沖擊荷載下CRTSⅡ型板式無砟軌道結構振動與噪聲的關聯性研究

王啟好,崔日新,肖 宏,田秋實,王 冠

(北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044)

高速鐵路及城市軌道交通的快速發展不僅能有效改善交通環境，而且還有助于帶動城鄉建設和經濟發展，具有顯著的經濟和社會效益，但其運行中所產生的振動與噪聲問題也不容忽視，過度的振動噪聲不僅嚴重影響乘客和沿線人們的正常生活，還可能引起有關設備和結構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題也成為了鐵路修建運營的重要一部分。

國內外針對振動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，并與實測結果進行了比較，結果認為在整個頻帶內軌道噪聲高于車輪，而車輪噪聲在1 000 Hz以上頻率占主要成分[2]；張筱茜通過有限元法討論了由高速鐵路列車運行引發的環境振動的動態特性[3]；尹皓、李耀增和辜小安等通過對高速鐵路運行時不同區段測試，進行噪聲頻譜特性分析[4]。

從上述的國內外對軌道結構振動與噪聲的研究可以看出，目前的研究主要針對振動[5]或者噪聲[6]各自的研究較多，對二者之間的內在聯系研究尚未開展。基于此，主要設計足尺模型試驗，系統研究沖擊荷載[7]作用下CRTSⅡ型板式無砟軌道[8]結構振動與噪聲特性以及其內在的關聯性[9]，為軌道結構減振[10]降噪[11]設計奠定基礎。

1 試驗概況

模型試驗采用軌道結構為足尺的CRTSⅡ型板式無砟軌道，如圖1所示。由于本次試驗涉及測定鋼軌噪聲相關特性，為避免周圍環境噪聲干擾，試驗在凌晨1點左右進行。

圖1 模型試驗現場

2 測試內容與元件布置

根據研究需要，主要進行鋼軌、軌道板、底座板等不同位置處的加速度、聲強、聲壓等指標測試。參考國外鋼軌噪聲計算模型[12]后，布置的傳感器位置如表1和圖2所示。

表1 測點及傳感器描述

圖2 測點位置布置

3 試驗方法及工況

試驗裝置由加載系統、足尺模型、數據采集系統、數據處理系統組成。參考文獻[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，以此模擬列車運行時車輪對鋼軌的作用，其中側向沖擊荷載模擬直線和曲線地段列車運行時車輪對鋼軌的側向沖擊，垂向沖擊荷載模擬鋼軌表面不平順和接頭處對鋼軌的垂向沖擊。利用DASP軟件系統[14]收集無砟軌道鋼軌軌頂、軌腰、軌底等位置的加速度、聲壓及聲強。試驗工況見圖3。

圖3 試驗工況

4 試驗的結果分析

4.1 振動分析

4.1.1 鋼軌跨中位置側向錘擊

在跨中軌頂位置進行側向錘擊，測得的加速度時程如圖4所示。限于篇幅，僅列出鋼軌跨中各位置側向加速度時程。

從圖4看出，加速度衰減快，在20～30 ms內已衰減完。從軌頂到軌腰再到軌底，峰值逐漸減小。

為了進行頻域對比分析，將測試的加速度時程圖進行快速傅里葉變換(FFT)得到振動加速度譜[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。從軌頂到軌腰再到軌底，側向加速度明顯減弱，垂向加速度明顯增強，縱向加速度一直不明顯；側向加速度峰值一直在1 400～2 100 Hz頻率區間內，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 鋼軌各位置處側向加速度時程

圖5 側向錘擊下鋼軌各位置處三向加速度頻譜

跨中軌頂處以側向加速度為主，峰值出現在1 600～2 100 Hz頻率區段。跨中軌腰位置處以側向和垂向加速度為主，側向加速度峰值出現在1 400～1 800 Hz頻率區段，垂向加速度峰值出現在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在1 600 Hz頻率附近，側向加速度峰值出現在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。側向加速度從軌頂到軌腰再到軌底逐漸減弱，垂向加速度逐漸增強，縱向加速度一直不明顯；側向加速度峰值一直在1 400～1 600 Hz頻率區間內，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、側向加速度為主。跨中軌頂側向加速度峰值出現在1 600 Hz頻率附近，垂向加速度峰值在300～2 100 Hz均有分布。跨中軌腰位置處側向加速度峰值出現在1 400 Hz頻率附近，垂向加速度峰值在300～2 400 Hz均有分布。跨中軌底位置處垂向加速度明顯增大，側向加速度峰值出現在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，最大峰值出現在1 600、2 100 Hz頻率附近。

同時在上述幾種情況下，對比軌道板和底座板加速度時，均發現了相同的傳遞規律[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，頻譜圖形式簡單。軌道板加速度峰值出現在500 Hz頻率處，底座板峰值出現在2 000 Hz頻率處。

