北京地鐵采用調頻式鋼軌減振器抑制鋼軌振動的試驗研究*

劉衛豐， 張厚貴， 孟　磊， 吳宗臻， 張　衡

(1.北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044；2.北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心， 北京 102208)

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北京地鐵采用調頻式鋼軌減振器抑制鋼軌振動的試驗研究*

劉衛豐1， 張厚貴1， 孟磊2， 吳宗臻1， 張衡2

(1.北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044；2.北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心， 北京 102208)

北京地鐵剪切型減振器扣件區段大量出現鋼軌波磨現象，經調查和測試分析發現：剪切型減振器扣件軌道系統在200～400 Hz頻段內的輪軌共振效應是引發鋼軌波磨的主要原因，而剪切型減振器扣件軌道系統在此頻段內阻尼過小，無法有效抑制鋼軌振動。在軌腰處安裝一種調頻式鋼軌減振器來抑制鋼軌振動，進而抑制波磨發展，并在北京地鐵亦莊線進行了現場試驗，主要測試指標為調頻式鋼軌減振器安裝前后鋼軌振動衰減率和鋼軌振動加速度。試驗結果表明：安裝調頻式鋼軌減振器，大大提高了剪切型減振器扣件軌道系統在200～400 Hz頻段內的鋼軌振動衰減率，有效地抑制了此頻段內鋼軌的振動。

鋼軌振動； 調頻式鋼軌減振器； 鋼軌波磨； 剪切型減振器扣件

1　概　述

近年來，隨著城市軌道交通的飛速發展，大量新建線投入運營。考慮到地鐵振動對沿線的居民、精密儀器以及建筑物(尤其是古建筑)的影響，在北京地鐵的很多區段采用了軌道減振措施來降低地鐵振動對周圍環境的影響。在這些軌道減振措施中大量采用了剪切型減振器扣件，尤其是地鐵4號線、5號線和10號線一期、亦莊線等線路。但是，大量采用減振器扣件的軌道也帶來了一些問題，其中一個比較顯著的問題就是采用減振器扣件區段的鋼軌出現了大規模的波磨問題。這里，波磨是指鋼軌走形帶表面出現的波浪形規律性不均勻磨耗現象。

2007年以來，北京地鐵多條線路出現鋼軌波磨現象，例如，北京地鐵5號線于2007年10月7日開始試運營，2007年11月8日第1次發現了鋼軌波磨，在部分直線、岔區、曲線段均有不同程度的波磨現象；地鐵10號線一期于2008年7月19日開始試運營，2009年3月6日第1次在巴溝-蘇州街區間曲線段發現鋼軌出現了波磨；北京地鐵4號線情況更為嚴重，2009年9月28日開始試運營，僅2周后即發現了波磨現象。

通過詳細地調研發現，北京地鐵剪切型減振器扣件區段鋼軌波磨的特點有[1-4]：(1)波磨出現時間早；(2)與車速高度相關，集中出現在列車速度大于60 km /h區段；(3)直線段和曲線段均有出現；(4)波磨特征波長為50～80 mm，屬于短波波磨；(5)波磨較為嚴重，波磨地段振動及振動誘發噪聲顯著增加，鋼軌打磨后較短時間內波磨又迅速發展。

圖1　剪切型減振器扣件區段鋼軌波磨Fig.1　Corrugation exhibition on the rail with Egg fasteners

鋼軌波磨不僅降低了鋼軌使用壽命，增加了鋼軌養護維修的工作量，也降低了乘車舒適性，甚至影響行車安全，所以波磨問題受到各方面的關注，各國的專家學者對鋼軌波磨問題開展了大量的研究，取得了豐富的成果。Grassie在1993年[5]和2009年[6]發表兩篇論文，根據前人以及自己的研究成果，對波磨的特點、形成機理及治理方案進行了歸納，將波磨分為6個類別，分別為：(1)響軌(Roaring)或Pinned-pinned共振型；(2)車轍槽型(Rutting)；(3)重載型(Heavy haul)；(4)輕軌型(Light rail)；(5)其他由P2力共振引起的波磨；(6)特殊軌道結構形式出現的波磨。

