上部鎖緊式雙層非線性扣件在南昌地鐵的應用

尹華拓

(廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣州 510000)

上部鎖緊式雙層非線性扣件在南昌地鐵的應用

尹華拓

(廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣州 510000)

上部鎖緊式雙層非線性扣件是一種新型減振扣件，具有拆卸方便、預緊力可調節等優點。針對該扣件對南昌地鐵1號線進行了現場在線測試，測試內容包括鋼軌變形、道床振動、隧道壁振動、車內振動和噪聲等。測試結果表明，在保證安全性的同時，上部鎖緊式雙層非線性扣件相比DZIII型扣件，其垂向減振效果達到8 dB以上，使列車內噪聲降低2.4 dB，減振降噪效果顯著。

城市軌道交通； 上部鎖緊式； 雙層非線性； 扣件； 減振

1 研究背景

伴隨著城市建設規模的擴大，交通擁堵問題日益突出，現代城市軌道交通以其運量大、安全可靠、運行準時、不占用地面交通等優點，迅速成為一種現代化的城市交通工具，但同時由地鐵運營引起的振動噪聲，對線路和車輛環境的影響逐漸引起人們的關注。近年來，國內外科研技術人員對城市鐵路和地鐵運行引起的振動和噪聲進行了廣泛的研究。Gladwell等[1]經現場測試發現，城市軌道交通引起的結構及地面振動主要為低頻問題，主要振動頻率范圍為40～100 Hz。當列車運行速度為50～80 km/h時，在列車經過隧道內對振動和進行測試，振動的峰值出現在40～80 Hz之間[2]。

噪聲軌道結構在車軌橋(隧道)耦合振動體系中[3-6]，不但是振源，同時也是振動的傳遞因素，其結構參數(質量、剛度、幾何尺寸等)直接決定了振動輸出的效果。因此，合理選擇軌道結構的型式和結構參數，是解決減振降噪的積極措施。在軌道振動控制中，采用彈性扣件隔振是最簡單經濟的方法。現有的彈性扣件有諧振式浮軌、VANGUARD、克隆蛋、LORD，GJ-III、上部鎖緊式雙層非線性扣件等。其中，上部鎖緊式雙層非線性扣件是GJ-III扣件的改進型，具有預緊力可調節、拆卸方便等優點，現已在南昌、成都、南京、青島、南寧等多個城市的地鐵線路上得到廣泛應用。

筆者通過對南昌地鐵1號線鋪設的上部鎖緊式雙層非線性扣件和DZIII型扣件軌道系統進行綜合對比測試，研究上部鎖緊式雙層非線性扣件的減振效果及安全性能。

2 扣件系統簡介

上部鎖緊式雙層非線性扣件是一種新型的軌道減振扣件，通過設計雙層非線性彈性墊板系統以降低系統剛度和提高結構阻尼來控制二次噪聲與振動，其由上鐵板、下鐵板、板下墊、軌下墊、底板連接套部分等組成，如圖1所示。

圖1 上部鎖緊式雙層非線性扣件結構示意Fig.1 Schematic diagram of up-self-locked double nonlinear fastener

上部鎖緊式雙層非線性扣件的彈性單元(板下墊和軌下墊)采用了“非線性高扭抗減振墊板”設計，具有低載荷低剛度，高載荷高剛度的特點。一方面能夠使扣件在正常載荷下剛度較低，從而具有較好的隔振性能；另一方面能夠使扣件在受到大載荷沖擊時獲得較大的剛度，從而將鋼軌變形抑制在一定范圍之內，可保證線路的安全性。

1) 采用上部鎖緊結構拆卸更換方便。上鐵板、下鐵板與板下墊通過底板連接套鎖緊連接，連接結構位于扣件上部，方便觀察。另外，該扣件的鎖緊結構采用旋轉式鎖緊方式，當板下墊長時間使用發生彈性失效后，將底板連接套旋轉后即可將其拆卸，從而方便板下墊的更換。

