地鐵軌道道床減振墊減振性能研究

王志強 王安斌 徐 寧 何 況

(1.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,471003,洛陽; 2.鄭州市軌道交通有限公司,450018,鄭州∥第一作者,工程師)

地鐵軌道道床減振墊減振性能研究

王志強1王安斌1徐 寧1何 況2

(1.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,471003,洛陽; 2.鄭州市軌道交通有限公司,450018,鄭州∥第一作者,工程師)

道床減振墊已在鄭州地鐵軌道上得到了實際應用。通過進行軌道靜態錘擊試驗及在車輛正常運行條件下的軌道動態變形和振動測試,分析道床減振墊的減振性能。結果表明:道床減振墊實際應用時的固有頻率為25.4 Hz,道床減振墊豎向振動頻率在250 Hz、橫向振動頻率在100 Hz處的振動衰減趨勢較大;在20～400 Hz頻率范圍內,采用道床減振墊相對于不采用道床減振墊的平均減振量為24.4 dB;在車輛正常運行條件下,軌道的動態變形滿足列車安全運行的要求,隧道壁的豎向振動相對于不采用道床減振墊減少了15.7 dB;在靜態和動態測試條件下,采用道床減振墊的減振量基本一致,具有較好的減振效果。

地鐵軌道; 道床減振墊; 減振性能

First-author′s address Luoyang Sunrui Rubber & Plastic Technology Co.,Ltd.,471003,Luoyang,China

隨著軌道交通的快速發展,軌道振動和噪聲污染問題日趨突出,不但對軌道交通系統的設備、旅客和工作人員產生不利影響,而且會影響沿線環境,尤其是對距離小于20 m的居民住宅、醫院、學校、高級賓館、文物保護等建筑物及穿越地段。僅地鐵方面,每條25～30 km線路中有約16%需要采取高級減振或特殊減振措施[1]。

道床減振墊作為地鐵、輕軌、城市鐵路的碎石道床、整體道床或軌道板下的連續彈性支撐,具有隔振性能好、耐疲勞性能優異、安裝使用方便、成本低廉等特點,適用于城市軌道交通環境的減振降噪[1-4]。

鄭州地鐵1號線市體育館站至紫荊山站上下行線路均鋪設道床減振墊。該區間線路長1.12 km,軌道采用整體道床，最小曲線半徑為350 m；左、右線隧道的中心距離約為14 m。區間隧道為盾構法施工的圓形隧道,直徑為5.2 m,隧道頂部與地面的距離約為22 m。本文對該區間的道床減振墊的減振效果進行測試,從而分析產品在實際應用中的減振性能指標[5]。

1 道床減振墊介紹

城市軌道交通道床減振墊的靜剛度在0.01～0.03 N/mm3,動靜剛度比小于1.5。采用300 mm×300 mm的樣品,在加載頻率4 Hz、加載載荷1.8～9.0 kN的條件下,1 000萬次疲勞測試后,產品無開裂、破損,厚度變化未超過1 mm,靜力基礎模量變化小于20%。同時,道床減振墊采用獨特的非線性技術,通過采用底板與多個圓錐截頂的阻尼單元相結合的層次結構形式和橡膠材料配方的設計,借助面和點支撐的結合,使產品具有輕載荷低剛度、重載荷高剛度的非線性剛度特點。即當列車正常運行時,道床減振墊表現出線性變形,以保持列車運行的平穩性和隔振降噪性;一旦負載過重,道床減振墊在正常載荷以外表現出非線性,只產生很小的變形,以保持列車運行平穩,同時保障了產品具有較好的減振降噪效果[6]。

在整體道床中,包含離散的彈性單元、剛體質量單元,以及連續彈性板元和連續彈性梁單元。這樣的體系既包含了有限自由度,以剛體運動為主的模態振型,也有連續彈性質量體系的無限自由度的無限階數的模態振型。運用有限單元法可得到道床的各種模態,包含一些復雜的耦合振型,可以非常清晰地描述其動力學特性[7]。

道床基礎必須有足夠的承載力和剛度。道床減振墊為帶凸起的橡膠墊。道床減振墊的靜剛度試驗曲線如圖1所示,在軌道上的安裝示意圖如圖2所示。

圖1 道床減振墊剛度曲線

圖2 道床減振墊在軌道上的安裝示意圖

2 軌道傳遞響應函數試驗

為了排除不同載荷工況(如軸載、車速、線路曲線半徑的大小和輪軌表面條件等)對測試比較的影響,從而更準確了解不同軌道結構的振動特性及其振動傳遞規律,對軌道在可控制激勵大小和方向的條件下測量激勵及響應,獲得軌道的傳遞響應函數[9]。從軌道的傳遞響應函數可對軌道進行識別,獲得無載條件下的特征參數,如軌道支承剛度等。用激振錘對軌道進行激勵,各種條件與運行試驗相同。在實際測試過程中,車輛的基本參數如表1所示,道床減振墊的隔振參數如表2所示,整體道床軌道的參數如表3所示。