經過大量的現場調查、測試和研究，北京地鐵剪切型減振器扣件地段的波磨不屬于pinned-pinned共振型等前五種類型[4]，應歸為特殊軌道結構形式出現的波磨。經大量測試和研究，發現剪切型減振器扣件軌道系統在200～400 Hz頻段內的輪軌共振效應是引發鋼軌波磨的主要原因[2,4,7-8]。

另外，根據在北京地鐵5號線相關區段的測試，發現剪切型減振器扣件軌道在200～400 Hz頻段的豎向和橫向阻尼比都在2%以下[2]，過低的軌道系統阻尼使得輪軌在此頻段產生的振動能量無法通過軌道系統的阻尼得到有效衰減，在地鐵列車荷載的激發下可能導致鋼軌有脫離扣件系統的約束進行自由振動的趨勢[9]。所以，如果能在這一頻段采取措施來增加軌道系統的阻尼，抑制鋼軌振動是控制并延緩波磨發生和發展的一個重要手段。基于此目的，北京地鐵選擇了一種調頻式鋼軌減振器(Tuned Rail Damper，以下簡稱TRD)安裝在軌腰處，來抑制鋼軌在200～400 Hz頻段內的振動，并選擇在北京地鐵亦莊線舊宮站—亦莊橋站區間進行了現場試驗，來檢驗安裝TRD對增加軌道系統阻尼及抑制鋼軌振動的效果。

2　TRD基本構造

TRD由具有高阻尼損失系數的彈性體(橡膠或類似橡膠材料)和在彈性體內按確定的幾何和物理特性要求設置的質量體(諧振部件)組成。原理上，彈性體與質量體一起構成了一個阻尼性質量-彈簧減振系統，它的作用是可以提高鋼軌系統的阻尼，降低鋼軌振動的平均能量水平，抑制輪軌相互作用的能量在鋼軌上的傳播，從而達到減緩波磨發展或抑制鋼軌波磨產生的目的。TRD的橫剖面如圖2所示，通過對嵌入彈性體內的2-3塊質量體的重量、幾何形狀以及它們之間的相對位置關系的調整，可以針對特定頻段來設計，使得TRD能夠在特定頻段范圍內增加軌道系統的阻尼。

通過特制的彈性金屬卡夾，TRD可以被緊密吻合地安裝在鋼軌兩側的軌腰上，這種彈性金屬卡夾具有與TRD外形特殊配合的形狀，從而能夠保證它對TRD所施加的夾緊力不會影響到TRD已被調制的諧振頻率。采用金屬卡夾安裝的方式，不僅施工方便，節省工時，而且避免了采用粘貼方式發生的剝離脫落現像，能有效地提高TRD的使用壽命，如圖3所示。

圖2　調頻式鋼軌減振器(TRD)橫剖面圖Fig.2　Tuned rail damper and its cross-section

圖3　安裝后的調頻式鋼軌減振器(TRD)Fig.3　The installed TRD

TRD從原理上來說，源于英國南安普頓大學Thompson團隊對鋼軌振動特性進行深入研究后研發的一種安裝在鋼軌上的阻尼吸振器。這種阻尼吸振器主要是為了減少鋼軌振動帶來的輻射噪聲[10]。而Maes[11]及Wu[12]等在研究中發現，這種阻尼吸振器能有效地提高在軌枕節點共振頻率(Pinned-pinned共振)范圍的鋼軌振動衰減率，這為抑制在軌枕節點共振頻率范圍內發生的短波波磨提供了一種可能。Croft[13]及Wu[14]等使用一種車輪-鋼軌-吸振器耦合模型、滾動接觸模型以及磨耗模型，模擬了鋼軌波磨的發展過程，結果顯示：在吸振器的作用下，由軌枕節點共振引起的短波波磨的發展得到了有效地抑制，同時明顯地減少了鋼軌的振動和輻射噪聲。

