兩種新型材料地鐵軌枕的頻響特性和減振特性分析

趙鑫江　何大智　許孝堂　于海龍

摘要：為了研究環氧樹脂材料和不飽和聚酯材料制作的地鐵軌枕的減振性能，通過力錘敲擊試驗和理論分析的方法，對比分析了兩種新型材料軌枕和傳統混凝土軌枕的頻響特性和減振特性。通過分析三種軌枕的頻響特性數據發現，對于軌枕的多數垂向共振頻率所對應的共振峰，三種軌枕共振峰的共振頻率和共振峰值無明顯差異；對于軌枕的多數橫向共振頻率所對應的共振峰，三種軌枕共振峰的共振頻率無明顯差異，但不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值最小。通過分析三種軌枕的阻尼比發現，兩種新型材料軌枕比傳統混凝土軌枕的減振性能都更好，其中不飽和聚酯材料軌枕的減振性能在三者中最好。

關鍵詞：減振；環氧樹脂材料；不飽和聚酯材料；軌枕；力錘

中圖分類號：U213.3 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.05.009

文章編號：1006-0316 （2023） 05-0052-06

Analysis of Frequency Response and Vibration Reduction Characteristics of

Two Metro Sleepers Made of New Materials

ZHAO Xinjiang1，HE Dazhi2，XU Xiaotang3，4，YU Hailong5

（ 1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.GRG Metrology & Test （Chengdu） Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China; 3.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 4.GERB （Qingdao） Vibration Control Co.， Ltd.， Qingdao 266108， China; 5.Dalian A.L.X Machinery Co.， Ltd.， Dalian 116003， China ）

Abstract：In order to study the vibration reduction performance of two metro sleepers made of epoxy resin and unsaturated polyester materials respectively， the force-hammer excitation test and the theoretical analysis are used to compare the frequency response and vibration damping characteristics of the two new-material sleepers with a traditional concrete sleeper. By comparing and analyzing the frequency response characteristics of the three types of sleepers， it is found that the resonance frequencies of the resonance peaks of the three types of sleepers have only slight difference in terms of the vertical resonance frequencies of the sleepers. And also， there is no significant difference in the resonance frequencies of the three sleepers in terms of the transverse resonance frequencies of sleepers， and the resonance peak value of the unsaturated polyester sleepers is the smallest among the three sleepers. The damping ratios of the three sleepers show that the vibration reduction performance of the two new-material sleepers is better than that of the traditional concrete sleeper. In particular， the vibration damping of the unsaturated polyester sleeper is the best among the three sleepers.

Key words：vibration reduction；epoxy resin materials；unsaturated polyester materials；sleeper；force-hammer

地鐵是城市軌道交通的一種重要形式，但運行過程中不可避免地給城市帶來振動和噪聲問題[1-3]。由于混凝土軌枕存在彈性差、脆性大、減振性能不足等缺陷，近年世界各國都致力于研制和應用新減振材料的軌枕，如復合式軌枕、纖維混凝土軌枕、樹脂合成軌枕等[4-5]。

對于傳統混凝土軌枕和新型材料軌枕的減振性能，國內外學者開展了諸多研究。趙振航等[6]采用落軸激勵試驗和理論分析的方法，分析得出復合軌枕和彈性軌枕有砟軌道的動力特性。Kaewunruen等[7]對預應力混凝土軌枕進行沖擊試驗，得出預應力混凝土軌枕的累積沖擊損傷和裂紋擴展，以及預應力混凝土軌枕的合成彎矩與施加沖擊力間的關系。崔幼飛[8]對樹脂合成軌枕進行了反復彎曲的疲勞強度試驗，得出樹脂合成軌枕的彎曲強度、豎向抗壓強度和剪切強度等參數，同時測試了螺栓抗拔強度。

上述研究主要是針對傳統混凝土軌枕或新型材料軌枕的減振性能，但將多種軌枕放在相同試驗工況下進行對比研究的較少，難以評價不同材料軌枕的減振性能的差異。因此，本文建立軌枕減振測試試驗臺，通過力錘敲擊試驗和理論分析的方法，對比分析環氧樹脂材料軌枕、不飽和聚酯材料軌枕和傳統混凝土軌枕的頻響特性和阻尼比，為新型材料軌枕的應用提供技術支持。

