鋼軌諧振式浮軌扣件動態變形及減振降噪性能分析

徐 寧 曾 飛 李 強 王彥飛 王志強

(洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,471003,洛陽//第一作者,工程師)

城市軌道交通引起的振動，主要由車輛運行時輪軌間相互撞擊所產生，由鋼軌通過扣件和道床傳遞至隧道，并傳向大地而引發附近地面建筑物的振動。軌道結構是振動傳播途徑中的一個重要環節，直接影響周邊結構的振動響應。以振源和傳遞途徑為對象研究地鐵的減振性能較為合理，也是最有效的方法之一[1-3]。

西安地鐵1號線DK31+060至DK31+240為緩和曲線和圓曲線區間段，圓曲線半徑R為450 m，上行線為道床減振墊軌道結構，下行線為DTVI2扣件普通道床軌道結構。該區段上方為某小區居民住宅,列車運營時振動噪聲干擾了居民的正常生活。為此,選用諧振式浮軌扣件對下行線該區段進行更換改造。

諧振式浮軌扣件主要由橡膠彈性楔塊、支撐側板、鎖緊楔塊、絕緣防撞墊板、絕緣耦合墊板等組成。該扣件中的橡膠支撐楔塊內設置諧振質量單元，借助橡膠支撐楔塊的彈性層形成動力吸振器結構，系將動力吸振和扣件隔振技術進行了集成。通過設計諧振質量單元和彈性體的動力吸振結構，可在特定頻段產生諧振效應，將鋼軌振動能量轉換為內能，從而減少向軌道的振動傳遞，提高了扣件隔振效果[4]。

為考察分析浮軌扣件在列車運營過程中的安全性能和減振降噪效果，在改造前后同一測點DK31+130處，測試分析軌道動態變形及振動情況，同時測試分析敏感建筑物振動及二次輻射噪聲變化水平。

1 鋼軌扣件

西安地鐵1號線鋼軌DTVI2扣件的靜剛度約為40 kN/mm，浮軌扣件剛度約為5～8 kN/mm;兩種扣件防爬阻力≥11.5 kN，適用于60 kg/m鋼軌的隧道內線路,以及U型結構和地面枕式整體道床等多種工況。兩種鋼軌扣件如圖1所示。

a) DTVI2扣件

b) 浮軌扣件

2 動態測試點布置

2.1 軌道動態變形測試

軌道動態變形即軌道在列車運行過程中的變形狀況，包括鋼軌豎向變形、扭轉變形和軌頭橫向變形，體現了鋼軌下沉量、軌距動態變化等安全性能。變形通過位移傳感器進行測量，測點位于相鄰扣件跨距的1/2橫截面處，如圖2所示。

a) 左軌

b) 右軌

2.2 軌道振動測試

以傳遞路徑為參考，軌道振動測試包括鋼軌振動、道床振動和隧道壁振動,其測點與圖2為同一橫截面測布置，如圖3所示。其中,振動包括豎向振動和橫向振動。

圖3 軌道振動測點傳感器及設備安裝位置

2.3 敏感建筑物振動及二次輻射噪聲測試

某小區敏感建筑物的測點布置如圖4所示。

圖4 敏感建筑物測點示意圖

3 測試結果分析

3.1 軌道動態變形分析

在車輛正常運營下進行，分別針對每輛車的導向軸和從動軸進行軌道動態變形分析，其中行車速度可通過位移變形記錄的信號進行計算。分別選取早、中、晚3個時段的數據進行處理。改造前DTVI2扣件區段和改造后浮軌扣件區段軌道變形數據如表1和表2所示，同時求得改造前后列車途經該測點運行速度分別為70.5 km/h和70.9 km/h。

表1 DTVI2扣件區段鋼軌動態變形 mm

表2 浮軌扣件區間鋼軌動態變形 mm

分析可知，浮軌扣件區段鋼軌下沉量、鋼軌橫向變形和扭轉變形均大于DTVI2扣件區段，其中最大變形量為浮軌扣件區段,鋼軌豎向變形平均值為2.62 mm，以上數據均低于鐵運[2006]146號《鐵路線路維修規則》中軌道動態質量容許偏差管理值，表明浮軌扣件能夠保證列車在運行中的安全性能。

3.2 軌道振動分析

3.2.1 鋼軌振動分析

圖5和圖6分別為改造前DTVI2扣件和改造后浮軌扣件區段鋼軌速度振動級1/3倍頻程頻譜圖。表3為兩種扣件區段鋼軌速度總振動級，計算帶寬12.5～2 500 Hz。圖中“浮軌左軌豎向”代表浮軌扣件區段左軌豎向振動，其它類同。

