基于錘擊法的有軌電車嵌入式軌道減振性能試驗研究

雷曉燕，魏 強，劉慶杰，馮青松，羅信偉

（1.華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部研究中心，南昌 330013；2.廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣州 510010）

現(xiàn)如今進一步發(fā)展軌道交通，建立更加豐富立體的鐵路線網(wǎng)可以更好促進國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，提高人民生活水平。有軌電車自得到應(yīng)用以來已經(jīng)得到世界各國和地區(qū)的廣泛認可，許多城市在軌道交通線路上廣泛應(yīng)用嵌入式軌道形式。而新型有軌電車是一種全新、先進的公共交通運輸方式，它將傳統(tǒng)的有軌電車形式進行了比較全面的升級與改造，設(shè)計更加新穎，可以達到中等的運量水平，并且該軌道形式對于城市環(huán)境較為環(huán)保并且可以滿足社會對于可持續(xù)發(fā)展的基本要求。嵌入式軌道結(jié)構(gòu)形式提高了整個軌道結(jié)構(gòu)在豎向、縱向以及橫向上的剛度。當(dāng)車輛經(jīng)過時，在鋼軌兩側(cè)高性能填充材料的耗能作用下，鋼軌振動被有效約束，同時這種結(jié)構(gòu)形式降低了噪聲的影響，具有可靠的安全性能，可以大幅度降低維修成本，非常適用于城市交通的應(yīng)用與普及。Ling等[1]建立了兩種軌道的動力學(xué)模型，將分析結(jié)果與常規(guī)軌道進行比較，體現(xiàn)出了該軌道形式出色的減振性能。Bu等[2]建立了混合交通區(qū)預(yù)埋軌道的有限元模型，分析了混合交通荷載作用下的局部受力和變形規(guī)律，提出了提高軌道穩(wěn)定性的彈性模量的最佳范圍；Sun等[3]針對嵌入式軌道結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)鐵路軌道的振動與聲輻射特性，采用耦合波數(shù)有限元和邊界元模型進行了研究，分析了不同頻段中鋼軌和軌道板相互之間振動的交互關(guān)系，并設(shè)計了不同形狀的預(yù)埋材料分析其輻射聲功率特性；劉婷林[4]利用仿真軟件分析了嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪性能，并通過室內(nèi)落錘法和自由落錘法對增設(shè)不同顆粒材料條件下的軌道結(jié)構(gòu)減振降噪效果進行了對比試驗研究，分析了不同粒徑配比和密度方案對減振效果的影響。何遠鵬等[5]同樣建立了耦合動力學(xué)模型，得到的曲線可以清晰反映鋼軌垂向剛度對于該軌道動態(tài)特性的影響。江小州[6]對槽內(nèi)澆注料、降噪塊等一些部件的主要影響參數(shù)(如彈性模量、阻尼參數(shù)等)進行調(diào)查，對有軌電車對嵌入式軌道在不同材料參數(shù)下的振動聲輻射性能進行分析，得出了各部件參數(shù)的最優(yōu)值。劉林芽等[7]結(jié)合了邊界元和有限元的方法，將已經(jīng)計算出的軌道系統(tǒng)豎向的相對高頻的振動響應(yīng)值應(yīng)用到聲輻射計算中作為邊界條件，并通過計算得到了鋼軌與下部結(jié)構(gòu)的聲輻射特性。康晨曦等[8]采用拓撲優(yōu)化的方法改進了雙層嵌入式軌道的設(shè)計，獲得了比較匹配鋼軌剛度的彈性模量數(shù)值，可以極大節(jié)約成本。畢瀾瀟等[9]在拓撲優(yōu)化等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，對嵌入式軌道結(jié)構(gòu)槽內(nèi)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，給出了承軌槽的寬度的理想范圍，同時給出了對于彈性模量取值的相應(yīng)見解。汪力等[10]基于溫克爾彈性地基分析軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，分析了關(guān)于其減振降噪方面的原理，針對其下部的基礎(chǔ)形式給出了合理的方案。陳鵬等[11研發(fā)了一種可用于預(yù)制道床板的軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并對其組成原理以及設(shè)計理論進行了相關(guān)研究，為今后有軌電車軌道系統(tǒng)的設(shè)計方案研究提供了很好的借鑒和參考。馮青松等[12]對應(yīng)用于簡支梁橋的嵌入式軌道無縫線路的工況進行優(yōu)化分析，結(jié)果表明，采用小阻力高分子材料可以明顯減小鋼軌附加作用力。我國引進嵌入式軌道較晚，對其研究進程相對緩慢，相關(guān)理論已經(jīng)逐步完善，但對于嵌入式軌道進行實際的模型試驗者較少。本文依據(jù)圖紙，以實尺比例澆筑軌道模型。澆筑完成后對其進行振動特性試驗分析，以加速度導(dǎo)納為指標，通過在鋼軌頂部施加垂向錘擊激勵，得到有軌電車嵌入式軌道鋼軌的振動響應(yīng)，同時對試驗基地的CRTSⅡ型無砟軌道進行相同的試驗，將得到的結(jié)果進行對比，分析嵌入式軌道的減振特性。