表1 A型車輛基本參數

表2 道床減振墊的隔振參數

表3 整體道床軌道參數

2.1 軌道傳遞響應函數測試方法

軌道傳遞響應函數測試方法見圖3所示。通過測試可得傳遞響應函數的激振和測振的方向和位置,同時也可比較兩軌傳遞響應函數的差異。激振和測振可在鋼軌支承的正上方和扣件間距的1/2處截面分別進行。傳遞響應函數最好由幾組不同位置測試的平均值來減少誤差。

圖3 軌道傳遞響應函數測試方法示意圖

2.2 計算軌道振動傳播衰減率

通過移動激振位置所得的不同位置的傳遞響應函數可計算軌道振動傳播衰減率。即每米振動幅值衰減分貝數。圖4給出了激振和測振的位置。其中,激振和測振在豎直方向、橫向分別進行,以獲得不同方向的振動傳播衰減率。

3 軌道動態變形及振動測試

3.1 軌道變形測量

變形測量位置位于2個扣件底板的中間,即扣件間距的1/2處截面,如圖5所示[5]。

3.2 隧道振動測量

隧道內的振動測量也在扣件間距的1/2處截面進行。隧道壁的豎向和橫向振動測量傳感器(加速計)的位置如圖6所示[5]。

圖4 振動傳播衰減率測試的激振和測振位置圖

圖5 軌道振動變形位移計布置圖

圖6 隧道墻體上加速度計設置位置圖

4 軌道靜態錘擊分析

現場錘擊試驗采用5 kg的榔頭錘擊。錘擊試驗點分別在鋼軌扣件及兩扣件中間的豎向和橫向激勵處,以測試模擬車輪激勵鋼軌時隧道壁的振動傳遞函數效應,在低頻20～200 Hz之間求得插入損失,以得到道床減振墊的隔振性能[6-7]。

4.1 道床減振墊固有頻率

圖7為道床減振墊的錘擊試驗傳遞函數,錘頭激勵點在鋼軌正上方,響應點位于道床中間,其傳遞函數第一階峰值的頻率為25.4 Hz,是道床減振墊在實際應用時的固有頻率(靜態條件下)。圖8為傳遞函數的相位,在頻率25.4 Hz處傳遞函數的相位出現了從負值到正值的跳躍,相位在25.4 Hz處出現突變。圖9為錘擊試驗傳遞函數的相關相干性,在頻率25.4 Hz處的相關相干性為0.989，接近1.000，說明錘擊試驗數據比較可靠。

圖7 道床減振墊的錘擊試驗傳遞函數

圖8 錘擊試驗傳遞函數的相位信息

4.2 減振量分析

現場的錘擊試驗中,當錘子的激勵點在鋼軌上時,測試隧道壁上的豎向及橫向振動響應如圖10所示,可分別求得頻率在20～200 Hz之間的傳遞函數插入損失值的平均值,得到道床減振墊的減振量[10]。設道床減振墊的相對于不設道床減振墊的在隧道壁豎向振動的傳入損失值為16.3 dB、橫向振動的插入損失值為15.9 dB。

圖9 錘擊試驗傳遞函數的相關相干性

圖10 錘擊試驗隧道壁振動加速度傳遞函數

5 軌道動態變形及振動分析

5.1 鋼軌的變形分析

鋼軌的變形測量是在線路車輛正常運營情況下進行的,記錄的車輛數為10輛。設道床減振墊和不設道床減振墊的整體道床對應的鋼軌動態試驗位移如表4所示。曲線外側道床邊緣相對于道床基礎的垂直位移為0.93 mm,曲線內側道床邊緣相對于道床基礎的垂直位移為0.29 mm,道床中間相對于道床基礎的垂直位移為0.63 mm。

5.2 隧道壁振動分析

在車輛正常運行條件下,設道床減振墊的區間車速為42.6 km/h,不設道床減振墊的區間車速為31.3 km/h,以此對比分析隧道壁的豎向及橫向振動。圖11為隧道壁振動加速度Z振級的1/3倍頻程圖。