圖5 改造前鋼軌振動1/3倍頻程頻譜圖

圖6 改造后鋼軌振動1/3倍頻程頻譜圖

由3.1可知，兩種扣件區段車速相同，因此振動數據不需修正。圖5中DTVI2扣件右、左軌間的豎向振動和橫向振動均相差不大，橫向振動在400～1 250 Hz頻段外均高于豎向振動。圖6中浮軌扣件右、左軌間的豎向振動和橫向振動均相差不大，但豎向振動在整個頻段內均高于橫向振動，同時在200～1 600 Hz頻帶內豎向、橫向振動曲線相對平緩。由表3可知，浮軌扣件區段鋼軌速度總振動級略大于DTVI2扣件區段，原因是浮軌扣件的鋼軌下沉變形較大。

表3 鋼軌速度總振動級 dB(A)

3.2.2 道床振動分析

圖7為改造前DTVI2扣件和改造后浮軌扣件區段道床加速度振動1/3倍頻程頻譜圖。表4為兩種扣件區段道床加速度總振動級，計算帶寬1.25～80 Hz。

圖7 改造前后道床振動1/3倍頻程頻譜圖

表4 道床加速度總振動級dB(Z)

同理，兩種扣件區段道床振動數據不需修正。整體上DTVI2扣件區段道床豎向振動和橫向振動大于浮軌扣件區間道床振動，且DTVI2扣件固有頻率為63 Hz，浮軌扣件為31.5 Hz。由表4可知，改造后道床豎向振動降低11.9 dB(Z)，橫向振動降低11.1 dB(Z)。

3.2.3 隧道壁振動分析

圖8為改造前DTVI2扣件和改造后浮軌扣件區段隧道壁加速度振動1/3倍頻程頻譜圖。表5為兩種扣件區段隧道壁加速度總振動級，計算帶寬1.25～80 Hz。

圖8 改造前后隧道壁振動1/3倍頻程頻譜圖

表5 隧道壁加速度總振動級dB(Z)

改造前后車速基本不變，因此數據無需修正。在圖8中，整體上DTVI2扣件區段隧道壁豎向振動和橫向振動大于浮軌扣件區段隧道壁振動，同時,受線路曲線影響,兩種扣件區段的橫向振動均高于豎向振動。受扣件固有頻率影響，DTVI2扣件和浮軌扣件分別在31.5 Hz和63 Hz出現共振峰值。由表5可得，改造后隧道壁豎向振動降低9.2 dB(Z)，橫向振動降低13.4 dB(Z)。

3.3 敏感建筑物振動及二次輻射噪聲分析

圖9和圖10分別為改造前后敏感建筑物地面豎向振動和二次輻射噪聲1/3倍頻程頻譜圖。表6為改造前后加速度總振動級和總聲壓級，其中振動Z計權處理時,計算帶寬為1.25～80 Hz，總聲壓級A計權處理時,計算帶寬為12.5～2 500 Hz。

圖9 改造前后地面振動1/3倍頻程頻譜圖

由圖9可知，在20～200 Hz頻帶內，改造后振動低于改造前振動。圖10中，在12.5～200 Hz內，改造后敏感建筑物室內二次輻射噪聲低于改造前數據。由表6可知，改造前后敏感建筑物豎向振動減少7.3 dB(Z)、二次輻射噪聲減小4.1 dB(A)。

圖10 改造前后二次輻射噪聲1/3倍頻程頻譜圖

表6 列車運行時敏感建筑物振動情況

4 結論

(1) 改造后浮軌扣件區段鋼軌下沉量、鋼軌橫向變形和扭轉變形均大于改造前DTVI2扣件區段鋼軌下沉量，其中最大變形量為浮軌扣件區段鋼軌豎向變形(2.62 mm)，各變形數據均低于國家鐵路線路維修的6 mm標準，表明浮軌扣件在列車運行過程中具有較好的安全性能。

(2) 相對于改造前DTVI2扣件區段道床和隧道壁振動，改造后浮軌扣件區段道床振動豎向降低11.9 dB(Z)，橫向降低11.1 dB(Z)，隧道壁豎向振動降低9.2 dB(Z)，橫向振動降低13.4 dB(Z)，表明浮軌扣件具有良好的減振效果。

(3) 采用浮軌扣件改造后，敏感建筑物豎向振動減小7.3 dB(Z)，二次輻射噪聲減小4.1 dB(A)，表明浮軌扣件具有良好的減振降噪效果。