本文所論述的發生在北京地鐵剪切型減振器扣件軌道上的鋼軌波磨現象，雖然其固定波長機理的波磨特征頻率范圍(200～400 Hz)遠遠小于軌枕節點共振頻率(約1000 Hz)，然而，由于提高軌道結構的阻尼，有助于吸收由于輪軌劇烈相互作用產生的振動能量并抑制其在鋼軌上的傳播，所以作為一種新的嘗試，本文采用了工作頻率調低至200 Hz的調頻式鋼軌減振器(TRD)，盡可能地提高在剪切型減振器扣件軌道的典型波磨特征頻率范圍(200～400 Hz)內軌道結構的阻尼，降低在該頻率范圍的輪軌相互作用引起的鋼軌振動能量水平，從而達到抑制北京地鐵剪切型減振器扣件鋼軌波磨發展的目的。

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3　鋼軌振動衰減率

鋼軌振動衰減率是一個重要的鋼軌動態參數。定義為：鋼軌振動沿鋼軌前進方向能量(振幅)傳遞的變化率，以dB/m為單位。它可以表示被測試區段的軌道結構在某頻段內抑制鋼軌振動的能力[15]。如果鋼軌振動衰減率過低(小于0.1 dB/m)，表示鋼軌有脫離扣件約束進行自由振動的趨勢。鋼軌振動過大可能引發和加劇波磨損害，嚴重時可能會使扣件松脫及彈條斷裂。鋼軌振動衰減率越大，說明軌道系統的阻尼越大。

鋼軌振動衰減率的測試標準根據歐洲標準BS EN 15461:2008+A1:2010進行[16]。測試采用力錘來錘擊鋼軌的方式，根據規范要求，沿著鋼軌的走向設置至少28個錘擊點，具體設置如圖4所示，而如果鋼軌振動衰減率過低，則視情況可以在第28個錘擊點以外再設置若干個錘擊點。加速度傳感器布置在如下兩點：一是規范要求的0點處，即第1組扣件間距的正中位置(圖4中c處)；第2個作為校核的測點，布置在從0點算起第5個錘擊點處，即相鄰的第二組扣件間距的正中位置(圖4中1處正上方)。鋼軌振動衰減率的測試包括豎向和橫向兩次測試。

布置好加速度傳感器后，即可沿著鋼軌走向依次錘擊各個錘擊點，對于每個錘擊點，要求獲得良好數據的有效錘擊次數至少為5次，布置有傳感器位置的有效錘擊次數至少為10次。

假設可將鋼軌振動分解為豎向和橫向振動，且該振動波幅值按照指數衰減沿鋼軌縱向傳播，則距離采樣點(0點)為x點處鋼軌軌頭的某1/3倍頻程帶寬內的頻響函數幅值可以表達為

(1)

式中A(x0)為鋼軌軌頭0點處的頻響函數幅值，β為頻響函數幅值衰減系數，將該系數轉換為衰減率的形式，則有

DR=20lgeβ=8.686β

(2)

式中DR為鋼軌振動衰減率。而鋼軌輻射振動能量與振動衰減率的關系式則可以表達為

(3)

若采用離散點錘擊測試的鋼軌軌頭頻響函數，則式(3)可以表示成如下形式

(4)

結合式(2)和(4)，可以得到

(5)

圖4　鋼軌振動衰減率的測點和錘擊點布置方式Fig.4　Measurement points and excitation points of track decay rate

4　現場試驗

為了比較TRD安裝后對防治鋼軌異常波磨損害的效果，現場試驗區段應該選擇兩段，其一為TRD安裝區段，其二為對比區段，兩段扣件類型都為剪切型減振器扣件，列車運行條件和線路條件應基本相同，而且在安裝TRD之前，兩段的波磨情況也應基本相同。

基于以上的條件，再通過對北京地鐵線路的篩選，最終選擇的試驗區段為地鐵亦莊線舊宮站—亦莊橋站區間，TRD安裝區段為舊宮站—亦莊橋站下行K6+830-K6+930，對比區段為舊宮站—亦莊橋站下行K6+730-K6+830，兩段處于同一個曲線上，曲線半徑為595 m，列車速度為70 km/h左右，勻速運行，兩段的波磨情況均較為嚴重。

為了衡量TRD抑制波磨發展的實際效果，做了以下測試工作：鋼軌振動衰減率、列車運行時的鋼軌振動加速度、鋼軌表面粗糙度。限于文章篇幅，本文只介紹鋼軌振動衰減率和列車運行時的鋼軌振動加速度。