2) 預緊力可調節。上鐵板、下鐵板對板下墊的壓緊力(預緊力)可調節，當板下墊與上、下鐵板之間出現 “離縫”現象時(由于線路沉降或板下墊磨損、老化，導致板下墊與上、下鐵板之間出現縫隙)，通過在扣件鎖緊結構位置增設預緊力調節墊片即可將板下墊再次壓緊，保證板下墊與上、下鐵板之間的貼合。另外，根據線路的不同情況(如不同曲線半徑、超高、車速等)，可對扣件施加不同的預緊力，從而使扣件具有不同的剛度，無需專門設計加工新的板下墊，由此可達到提高生產效率、降低成本的目的。

2.2 與其他同等級減振扣件(克隆蛋扣件)相比的優勢

1) 上拔阻力增加。克隆蛋扣件的上、下底板之間采用橡膠硫化粘結為一體，其上、下底板之間的上拔力主要靠橡膠的黏接力來提供，相對較小。而上部鎖緊式雙層非線性扣件上底板受到上拔力時，上底板受錨固螺栓約束，其上拔阻力加大，增加了扣件的使用安全性。

2) 扭轉剛度增加。克隆蛋扣件受鋼軌扭轉力時，上、下鐵板之間的橡膠環發生剪切變形，而橡膠材料剪切剛度較小，故克隆蛋扣件的扭轉剛度相對較小。上部鎖緊式雙層非線性扣件受到鋼軌扭轉力時，軌下墊及板下墊發生壓縮變形，橡膠材料的壓縮剛度較大，另外，其鎖緊結構處的底板連接套也能抵擋一部分扭轉力。所以，相對于克隆蛋扣件，上部鎖緊式雙層非線性扣件的扭轉剛度大大增加，故使用該扣件的軌道線路的安全性也會增加。

3) 全生命周期成本降低。經長時間使用后，扣件會由于彈性單元發生老化而造成減振性能下降，因此需對扣件進行更換維修。對于克隆蛋扣件，因其上、下鐵板與彈性單元(橡膠)硫化黏接為一體，必須替換整個扣件，故成本較高。而對于上部鎖緊式雙層非線性扣件，其采用了可拆卸式設計，僅需將其板下墊和軌下墊進行更換；而其上、下底板等金屬部分，仍然可以保留使用，從而降低了扣件的全生命周期成本。

3 在線測試內容及測試方法

南昌地鐵1號線是南昌市的首條地鐵線路，于2015年12月開通運營。該線路一期工程全長28.9 km，設24座車站，連接昌北經開區、紅谷灘新區、東湖區、青山湖區、高新區，起訖站分別為雙港站和瑤湖西站。

扣件系統在線性能測試的測點選擇謝家村—青山湖大道區間，上部鎖緊式雙層非線性扣件測點里程為XK18+450，對比DZIII型扣件測點里程DK19+670，測點線路坡度為2‰。

3.1 測試內容

為較好地評估上部鎖緊式雙層非線性扣件的減振性能和安全性能，在車輛正常運行條件下結合現場實際情況，分別對上部鎖緊式雙層非線性扣件區間和DZIII型扣件區間的鋼軌變形、道床振動、隧道壁振動、車內振動和噪聲進行測試。

3.2 振動噪聲測試依據

當列車在軌道上運行時，將產生寬頻帶的振動，這些振動波經軌道扣件系統和地面傳送到附近的基礎結構，層層衰減，從軌道附近建筑的大量測量數據來看，地面振動波段集中在200 Hz以下，這些頻率對于扣件系統的設計非常重要。

振動的大小可用位移、速度或加速度描述，對于環境振動水平的評估則取決于振動危害的對象。人類感知的空氣聲一般通過標準的A計權來進行評價，而振動的評價則相對更加復雜[7],因為結構振動噪聲輻射的聲功率與結構表面振動速度的平方成正比，采用A計權是按照噪聲聲壓對人耳感覺的模擬等效計權網絡；國外對于舒適度和可感知的振動評價原則，主要依據ISO 2631[8-9]執行，而我國對于影響人體的振動問題和環境振動問題一般按國標GB 10070《城市區域環境振動標準》的垂向Z振級(VLz)執行。

