖3 試驗(yàn)用隔振器Fig.3 Isolator used in experiment

試驗(yàn)段采用的扣件包括兩種類型：ZX-2Y和ZX-2型.浮置板的板-1～板-4上布置ZX-2Y型扣件+雙塊式軌枕，板-5～板-8上布置ZX-2型扣件+普通短軌枕.在普通整體道床也同樣設(shè)置這兩種扣件和軌枕，便于對比減振效果.圖4給出了高速鋼彈簧浮置板軌道試驗(yàn)段現(xiàn)場照片.

圖4 試驗(yàn)段實(shí)景Fig.4 Photo of test section

試驗(yàn)列車采用8節(jié)編組市域D型車，最高運(yùn)行速度為160 km/h，最大軸重17 t.車輛編組方式為6動2拖，其中頭、尾車廂長度為24.6 m，中間車長度為22.8 m，車輛定距15.7 m，固定軸距2.5 m，車輪直徑0.86 m.試驗(yàn)過程采用逐級提速，試驗(yàn)列車通過試驗(yàn)段的速度分別為60、80、90、100、110、120、130、140、150和160 km/h.每種車速下列車開行5次，各項(xiàng)指標(biāo)取5組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值.

1.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)浮置板參數(shù)類型，選取了3個(gè)測試斷面，如圖1所示：斷面1位于整體道床段里程中心，斷面2位于“2/3布置”的浮置板-3中心，斷面3位于“2/2布置”的浮置板-6中心.每個(gè)斷面分別在鋼軌、道床和基底布置了加速度傳感器；并在鋼軌布置了位移傳感器，在斷面2、3的浮置板道床上布置了位移傳感器；同時(shí)，在斷面1、2布置了噪聲傳感器，見圖5.鋼軌所用傳感器量程為200 g，工作頻率0.7～11 000 Hz，靈敏度25 mV/g，測試采樣頻率為4 096 Hz；道床所用傳感器 量 程 為50 g，工 作 頻 率0.5～9 000 Hz，靈 敏 度100 mV/g，測試采樣頻率為2 048 Hz；基底所用傳感器 量 程 為5 g，工 作 頻 率0.04～1 500 Hz，靈 敏 度1 000 mV/g，測試采樣頻率為1 024 Hz；位移傳感器量程為±5 mm，工作頻率＜40 Hz，靈敏度0.8 mV/mm，測試采樣頻率為512 Hz；噪聲傳感器量程為17～140 dB，工作頻率10～20 000 Hz，靈敏度40 mV/Pa，測試采樣頻率為51 200 Hz.

圖5 斷面2測點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Sensor location of test section 2

2 測試結(jié)果

2.1 固有頻率測試

由于測試斷面2、3所在浮置板的鋼彈簧布置方式不同，首先對兩種鋼彈簧浮置板固有頻率進(jìn)行測試.采用力錘錘擊法采集其自由衰減加速度數(shù)據(jù)，并采用沖擊振動試驗(yàn)法［14］對其自振特性進(jìn)行分析.如圖6所示，鋼彈簧“2/3布置”和“2/2布置”時(shí)浮置板的固有頻率分別為11 Hz和12.5 Hz.

圖6 固有頻率測試結(jié)果Fig.6 Test results under natural frequencies

由于列車行車車速與浮置板軌道固有頻率之間滿足關(guān)系

式中：V為列車速度，km/h；f0為浮置板軌道固有頻率，Hz；Ls為軌枕間距，m.據(jù)此，可以計(jì)算得到引發(fā)兩種鋼彈簧浮置板共振的行車車速分別為23.8 km/h和27 km/h.

2.2 鋼軌和道床位移

圖7為鋼軌外軌和道床垂向位移響應(yīng)的典型時(shí)域波形圖.圖8為3個(gè)測試斷面鋼軌和道床位移隨車速變化規(guī)律.可以看出：隨著車速的增加，道床位移逐漸減小，外軌位移逐漸增大，內(nèi)軌位移逐漸減小.這是因?yàn)樵囼?yàn)段為曲線段，設(shè)計(jì)超高的匹配車速為110 km/h，當(dāng)列車由60 km/h提速到160 km/h時(shí)，車輛行駛狀態(tài)會由過超高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍烦?，進(jìn)而引起動位移產(chǎn)生變化.無論是外軌還是內(nèi)軌，同一車速條件下，板-3處的位移最小，其次為整體道床，最大為板-6.道床板上位移，板-3大于板-6，這是因?yàn)榘?3處為“2/3布置”鋼彈簧，板-6處為“2/2布置”鋼彈簧，板-3剛度小于板-6.

圖7 位移響應(yīng)典型時(shí)程圖Fig.7 Typical time histories of displacement responses

圖8 各測點(diǎn)豎向位移最大值隨列車速度變化Fig.8 Peak vertical displacement at each measurement point varying with train speed

由于目前國內(nèi)尚無160 km/h速度下鋼彈簧浮置板軌道動態(tài)響應(yīng)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，參考文獻(xiàn)［15］中規(guī)定的計(jì)算和評價(jià)方法，列車車速在60～160 km/h時(shí)速范圍內(nèi)時(shí)，鋼軌和道床位移均滿足限值要求.