2013年8月13～16日，在地鐵亦莊線舊宮站—亦莊橋站區間對TRD進行了安裝施工，在TRD安裝之前兩天，對鋼軌振動衰減率和列車運行時的鋼軌振動加速度進行了現場測試，在TRD安裝之后兩天，在同樣的測點對這兩項指標又進行了現場測試。

對于鋼軌振動衰減率的測試，其加速度傳感器布置和現場錘擊情況如圖5和6所示。對于鋼軌振動加速度測試，在曲線內軌和外軌均布置了測點，每個測點均布置了豎向和橫向兩個加速度傳感器，如圖7和8所示。

圖5　鋼軌振動衰減率測試的加速度傳感器布置Fig.5　Accelerometers in the measurement of track decay rate

圖6　鋼軌振動衰減率現場錘擊試驗Fig.6　Impact excitation in the measurement of track decay rate

圖7　鋼軌豎向振動加速度測試的傳感器布置Fig.7　Accelerometer in the vertical direction on the rail

圖8　鋼軌橫向振動加速度的傳感器布置Fig.8　Accelerometer in the transverse direction on the rail

鋼軌振動衰減率測試的儀器包括一臺INV3018C型24位高精度動態信號采集分析儀，兩個加速度傳感器，一個力錘。動態信號采集分析儀可以進行8通道同步輸入，分析頻率最高可達51.2 kHz，頻率精度在0.01%以內。它是一套具有24位動態信號采集記錄的系統，能提供一個模擬抗混濾波器和一個120 dB/octave線性相位數字濾波器，以防止信號混疊和相位失真。加速度傳感器采用Lance AS0123T系列振動加速度傳感器，量程為50g，頻率范圍為0.2～8000 Hz，分辨率為0.2mg。力錘采用型號為DYNAPULSE 5800B4的小型力錘，因為力錘質量小精度高，所以產生的力信號的脈沖時程短，頻譜特性好。

鋼軌振動加速度測試的儀器包括一臺INV3018C型24位高精度動態信號采集分析儀，4個加速度傳感器，動態信號采集分析儀具有與鋼軌振動衰減率測試儀器同樣的參數，加速度傳感器采用Lance LC0123T系列振動加速度傳感器，量程為200g，頻率范圍為0.7～11000 Hz，分辨率為0.8mg。

在獲得所有錘擊點錘擊激勵下的加速度響應之后，根據式(5)即可計算出鋼軌振動衰減率。圖9和10分別為TRD安裝前和TRD安裝后剪切型減振器扣件軌道豎向和橫向的鋼軌振動衰減率。

從圖9和10中可以看出，TRD安裝前的剪切型減振器扣件軌道的鋼軌振動衰減率較低，尤其是在200～400 Hz，鋼軌振動衰減率小于0.05 dB/m，這也說明了剪切型減振器扣件軌道在這一頻段的阻尼過小。TRD安裝后的剪切型減振器扣件軌道的鋼軌振動衰減率有了較大的提高，而在200～400 Hz頻段內提高更多，例如在250 Hz，TRD安裝后的豎向鋼軌振動衰減率是安裝前的38倍。所以，安裝TRD可以非常有效地提高剪切型減振器扣件軌道的阻尼，從而抑制鋼軌的振動。

圖9　TRD安裝前后剪切型減振器扣件軌道豎向鋼軌振動衰減率Fig.9　Vertical track decay rates before and after TRD installation

圖10　TRD安裝前后剪切型減振器扣件軌道橫向鋼軌振動衰減率Fig.10　Transverse track decay rates before and after TRD installation

采用TRD來抑制列車運行時鋼軌的振動，可以通過列車運行時的鋼軌振動加速度來更直接地反映。圖11和12為TRD安裝前后內軌和外軌豎向加速度的頻譜圖，從圖中可以看出，安裝TRD后的鋼軌振動加速度在絕大多數頻段內都比TRD安裝前要小，在波磨的特征頻率300 Hz附近，可以看到TRD安裝前存在較大的共振峰值，而TRD安裝后，雖然這個峰值仍然存在，但要比安裝前小許多，這說明安裝TRD后整個軌道系統的阻尼大大增加了，TRD具有良好的“削峰”作用。圖13為TRD安裝前后曲線內側鋼軌豎向振動加速度級的比較，圖14為TRD安裝前后曲線外側鋼軌豎向振動加速度級的比較。從圖13和14中可以看出，安裝TRD可以有效地降低鋼軌的振動加速度響應，對于曲線內側鋼軌，在200～400 Hz頻段內，安裝TRD之后的豎向加速度級比安裝之前要下降8～18 dB，對于曲線外軌，這個值為5～8 dB。