從人體剛剛感覺到微弱振動(加速度約為10-3m/s2)到人體能承受的最強振動(約為103m/s2)，振動加速度變化達百萬倍，這給振動加速度的測量、運算和表達均帶來極大的不便，為此，國內外有關環境振動的標準一般采用振動加速度級來代替[10]。

振動加速度級

式中，a為振動加速度有效值，m/s2；a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

3.3 測試方法

3.3.1 鋼軌變形測試

車輛正常運營條件下，測試雙層非線性扣件鋼軌動態變形，同時對比測試DZIII型扣件系統鋼軌動態變形，衡量雙層非線性扣件區間行車安全性能。

鋼軌相對混凝土道床的變形通過位移傳感器進行測量，所有變形測點位于兩扣件跨度的1/2處截面，每個傳感器探頭都垂直于目標板上的測量表面，如圖2、3所示，傳感器安裝在與道床粘貼的萬向節支架上。

圖2 鋼軌變形測點位置Fig.2 Measuring points of rail deformation

鋼軌的變形測試：使用6個記錄通道，其中4個用來測量鋼軌兩邊相對道床的垂直變形，2個用來測量鋼軌相對道床的橫向變形，具體位移傳感器分布如圖3所示。

圖3 鋼軌變形傳感器布置Fig.3 Distribution of displacement sensors for rails

3.3.2 道床振動測試

道床振動測點均位于扣件跨度的1/2截面處，采用加速度傳感器記錄道床中部垂向和橫向的振動，道床振動測點如圖4所示。

圖4 鋼軌及道床振動測點布置Fig.4 Distribution of vibration sensors for rails and ballast bed

3.3.3 隧道壁振動測試

隧道壁測試主要利用固定在隧道壁上的固定塊來放置垂向和橫向加速度計，其如圖5所示。

圖5 隧道墻壁加速度計位置Fig.5 Distribution of vibration sensors for the tunnel wall

3.3.4 車內振動噪聲測試

在地鐵運行條件下車廂振動測試設備與地面振動測試設備相同。噪聲測試則布置2個傳聲器，理論上距車廂地板高度分別為1 m和1.5 m，如圖6所示。

圖6 車廂振動噪聲測試Fig.6 Distribution of noise sensors inside the train

4 測試結果分析

4.1 鋼軌變形分析

變形測試在車輛正常運營情況下進行，記錄時段包括早高峰07:00—09:00和晚高峰17:00—19:00等典型時段，記錄超過20輛正常運行的車輛。分別針對每輛車的導向軸和從動軸進行鋼軌變形分析，且通過變形數據可計算相應行車速度。DZIII型扣件和上部鎖緊式雙層非線性扣件系統變形數據對比如表1所示。

表1 兩種扣件系統鋼軌動態變形

表1中1) 垂向變形負值表示鋼軌相對道床下沉，正值反之；2) 軌頭扭轉和橫向變形負值表示鋼軌相對軌道中心向外轉動(軌距擴大)，正值反之；3) 鋼軌垂向變形由鋼軌兩邊測得的垂直變形量取平均值來估算，軌頭扭轉變形由鋼軌在軌腳外側的變形量減去內側的變形量除以2，然后乘以幾何系數(軌腳寬度除以軌腳外側垂直變形傳感器到軌腳內側垂直變形傳感器之間的距離)求得；4) 車速根據列車定距12.8 m計算。

1) 鋼軌變形：DZIII型扣件區間鋼軌平均垂向變形為0.42 mm，軌頭扭轉變形為0.06 mm，軌頭橫向變形為0.13 mm；上部鎖緊式雙層非線性扣件區間鋼軌變形相對DZIII型扣件區間鋼軌變形略有增加，平均垂向變形為1.00 mm，軌頭扭轉變形為0.10 mm，軌頭橫向變形為0.23 mm。