4.2 噪聲分析

4.2.1 鋼軌跨中位置側向錘擊

在跨中軌頂位置進行側向錘擊，測得的跨中軌頂、軌腰聲強時程如圖8所示。

圖8 鋼軌跨中各位置聲強時程

從圖8看出，聲強衰減較快，在20～30 ms內已衰減完成。從軌頂到軌腰，峰值變大。

為了進行頻域對比分析，將測試的聲強時程進行快速傅里葉變換(FFT)得到頻譜圖，如圖9所示。

圖9 鋼軌各位置處聲強頻譜

從圖9可以看出，鋼軌跨中位置，軌腰處聲強峰值比軌頂處大。跨中軌頂、軌腰處峰值出現在400、1 000、1 600 Hz附近。枕上軌頂處聲強遠大于軌腰處聲強。枕上軌頂處聲強峰值出現在500、1 500 Hz附近。

4.2.2 鋼軌跨中位置垂向錘擊

通過FFT變換獲得跨中垂向錘擊下鋼軌各位置處聲強頻譜，如圖10所示。

圖10 垂向錘擊下鋼軌各位置處聲強頻譜

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

4.3 關聯性分析

4.3.1 鋼軌跨中位置側向錘擊

將鋼軌跨中各位置處的加速度和聲強頻譜圖進行對比[18]，如圖11所示。

圖11 側向錘擊下加速度與聲強對比

從圖11發現，聲強和側向加速度峰值的出現有很強的相似性，在側向加速度出現峰值時，相應頻段的聲強也會出現峰值。分析多組數據后，發現這種規律并不是偶然的。在跨中軌頂位置處，側向加速度和聲強在0～2 200 Hz頻段峰值吻合良好；在跨中軌腰位置處，側向加速度和聲強在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頻譜圖進行對比，如圖12所示。

圖12 垂向錘擊下加速度與聲強對比

從圖12發現，在垂向激勵作用下，跨中軌頂位置處鋼軌的振動響應相比側向激勵時復雜，側向和垂向加速度均較大，垂向加速度對0～2 000 Hz頻段聲強影響大，側向加速度對聲強的貢獻不明顯。跨中軌腰位置處，在0～1 500 Hz頻率區段內，聲強主要受垂向加速度影響，與側向加速度的關聯小。

5 結論

(1)在鋼軌跨中位置分別施加側向和垂向激勵，鋼軌均產生側向振動和垂向振動，從軌頂到軌腰再到軌底，側向振動逐漸減弱，垂向振動逐漸增強。

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

(3)側向激勵下，軌頂和軌腰位置聲強主要受側向振動影響。垂向激勵下，鋼軌各位置聲強頻率0～1 500 Hz區段主要受垂向振動影響，側向振動幅度雖然大，但對聲強貢獻不明顯，僅能看出對1 700 Hz頻率處聲強產生明顯影響。

(4)振動與噪聲關聯最強情況為跨中側向激勵下跨中軌頂位置處，聲強與側向加速度頻譜峰值的出現基本達到一一對應關系。

[1] 宋傳江.高速鐵路和城市軌道線路橡膠減震制品的現狀和發展[J].橡膠科技市場，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] 張筱茜.高速鐵路環境振動動態特性分析[D].成都:西南交通大學，2015.

[4] 尹皓，李耀增，辜小安.高速鐵路列車運行噪聲特性研究[J].鐵道勞動安全衛生與環保，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.軌道剛度變化對輪軌沖擊荷載的動力影響[J].同濟大學學報(自然科學版)，2002(4):427-430.

[8] 吳斌，陳文榮，劉參，等.列車豎向荷載下CRTSⅡ型板式無砟軌道結構受力特性試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2014(3):37-42.

[9] 劉震，劉林芽.無砟軌道鋼軌導納特性的實驗研究[J].噪聲與振動控制，2012(3):78-81.

[10] 魏民.隔震結構中阻尼對隔震效果的影響[D].濟南:山東大學，2011.

[11] 谷愛軍，張宏亮，李文會，等.城市軌道交通高架線噪聲控制問題分析[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下輪軌相互作用分析[D].成都:西南交通大學，2009.

[14] 應懷樵，劉進明，沈松.把試驗室拎著走——數據采集和信號處理軟件DASP2000性能介紹[C]∥中國振動工程學會振動與噪聲控制專業委員會，第十五屆全國振動與噪聲高技術及應用會議論文集:2001年卷，現代振動與噪聲技術，2001：219-225.

[15] 劉林芽，雷曉燕.輪軌噪聲的預測[J].鐵道學報，2004(1):101-104.

[16] 周廣慶.地鐵常用軌道結構振動傳遞特性理論和試驗分析[D].北京:北京交通大學，2015.