1 雙層嵌入式軌道模型制作

1.1 嵌入式軌道部件材料參數(shù)

首先進行雙層嵌入式軌道的模型澆筑，軌道結(jié)構(gòu)包括60R2槽型軌、PVC管、填充材料以及軌道板。依據(jù)圖紙進行模型材料的準備，為降低邊界效應(yīng)所帶來的影響，設(shè)計模型總長度取為5 m。材料參數(shù)賦值見表1。

表1 嵌入式軌道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

1.2 模型澆筑介紹

分層澆筑嵌入式軌道承軌槽內(nèi)填充材料，上層填充材料彈性模量比下層更大。上下層填充材料都是由AB組料組成，配合比例為1:1。澆筑過程中，首先進行底層材料澆筑，靜置45分鐘待下層凝固之后進行頂層材料的澆筑。填充材料澆筑過程如圖1至圖4所示。

圖1 模型準備

圖2 A、B兩種聚氨酯材料

圖3 攪拌聚氨酯材料

圖4 完成澆筑工作模型準備

2 振動特性試驗

2.1 錘擊法導(dǎo)納試驗原理

試驗中采用了LMS TEST. LAB 軟件所包含的Impact Testing 模塊，這個測試模塊內(nèi)置多種形式的信號源（正弦、余弦信號源），測試的時候使用指定力錘激勵軌道結(jié)構(gòu)作為輸入，此過程即用力錘模擬瞬態(tài)沖擊過程，得到力信號；此時附著在軌道結(jié)構(gòu)上的傳感器可以獲得結(jié)構(gòu)的輸出響應(yīng)信號，數(shù)據(jù)采集儀獲得了輸入的力信號以及輸出的響應(yīng)信號，通過軟件進行實時處理，并利用模態(tài)參數(shù)估算法，即可得到本次測試的傳遞函數(shù)。測試流程圖見圖5。

圖5 測試流程圖

本次測試所采用的衡量指標為加速度導(dǎo)納，加速度導(dǎo)納可以反映出結(jié)構(gòu)的固有振動特性，并且輸出激勵的大小不會對其產(chǎn)生相應(yīng)的影響。本次實驗使用力錘激勵軌道結(jié)構(gòu)測試部分，數(shù)據(jù)采集儀會根據(jù)錘頭以及傳感器收集到力信號及響應(yīng)信號，本次測試中，在力錘的激勵下，該結(jié)構(gòu)振動方程為：

其中：F就是外作用力的值；將實測加速度信號和錘擊力輸入的時域信號進行傅里葉變換并求商，即可得到加速度導(dǎo)納：

2.2 試驗儀器及測點布置

試驗中采用比利時公司的LMS數(shù)據(jù)采集儀（24通道），如圖6所示。傳感器采用PCB垂向加速度傳感器（352C04型），PCB力錘的型號為086D05型，所用合金錘頭如圖7所示。

圖6 LMS數(shù)據(jù)采集儀

圖7 PCB力錘

選取嵌入式軌道結(jié)構(gòu)與CRTSⅡ型無砟軌道結(jié)構(gòu)為研究對象，帶寬設(shè)置為0～4 096 Hz；采用LMS Test.Lab 軟件中的錘擊測試法模塊進行測試，布置測點時選取所澆筑軌道模型中鋼軌的軌面內(nèi)軌中心位置，每隔0.6 m 布置一個拾振點，從左往右依次編號為P1、P2、P3、P4、P5，共5 個拾振點；測試前利用砂紙打磨鋼軌測試部位，并用酒精擦拭，此步驟可以除去鋼軌測試部位的臟污及銹跡，確保試驗結(jié)果的準確性。擦拭完成后，在拾振點位置布置垂向加速度傳感器，并將其按照編號排列，同時記錄好每個傳感器的靈敏度系數(shù)并輸入軟件調(diào)試模塊。布置完成后檢測傳感器與鋼軌貼和程度，測點布置示意圖見圖8至圖9。

圖8 雙層嵌入式軌道傳感器布置示意圖

圖9 CRTS II型無砟軌道結(jié)構(gòu)測點布置示意圖

2.3 測試流程

連接力錘及各加速度傳感器線纜，使用力錘垂向激勵P3 點處，激勵完成后，觀察數(shù)據(jù)采集儀上P3點被施加激勵時軌道上各測點的垂向振動響應(yīng)結(jié)果以及儀器設(shè)置是否合理，并進行相應(yīng)調(diào)試。調(diào)試完成后重復(fù)上述步驟，多次測試采集力信號及豎向振動加速度信號，計算得到頻響函數(shù)并求平均值，進行多組試驗，確保試驗的準確性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 嵌入式軌道結(jié)構(gòu)與無砟軌道結(jié)構(gòu)加速度導(dǎo)納結(jié)果分析