圖11　安裝TRD前后內側鋼軌振動加速度頻譜Fig.11　Frequency content of the vertical pass-by acceleration on low rail before and after TRD installation

圖12　安裝TRD前后外側鋼軌振動加速度頻譜Fig.12　Frequency content of the vertical pass-by acceleration on high rail before and after TRD installation

圖13　TRD安裝前后剪切型減振器扣件軌道曲線內側鋼軌豎向加速度級Fig.13　Vertical acceleration level on low rail in one-third octave band before and after TRD installation

圖14　TRD安裝前后剪切型減振器扣件軌道曲線外側鋼軌豎向加速度級Fig.14　Vertical acceleration level on high rail in one-third octave band before and after TRD installation

5　結　論

由于北京地鐵多條線路的剪切型減振器扣件區段鋼軌出現嚴重的波磨問題，剪切型減振器扣件軌道系統在200～400 Hz頻段出現的輪軌共振是波磨產生的主要原因，而這種扣件系統的阻尼又偏小，無法有效抑制此頻段內鋼軌的振動。基于此，選擇一種調頻式鋼軌減振器(TRD)來提高剪切型減振器扣件軌道系統的阻尼，進而抑制鋼軌波磨的發展，并且在北京地鐵亦莊線選擇了一段試驗段來進行現場試驗，測試了鋼軌振動衰減率和列車運行時的鋼軌振動加速度。

測試結果表明：TRD安裝后的剪切型減振器扣件軌道在200～400 Hz頻段內鋼軌振動衰減率比安裝之前有較大的提高，安裝TRD可以非常有效地提高剪切型減振器扣件軌道的阻尼，從而抑制鋼軌的振動。另外，安裝TRD之后的鋼軌振動加速度在200～400 Hz頻段內比安裝之前下降許多，對于曲線內側鋼軌，安裝TRD之后的豎向加速度級比安裝之前下降8～18 dB，對于曲線外軌，則下降5～8 dB。

根據現場測試結果，TRD在200～400 Hz頻段可以有效地提高剪切型減振器扣件軌道系統的阻尼，大大減小列車運行時鋼軌的振動。而根據對此試驗段鋼軌表面粗糙度發展進行的長達15月的跟蹤觀測，TRD對抑制剪切型減振器扣件鋼軌波磨的發展具有較好的效果。

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A test of suppressing rail vibration by tuned rail damper for Beijing metro

LIUWei-feng1,ZHANGHou-gui1,MENGLei2,WUZong-zhen1,ZHANGHeng2

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Subway Operation Technology R & D Center, Beijing Metro Operation Co., Ltd., Beijing 102208, China)

The rail corrugation on the track using the Egg fastener becomes a serious problem on several operating lines of Beijing metro in recent years. The investigations and field measurements show that the corrugation is mainly induced by the resonance vibration in the train/track system at 200-400 Hz. And the damping on the Egg fastener track in 200-400 Hz range is not sufficient to suppress the resonance vibration. To suppress the vibration of rail, the Tuned Rail Damper (TRD) was installed on the rail web to provide effective damping on the Egg fastener track. And a test was carried out on Yizhuang line of Beijing metro to evaluate the effectiveness of suppressing rail vibration. The track decay rate and the pass-by acceleration on the rail were measured before and after the TRD installation. The measurement results show that TRD is an effective treatment for increasing the decay rate and reducing the vibration of rail on the Egg fastener track.

vibration of rail; tuned rail damper; rail corrugation; Egg fastener

2014-12-19；

2015-07-03

國家自然科學基金資助項目(51378001)

U211.3

A

1004-4523(2016)01-0105-07

10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2016.01.014

劉衛豐(1975—)，男，博士，副教授。電話：(010)51682752; E-mail：wfliu@bjtu.edu.cn