1 軌枕減振性能測試試驗

為更好地對比分析新型材料軌枕的減振性能，試驗選擇了兩種新型材料軌枕和傳統混凝土軌枕，如圖1所示。為便于試驗記錄和對比分析，將三種類型軌枕進行編號，分別是1號環氧樹脂材料軌枕、2號不飽和聚酯材料軌枕和3號混凝土軌枕。環氧樹脂材料軌枕的成分是高強度環氧樹脂、硬化劑和特種添加劑，經過科學系統配置高純度、高強度礦物骨料填充物復配而成的混合物在模具中澆鑄而成。不飽和聚酯材料軌枕和環氧樹脂材料軌枕的成分區別是用不飽和聚酯代替高強度環氧樹脂。傳統混凝土軌枕是地鐵中現在常用的混凝土軌枕。

在節約成本的前提下，為了得到環氧樹脂材料軌枕、不飽和聚酯材料軌枕和傳統混凝土軌枕的振動特性，本文設計制造了軌枕減振測試試驗臺，如圖2所示。試驗臺由一根500 mm長的60 kg/mm鋼軌、一套DTVI2型扣件系統、不同類型軌枕、兩條尼龍繩和一根支架組成。為了更加真實地模擬現場軌道結構，試驗中，將鋼軌、扣件系統分別與試驗用的三種類型軌枕裝配成整體。為了使三者整體處于自由狀態，通過尼龍繩和支架將三者整體懸吊在半空中。

為更真實地模擬現場鋼軌通過扣件系統向軌枕傳遞振動的路徑，使用內置了加速度傳感器的力錘在兩扣件中間鋼軌的軌頭頂部中心垂向、橫向敲擊，如圖3中①②所示。為測得力錘在垂向敲擊鋼軌時，不同類型軌枕的垂向加速度，在軌枕的底部安裝加速度傳感器，如圖3中1號面所示。為測得力錘在橫向敲擊鋼軌時，不同類型軌枕的橫向加速度，在軌枕的短側面安裝加速度傳感器，如圖3中2號面所示。

2 三種軌枕的頻響特性分析

通過軌枕減振性能測試試驗，可以得到力錘激勵作為輸入的時域信號，以及力錘激勵下不同類型軌枕作為輸出的時域信號。為了得到力錘激勵下不同類型軌枕的頻響特性，將不同類型軌枕的輸出信號和與之對應的輸入信號都經過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT），然后將頻域下的輸出信號比輸入信號，得出的結果就是不同類型軌枕的頻響函數。

2.1 中低頻響特性分析

為得到鋼軌受力錘激勵下不同類型軌枕的垂向和橫向中低頻響特性，截取0～600 Hz區間的三種軌枕的頻響函數，結果如圖4所示。虛線框位置為共振頻率。

由圖4（a）可以看出，三種軌枕的垂向共振頻率無明顯差異，均在150～200 Hz之間。在該范圍內，相比傳統混凝土軌枕，環氧樹脂材料軌枕的共振峰值更大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值更小。此外，在0～100 Hz和400～600 Hz之間，三種軌枕的振動幅值無太大差異。在100～400 Hz之間，相比傳統混凝土軌枕，環氧樹脂材料軌枕的振動幅值更大，不飽和聚酯材料軌枕的振動幅值更小。

由圖4（b）可以看出，三種軌枕的橫向共振頻率無明顯差異，均在150～200 Hz和350～400 Hz之間。在150～200 Hz之間，相比傳統混凝土軌枕，環氧樹脂材料軌枕的共振峰值更大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值更小。在350～400 Hz之間，相比傳統混凝土軌枕，環氧樹脂材料軌枕的共振峰值更大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值相差不大。此外，在0～470 Hz之間，相比傳統混凝土軌枕，環氧樹脂材料軌枕的振動幅值更大，不飽和聚酯材料軌枕的振動幅值更小。在470～600 Hz之間，相比傳

統混凝土軌枕，環氧樹脂材料軌枕和不飽和聚酯材料軌枕的振動幅值均更小，其中不飽和聚酯材料軌枕的振動幅值最小。

2.2 中高頻響特性分析

為得到鋼軌受力錘激勵下不同類型軌枕的垂向和橫向中低頻響特性，截取600～3200 Hz區間的三種軌枕的頻響函數，結果如圖5所示。

由圖5（a）可知，三種軌枕的垂向共振頻率無明顯差異，均在1300～1500 Hz、2200～2400 Hz和2800～3000 Hz之間，且三種軌枕的共振峰值相差不大。此外，在600～3200 Hz之間，三種軌枕的振動幅值無太大差異。