考慮到對稱效應(yīng)，只選取軌道單側(cè)測試結(jié)果進行展示；激勵P3 點后，嵌入式軌道各測點的加速度導(dǎo)納結(jié)果如圖10所示；從圖中可以看出嵌入式軌道加速度導(dǎo)納響應(yīng)幅值隨頻率的增大而呈現(xiàn)整體增大的趨勢，但整體曲線較為平緩，并未出現(xiàn)過多的峰值，且峰值均小于0.5 g/N；選取P3為激勵點時，鋼軌振動加速度導(dǎo)納在100 Hz、301 Hz處出現(xiàn)明顯幅值，在198 Hz、1 580 Hz、362 Hz 處出現(xiàn)較明顯低谷，說明嵌入式軌道形式對這幾個頻率下的振動抑制較明顯，P1點在362 Hz處較反常出現(xiàn)低谷，幅值較小，且從整體來看，隨著振動沿著縱向的傳遞，3個測點的加速度導(dǎo)納數(shù)值逐級衰減，幅值相差一個數(shù)量級，說明了聚氨酯材料對于鋼軌的振動沿鋼軌縱向的衰減效果非常突出。

圖10 激勵P3點時嵌入式軌道各點導(dǎo)納示意圖

激勵P3點后，無砟軌道各測點的加速度導(dǎo)納結(jié)果如圖11所示。

圖11 P1、P2與P3點加速度導(dǎo)納對比示意圖

圖11 反映了在20 Hz～2 000 Hz 范圍內(nèi)振動沿?zé)o砟軌道鋼軌縱向傳遞的規(guī)律，從圖中可以看出，在20 Hz～200 Hz范圍內(nèi)，鋼軌振動加速度沿縱向有明顯的衰減趨勢，但在20 Hz～2 000 Hz 范圍內(nèi)，雖然可以看出激勵點的導(dǎo)納幅值略大于其余兩點，但所差極小，并未體現(xiàn)出明顯的衰減過程。可以看出，在高頻段，無砟軌道形式對于鋼軌振動沿縱向傳遞的抑制的能力較嵌入式軌道形式差。

3.2 嵌入式軌道與無砟軌道響應(yīng)結(jié)果對比分析

現(xiàn)將兩種軌道相同測點的導(dǎo)納結(jié)果進行對比，見圖12至圖14。

圖12 兩種軌道P1點導(dǎo)納結(jié)果對比

圖13 兩種軌道P2點導(dǎo)納結(jié)果對比

圖14 兩種軌道P3點導(dǎo)納結(jié)果對比

從圖12至圖14可以看到，在激勵P3點時，無砟軌道與嵌入式軌道P3點的響應(yīng)峰值相差不大，但從P1點與P2點的響應(yīng)來看，嵌入式軌道沿縱向的衰減效果較無砟軌道更明顯，體現(xiàn)了嵌入式軌道中阻尼材料的減振效果較好；

無砟軌道的3個測點在150 Hz～200 Hz范圍內(nèi)均出現(xiàn)峰值，而正相反，嵌入式軌道在該頻段均為谷值，且兩數(shù)值相差較為明顯，說明了嵌入式軌道在該頻段對于鋼軌振動的抑制效應(yīng)；無砟軌道在全頻段出現(xiàn)峰值較多，傳遞函數(shù)曲線抖動較為明顯，而嵌入式軌道曲線較少出現(xiàn)明顯抖動，整體趨勢較為平緩，曲線更為順滑，體現(xiàn)了嵌入式軌道在全頻段對于鋼軌的減振效果較為突出。

4 結(jié)語

（1）嵌入式軌道加速度導(dǎo)納響應(yīng)幅值隨頻率的增大而整體顯出增大的趨勢，但整體曲線較為平緩，并未出現(xiàn)過多的峰值；鋼軌振動加速度導(dǎo)納在100 Hz、301 Hz 處出現(xiàn)明顯幅值，在198 Hz、1 580 Hz、362 Hz 處出現(xiàn)較明顯低谷，說明嵌入式軌道形式對這幾個頻率下的振動抑制較明顯；且從整體來看，隨著振動響應(yīng)沿著縱向的傳遞，3個測點的加速度導(dǎo)納數(shù)值逐級衰減，幅值相差一個數(shù)量級，沿縱向衰減效果極為明顯；

（2）而無砟軌道3 個測點的曲線幅值在高頻段并未體現(xiàn)出較為明顯的差距，雖然無砟軌道與嵌入式軌道P3點高頻處的響應(yīng)峰值相近，但無砟軌道沿縱向的衰減效果遠遠不及嵌入式軌道；無砟軌道的3個測點在150 Hz～200 Hz范圍內(nèi)導(dǎo)納結(jié)果均出現(xiàn)峰值，而正相反，嵌入式軌道在該頻段均為谷值，且兩數(shù)值相差較為明顯，體現(xiàn)了嵌入式軌道在該頻段對于鋼軌振動的抑制效應(yīng)；

（3）比較嵌入式軌道結(jié)構(gòu)和無砟軌道結(jié)構(gòu)同一測試點的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無砟軌道在全頻段出現(xiàn)峰值較多，傳遞函數(shù)曲線抖動較為明顯，而嵌入式軌道曲線較少出現(xiàn)明顯抖動，整體趨勢較為平緩，曲線更為順滑，說明嵌入式軌道中高分子填充材料能夠在全頻段抑制鋼軌的振動效應(yīng)。