表4 設道床減振墊和不設道床減振墊的鋼軌動態試驗位移

圖11 隧道壁振動加速度Z振動級

由圖11可知,在1～80 Hz低頻率段,不設道床減振墊的隧道壁的豎向振動為78.0 dB,橫向振動為78.0 dB;設道床減振墊的隧道壁的豎向振動為62.3 dB,橫向振動為70.8 dB。設道床減振墊的在隧道壁的豎向振動相對不設道床減振墊的插入損失值為15.7 dB、橫向振動插入損失值為7.2 dB。

6 結語

(1) 鋼軌相對道床的豎向位移:設道床減振墊時,鋼軌的凈豎向位移量平均值為0.32 mm,最大軌頭橫向位移量平均值為0.02 mm;曲線外側道床邊緣相對于道床基礎的豎向位移為0.93 mm,曲線內側道床邊緣相對于道床基礎的豎向位移為0.29 mm,道床中間相對于道床基礎的豎向位移為0.63 mm。對不設道床減振墊的鋼軌的凈豎向位移量平均值為0.35 mm,最大軌頭橫向位移量平均值為0.07 mm。

(2) 軌距動態擴張量:在列車正常運營情況下,對于設道床減振墊的鋼軌在此路段動態軌距擴大量均符合對試驗車速v<100 km/h時的軌道動態軌距I級保養標準允許偏差管理值的規定(偏差在-6～+12 mm范圍內)[8-9]。

(3) 隧道壁上的豎向及橫向振動響應:在頻率20～200 Hz之間,設道床減振墊的相對于不設道床減振墊的在隧道壁豎向振動的插入損失值為16.3 dB、橫向振動的插入損失值為15.9 dB。

(4) 設道床減振墊和不設道床減振墊的隧道壁加速度Z振動級:在1～80 Hz低頻段,設道床減振墊的在隧道壁的豎向振動相對于不設道床減振墊的插入損失值為15.7 dB、橫向振動插入損失值為7.2 dB[10-11]。

(5) 通過現場靜態錘擊測試和通車情況下的動態測試,減振效果基本在16 dB左右,數據結果可靠有效。

[1] 張艷平,楊宜.城市軌道交通振動與噪聲的控制[J].城市軌道交通,2000(3):43.

[2] 江成,范佳,王繼軍.高速鐵路無碴軌道設計關鍵技術[J].中國鐵道科學,2004(2):42.

[3] 孟光,陳進,蔣偉康,等.高速軌道交通減振降噪的研究及其關鍵技術的展望[J].機車電傳動,2003(12):14.

[4] 周建民.城市交通軌道結構類型選擇的研究[J].鐵道工程學報,2002(1):12.

[5] 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司.鄭州地鐵一號線人民路至紫荊山區間道床減振墊動態變形及振動測試分析報告[R].洛陽:洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，2013.

[6] 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司.軌道交通高性能減振道床系統關鍵技術研究[R].洛陽：洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,2013.

[7] 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司.高性能減振道床系統結構優化設計[R].洛陽：洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,2013.

[8] 中華人民共和國鐵道部.鐵路線路維修規則：鐵運[2006]146號[S].北京：中國標準出版社,2006.

[9] 中華人民共和國鐵道部.鐵路軌道工程質量評定驗收標準：TBJ 413—1987[S].北京：中國標準出版社,1989.

[10] 中華人民共和國環境保護局.城市區域環境振動標準：GB 10070—1988[S].北京：中國標準出版社,1989.

[11] 中華人民共和國環境保護局.城市區域環境振動測試方法：GB 10071—1988[S].北京：中國標準出版社,1989.

Vibration Damping Performance of Roadbed Damping Pad Applied in Zhengzhou Metro

WANG Zhiqiang, WANG Anbin, XU Ning, HE Kuang

Anti-vibration roadbed damping pad has been applied in Zhengzhou metro.To analyze its vibration isolation performance,experiments are carried out on site in different loading conditions, including the hammer experiment without traffic loading,and the track vibration measurement in normal traffic loading conditions. The results show that the isolation frequency of the damping pad is between 10 Hz and 15 Hz on the track in metro orperation.Compared with the track system without the damping pad in the frequency range between 20 Hz and 400 Hz,the average vibration insertion loss on the tunnel wall with damping pad track is about 24.4 dB, in normal traffic loading conditions, vibration insertion loss with damping pad in the vertical direction is 15.7 dB lower than that of the track without damping pad. It proves that in both static and dynamic conditions, the track installed with damping pad hasbetter damping performance.

metro track; roadbed damping pad; damping performance

U 211.3

10.16037/j.1007-869x.2016.07.015

2014-07-11)