由圖5（b）可知，三種軌枕的橫向共振頻率無明顯差異，均在1300～1500 Hz、2200～2400 Hz和2800～3000 Hz之間。在1300～1500 Hz和2200～2400之間，相比傳統混凝土軌枕，環氧樹脂材料軌枕的共振峰值均相差不大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值更小。在2800～3000 Hz之間，三種軌枕的共振峰值相差不大。此外，在600～1300 Hz之間，相比傳統混凝土軌枕，多數情況下，環氧樹脂材料軌枕和不飽和聚酯材料軌枕的振動幅值均更小，其中不飽和聚酯材料軌枕的振動幅值最小。在1300～3200 Hz之間，相比傳統混凝土軌枕，多數情況下，環氧樹脂材料軌枕的共振峰值均相差不大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值更小。

根據上述三種軌枕的共振頻率和共振峰值對比分析可知，在低、中、高頻區間，對于軌枕的多數垂向共振頻率所對應的共振峰，三種軌枕的共振頻率和共振峰值無明顯差異；對于軌枕的多數橫向共振頻率所對應的共振峰，三種軌枕的共振頻率無明顯差異，但不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值最小。

3 三種軌枕的減振特性分析

在帶有扣件系統的情況下，鋼軌、扣件系統、軌枕可以簡化為帶阻尼的單自由度系統的振動模型。在此模型下，阻尼比可以表示彈簧上質量塊振動衰減的快慢程度，是具有代表性的減振特性參數。半功率法和自由振動衰減法分別是頻域及時域辨識結構模態阻尼比的最基本方法[9]。由于不同測試方法所確定的阻尼比存在一定的差異性[10]，為更加準確地測得三種軌枕的阻尼比，本文采用自由振動衰減法和半功率法進行阻尼比測試。

3.1 自由振動衰減法

自由振動衰減法是一種簡便易行的阻尼測量方法。粘性阻尼系統的自由振動曲線如圖6所示[11]。

由圖6可知：

3.4 半功率法測試結果

采用半功率法對三種軌枕的阻尼比進行驗證，測試結果如圖9所示。可以看出，環氧樹脂材料軌枕測得的阻尼比為0.582%，不飽和聚酯材料軌枕為1.73%，混凝土材料軌枕為0.475%。相比混凝土材料軌枕，環氧樹脂材料軌枕的阻尼比增大22.5%，不飽和聚酯材料軌枕的阻尼比增大2.6倍。

對比自由振動衰減法，半功率法測得三種軌枕阻尼比的大小規律一致。兩種方法得出的共同結論是不飽和聚酯材料軌枕的阻尼比最大，其次是環氧樹脂材料軌枕的阻尼比，混凝土材料軌枕的阻尼比最小。

4 結論

通過力錘敲擊試驗和數值分析的方法，得到兩種新型材料軌枕和傳統混凝土軌枕的頻響特性和減振特性。對比分析三種軌枕的頻響特性數據和阻尼比，得出以下結論：

（1）在低、中、高頻區間，對于軌枕的多數垂向共振頻率所對應的共振峰，三種軌枕的共振頻率和共振峰值無明顯差異；對于軌枕的多數橫向共振頻率所對應的共振峰，三種軌枕的共振頻率無明顯差異，但不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值最小。

（2）自由振動衰減法測得的三種軌枕的阻尼比大小規律為：不飽和聚酯材料軌枕的阻尼比最大，其次是環氧樹脂材料軌枕的阻尼比，混凝土材料軌枕的阻尼比最小。

（3）半功率法測得的三種軌枕的阻尼比大小規律和自由振動衰減法一致。驗證了環氧樹脂材料軌枕和不飽和聚酯材料軌枕的減振特性要優于傳統混凝土軌枕。

（4）基于三種軌枕的頻響特性和減振特性結論，相比其他兩種軌枕，不飽和聚酯材料軌枕具有更大的應用價值。

參考文獻：

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[11]高淑英，沈火明. 振動力學[M]. 2版. 北京：中國鐵道出版社，2016：258.

收稿日期：2022-08-17

基金項目：四川省區域創新合作項目（2020YFQ0024）

作者簡介：趙鑫江（1998－），男，江西余干人，碩士研究生，主要研究方向為輪軌關系，E-mail：ZHAOXinjiang1998@163.com。*通訊作者：何大智（1977－），男，重慶萬州人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為試驗技術、裝備質量管理等，E-mail：183303308@qq.com。