2) 安全性：由表1可知，以上最大變形量均符合《中華人民共和國鐵道部鐵路線路維修規則》中，對試驗車速v<100 km/h軌道動態軌距I級保養標準允許偏差管理值(-6～+12 mm)的安全性能要求。

4.2 道床中心振動分析

圖7為兩種扣件區間的道床中心振動加速度1/3倍頻程頻譜圖，表2為道床中心加速度總振動級。道床中心振動分析如下。

圖7 道床中心振動1/3倍頻程頻譜Fig.7 1/3 octave spectrum of ballast bed

注： ① 計算頻帶1～80 Hz；② 差值為DZIII型扣件區間道床總振動級減去上部鎖緊式雙層非線性扣件區間道床總振動級。

1) 頻譜曲線：圖7中整個頻帶內上部鎖緊式雙層非線性扣件區間道床中心振動水平低于DZIII型扣件。

2) 總振級差值：表2中上部鎖緊式雙層非線性扣件區間道床中心總振動級垂向振動比DZIII型扣件降低9.1 dBZ，橫向振動降低7.2 dBZ。

4.3 隧道壁振動分析

圖8為兩種扣件區間的隧道壁振動加速度1/3倍頻程頻譜，表3為隧道壁加速度總振動級。隧道壁振動分析如下。

圖8 隧道壁振動1/3倍頻程頻譜Fig.8 1/3 frequency spectrum of tunnel wall vibration

注： ① 計算頻帶為1～80 Hz；② 差值為DZIII型扣件區間隧道壁總振動級減去上部鎖緊式雙層非線性扣件區間隧道壁總振動級。

1) 頻譜曲線：圖8中上部鎖緊式雙層非線性扣件區間隧道壁振動水平在1～125 Hz頻段內整體均低于DZIII型扣件區間隧道壁振動。

2) 減振性能：表3中上部鎖緊式雙層非線性扣件區間隧道壁垂向振動比DZIII型扣件降低8.1 dBZ，橫向振動降低5.1 dBZ。

4.4 車內振動噪聲測試分析

圖9為車內噪聲和車內地面振動時域圖，圖10、圖11分別為車內噪聲和車內地面振動1/3倍頻程頻譜，表4為上下行線車內噪聲總振動級。車內振動噪聲測試分析如下。

圖9 車內噪聲及地面振動時域Fig.9 Time-domain wave of noise and vibration inside the train

圖10 車內噪聲1/3倍頻程頻譜Fig.10 1/3 frequency spectrum of noise inside the train

圖11 車內振動1/3倍頻程頻譜Fig.11 1/3 frequency spectrum of vibration inside the train

注： ① 總聲壓級計算頻帶為16～2 500 Hz，振動計算頻帶為1～80 Hz；② 差值為DZIII型扣件區間總振動級減去上部鎖緊式雙層非線性扣件區間總振動級；③ 噪聲參考聲壓2×10-5Pa，振動參考加速度1×10-6m/s2。

1) 數據選擇：結合行車速度、進出站加減速段、萬年泉站至海爾路站之間距離和每種扣件區間長度，可選擇如圖9所示兩段扣件區間的振動噪聲數據，可以看出，上部鎖緊式雙層非線性扣件區間具有低噪聲低振動水平。

2) 相對差值：表5為兩種扣件車內噪聲總聲壓級和加速度總振動級，與DZIII型扣件相比，上部鎖緊式雙層非線性扣件區間實測值車內噪聲低3.4 dB，垂向振動低2.0 dBZ，橫向振動低3.6 dBZ。同時，上部鎖緊式雙層非線性扣件區間時速為56.8 km/h，DZIII型扣件區間時速為65.0 km/h，通過理論計算，由于兩種不同時速影響的總級差約為1 dB，因此，與DZIII型扣件相比，修正后的上部鎖緊式雙層非線性扣件區間車內噪聲低2.4 dB，垂向振動低1.0 dBZ，橫向振動低2.6 dBZ。