圖9車速160 km/h時(shí)各測點(diǎn)豎向加速度響應(yīng)典型時(shí)程Fig.9 Typical time histories of vertical acceleration at different measuring points under train speed of 160 km/h

2.3 振動加速度

圖9 為列車以160 km/h車速通過試驗(yàn)段時(shí)，鋼軌、道床、基底的豎向加速度響應(yīng)典型時(shí)程曲線.可以看出：鋼軌加速度最大，道床加速度次之，基底加速度最小.從鋼軌到基底，加速度衰減了3個(gè)數(shù)量級，振動能量通過浮置板吸收，向外界傳遞的能量大幅度降低.

圖10為3個(gè)測試斷面上加速度最大值隨車速變化規(guī)律.可以看出：隨著車速增加，總體上鋼軌、道床、基底的振動加速度最大值均呈整體增大趨勢.相同車速下，板-3的鋼軌振動大于板-6，這是因?yàn)殇搹椈伞?/3布置”時(shí)浮置板剛度小于“2/2布置”.道床振動板-3最大，板-6次之，整體道床最小.整體道床的基底振動顯著大于板-3和板-6，說明鋼彈簧浮置板在各個(gè)時(shí)速范圍內(nèi)均具有明顯的減振能力.

圖10 各測點(diǎn)豎向加速度最大值隨列車速度變化Fig.10 Peak vertical acceleration at each measurement point varying with train speed

2.4 減振效果分析

浮置板減振效果評價(jià)指標(biāo)采用最大Z振級插入損失和分頻振級均方根差ΔLa.根據(jù)文獻(xiàn)［15］的規(guī)定，ΔLa定義為

式中：VLq（i）和VLh（i）分別為未采用及采用浮置板軌道地段為參照系其軌旁測點(diǎn)鉛垂向加速度在1/3倍頻程第i個(gè)中心頻率的分頻振級，dB.

圖11 減振效果隨列車速度變化Fig.11 Vibration damping effect varying with train speed

圖11為采用兩種評價(jià)指標(biāo)時(shí)鋼彈簧浮置板板-3和板-6減振效果隨車速的變化規(guī)律.可以看出：采用兩種評價(jià)指標(biāo)時(shí)浮置板減振效果均隨車速呈現(xiàn)先增大后略微減小的趨勢.車速大于100 km/h時(shí)浮置板減振效果均大于10 dB.同一車速下，板-3的減振效果整體優(yōu)于板-6，這與板-3處為鋼彈簧“2/3布置”鋼彈簧浮置板剛度整體較小有關(guān).

當(dāng)列車以160 km/h車速通過試驗(yàn)段的整體道床和鋼彈簧浮置板時(shí)，整體道床、板-3和板-6處基底垂向加速度級的1/3倍頻程對比結(jié)果如圖12所示.可以看出，整體道床基底垂向加速度在1/3倍頻程中心頻率為12.5～16 Hz時(shí)與板-6基底加速度幾乎重合，而大于此頻段后，鋼彈簧浮置板在160 km/h時(shí)速條件下具有明顯的減振效果.

圖12 1/3倍頻程下各斷面基底垂向加速度Fig.12 Vertical base accelerations in one-third octave bands

2.5 降噪效果分析

為了分析列車在60～160 km/h車速條件下，鋼彈簧浮置板軌道與整體道床之間降噪效果的差異，在距軌道中心7.5 m，距線路高度1.2 m和3.5 m分別布置了2個(gè)測點(diǎn)（見圖5）.

圖13聲壓級隨列車速度變化Fig.13 Sound pressure level varying with train speed

圖13為各測點(diǎn)等效聲壓級隨車速變化結(jié)果.可以看出：各測點(diǎn)聲壓級隨車速提高而增大，當(dāng)列車速度為160 km/h時(shí)，各測點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果在90.6 dB（A）～91.7 dB（A）之間.同一車速下，普通整體道床的噪聲值略大于鋼彈簧浮置板噪聲值，鋼彈簧浮置板的降噪效果在0.1 dB（A）～3.7 dB（A）之間.對于鋼彈簧浮置板軌道，距線路高度1.2 m測點(diǎn)的噪聲值大于距線路高度3.5 m測點(diǎn)的噪聲值，對于普通整體道床，距線路高度3.5 m測點(diǎn)的噪聲值大于距線路高度1.2 m測點(diǎn)的噪聲值.

3 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)建造國內(nèi)首條高速鋼彈簧浮置板軌道試驗(yàn)段，并進(jìn)行現(xiàn)場高速逐級行車試驗(yàn)，獲得了高速鋼彈簧浮置板軌道的振動、噪聲、位移等指標(biāo)數(shù)據(jù)，從時(shí)、頻域角度分析研究了高速鋼彈簧浮置板軌道的動力特性，得到以下結(jié)論：

1）隨著速度的增加，道床位移逐漸減小，外軌位移逐漸增大，內(nèi)軌位移逐漸減小，鋼軌和道床位移在各速度級條件下均滿足規(guī)范要求，“2/3布置”鋼彈簧浮置板道床位移大于“2/2布置”鋼彈簧浮置板道床.

2）隨著速度的增加，浮置板減振效果呈現(xiàn)出先增大后略微減小的趨勢，100 km/h以上時(shí)浮置板減振效果均大于10 dB，具有良好的減振效果.

3）相比于普通整體道床，鋼彈簧浮置板具有一定的降噪效果，最大值達(dá)3.7 dB（A）.