5 結論

作為一種新型的減振扣件，上部鎖緊式雙層非線性扣件在設計時充分考慮了安全性、減振性能及可拆卸性能。通過現場在線測試表明，該扣件在滿足安全性要求的同時，還具有良好的減振降噪性能。

相對于DZIII型扣件，上部鎖緊式雙層非線性扣件區間的道床中心總振級垂向振動降低9.1 dBZ，橫向振動降低7.2 dBZ；隧道壁總振級垂向振動降低8.1 dBZ，橫向振動降低5.1 dBZ；車內噪聲低2.4 dB，車內垂向振動低1.0 dBZ，橫向振動低2.6 dBZ。

[1] GLADWELL GML, ZIMMERMANN G.On energy and complementary energy formulations of acoustic and structural vibration problem[J].Journal of sound and vibration,1966, 22(3): 233- 241.

[2] 王安斌,劉浪靜,黃紅東,等.潘得路先鋒減振扣件系統及在廣州地鐵上的應用[J].現代城市軌道交通, 2006(2): 24-27.

WANG Anbin，LIU Langjing, HUANG Hongdong, et al.The application of Pantrol vanguard fastener on Guangzhou metro[J].Modern urban transit, 2006(2): 24-27.

[3] 郭向榮,曾慶元.高速鐵路結合梁橋與列車系統振動分析模型[J].華中理工大學學報,2000,28(3)：60-62.

GUO Xiangrong, ZENG Qingyuan.Analytical model of the system vibration in high speed combination girder bridge and train[J].Journal of Huazhong University of Science and Technology, 2000, 28(3): 60-62.

[4] 蔡成標,翟婉明.機車-軌道-橋梁垂向耦合動力學分析[J].西南交通大學學報,1997,32(6):628-632.

CAI Chengbiao, ZHAI Wanming.Dynamic analysis of vertically coupled locomotive-track-bridge system[J].Journal of Southwest Jiaotong University,1997, 32(6): 628-632.

[5] 翟婉明.車輛-軌道耦合動力學[M].2版.北京：中國鐵道出版社，2002.

ZHAI Wanming.Dynamics of locomotive and track[M].2nd edition.Beijing: China Railway Publishing House, 2002.

[6] 練松良.軌道動力學[M].上海:同濟大學出版社,2003.

LIAN Songliang.Dynamics of track system [M].Shanghai: Tongji University Publishing House, 2003.

[7] YOKOSHIMA S.A study on factors constituting annoyance due to Shinkansen railway vibration[J].Journal of architecture planning and environmental engineering, 1999(526): 1-7.

[8] Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole-body vibration-General requirements:ISO 2631-1:1997[S].International organization for standardization, 1997.

[9] Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole-body vibration-Part2: Vibration in buildings (1～80 Hz): ISO 2631-2: 2002[S].International Organization for Standardization, 2002.

[10] Transit noise and vibration impact assessment.Office of planning and environment federal transit administration[J].Federal Transit Administration, 2006.

(編輯：郝京紅)

Application of Up-self-locked Double Nonlinear Fastening on Nanchang Metro

YIN Huatuo

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510000)

Up-self-locked double nonlinear fastener is a new fastening system which is easy to be disassembled and the preload can be modified. An on-line test was carried out on Nanchang Metro Line 1 to prove the security and the damping performance of up-self-locked double nonlinear fastening system, which includes the deformation of the rail, the vibration of the ballast and the tunnel wall, as well as the vibration and noise in the vehicle. The result showed that the up-self-locked double nonlinear fastening system had a significant effect on reducing the vibration and noise compared with DZIII fastening system. This new fastening system can decrease the vertical vibration by more than 8dB and lower the noise in the vehicle by 2.4dB.Keywords: urban rail transit; up-self-locked; double nonlinear; fastening; vibration reducing

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.009

2016-09-23

2016-12-02

尹華拓，男，工學碩士，工程師，專業方向為道路與鐵道工程，yinhuatuo@dtsjy.com

U231

A

1672-6073(2017)03-0044-06