基于落錘激勵的某新型減振扣件減振性能分析

羅雁云，唐吉意，林龍鋒

基于落錘激勵的某新型減振扣件減振性能分析

羅雁云1，唐吉意1，林龍鋒2

（1.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2.廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

采用落錘激勵，對某新型減振扣件進行現場測試，從傳遞率、傳遞損失率、傳遞損失及Z振級等四個方面對其減振性能進行分析。結果表明，在4～200 Hz范圍內，傳遞率基本都在2.5%以下；傳遞損失率基本都在97.5%以上；傳遞損失基本都在32 dB以上；道床垂向振動加速度經過計算后，其Z振級為86.15 dB；跟普通減振扣件相比，新型扣件的綜合減振性能有了明顯地提高。試驗表明，落錘激勵法操作方便，行之有效，是測試扣件減振性能的優良方法。

軌道結構一般由鋼軌、聯結部件、軌枕、道岔、道床等主要部分組成[1]，其中聯結鋼軌與軌枕的聯結部件也成稱為扣件。長期以來，扣件主要承擔聯結鋼軌與軌枕的作用，并且具有垂直及水平調整量[2]。近年來，隨著軌道交通迅速發展，城市軌道交通給沿線的居民區、敏感建筑物尤其是古建筑物以及精密儀器帶來振動影響時，扣件的減振作用越來越受到專家學者的關注與研究。

在仿真模擬研究方面，李霞[3]等通過Abaqus仿真軟件，建立了普通扣件軌道和彈性短軌枕軌道的有限元模型，通過分析兩種軌道的模態及白噪聲激勵響應，得到了跟現場波磨相關的軌道固有頻率。吳憲迎[4]等建立了車輛—軌道耦合簡化模型，分析了一般彈性扣件軌道、粘接板式彈性扣件軌道和軌道減振器扣件軌道的減振性能。耿傳智[5]等建立地鐵彈性扣件軌道的落軸沖擊有限元模型，對目前地鐵中采用的三種典型扣件進行落軸沖擊響應仿真分析，對比分析了減振性能，并重點分析扣件質量、剛度對減振性能的影響。

雖然國內學者對扣件減振性能模擬仿真方面的研究較多，也取得了一些研究成果，但用現場試驗方法研究扣件減振性能的文獻案例卻很少。而跟模擬仿真相比，現場試驗則跟實際情況更相符合，研究結果更具有真實性，可比性。

隨著城市軌道交通對振動控制的日益嚴格，對扣件減振性能也提出了更高的要求，許多經過改進的新型減振扣件陸續投入使用。

因此本文采用落錘激勵試驗對某新型減振扣件（文中稱其為A型扣件）進行測試，并從傳遞率、傳遞損失率、傳遞損失及Z振級等四個方面來分析其減振性能。

1 試驗設計

試驗選在同濟大學嘉定校區軌道交通綜合試驗線上進行，用落錘裝置來模擬荷載條件下的軌道結構振動衰減。軌道結構的振動測試主要包括鋼軌及道床的垂向振動加速度；鋼軌上的加速度傳感器安裝在鋼軌軌頂的中部，距錘擊點沿鋼軌縱向10 mm（圖1）；道床上的加速度傳感器安裝在離道床邊緣0.25 m處，等效放置于軌道線路外側鋼軌0.25 m的位置（圖2）。

測點布置示意圖如圖 3 所示。

測試中采用的儀器如表1、表2所示，振動加速度響應采用朗斯壓電式加速度傳感器。

圖1 鋼軌加速度傳感器安置圖Fig.1 Acceleration sensor placement of rail

圖2 道床加速度傳感器安置圖Fig.2 Acceleration sensor placement of ballast bed

圖3 測點布置圖Fig.3 Layout of measuring points

表1 落錘激勵試驗儀器Tab.1 Test instruments of hammer excitation

表2 加速度傳感器參數匯總Tab.2 Parameters of acceleration sensor

測試前，將加速度傳感器固定各個測點，連接信號線，調試測試儀器，采樣頻率為51 200 Hz，確認各通道信號正常，并對每個測點進行通道信號調試和靈敏度系數確認。

先進行落錘沖擊預測試，具體操作為：落體高度不大于100 mm，錘重50 kg的落錘，經預落錘6次后，進行正式的試驗。沖擊時，至少在基礎上布置2個測點，測定其振動加速度，加速度傳感器放置在離道床邊緣0.25 m左右的位置。通過采集儀對振動加速度信號進行記錄，有效沖擊次數不少于10次，以保證實驗數據的可靠性。

落錘試驗時，通過采集儀對振動速度和加速度信號進行記錄，落錘沖擊有效次數不少于10次，以保證試驗數據的可靠性，數據分析時，從10組數據中，選取具有代表性的一組，進行傳遞率分析、傳遞損失率分析、傳遞損失分析及Z振級分析。

2 傳遞率分析

每次錘擊，兩測點之間的振動加速度級傳遞率公式為：

式中：Ti(ω)為第i次錘擊，兩測點之間的振動加速度級傳遞率； ai2(ω)為第i次錘擊，鋼軌測點振動加速度；ai

1(ω)為第i次錘擊，道床或地面測點振動加速度。

對10次錘擊得到的振動加速度傳遞率進行算術平均，得到：

式中：T (ω)為兩測點間的振動加速度傳遞率；Ti(ω)為第i次錘擊，兩測點之間的振動加速度傳遞率；i為第i次錘擊，1≤i≤10。

由以上公式，計算得到A型扣件的振動加速度傳遞率，如圖4所示，可以看出，在4～100 Hz范圍內，傳遞率隨頻率的增大而緩慢增加，且都不超過0.5%；在100～125 Hz范圍內，傳遞率隨頻率的增大而迅速上升，在125 Hz達到最大，約為2.6%；在125～200 Hz范圍內，傳遞率隨頻率的增大而迅速下降，至200 Hz處，傳遞率已低于0.5%。而普通減振扣件在頻率125 Hz處的傳遞率往往高達4%，并且在4～200 Hz范圍內的傳遞率要比A型扣件高一兩個百分比左右。因此該新型扣件擁有更低的傳遞率。

圖4 振動加速度傳遞率Fig.4 Transmissibility of vibration acceleration

3 傳遞損失率分析

兩測點之間的振動加速度傳遞損失率公式為：

式中：L(ω)為兩測點之間的振動加速度傳遞損失率；T (ω)為兩測點之間的振動加速度傳遞率。

由以上公式，計算得到A型扣件的振動加速度傳遞損失率，如圖5所示，可以看出，在4～100 Hz范圍內，傳遞損失率隨頻率的增大而緩慢降低，但基本都在99.5%以上；在100～125 Hz范圍內，傳遞損失率隨頻率的增大而迅速下降，在125 Hz達到最低，約為97.5%；在125～200 Hz范圍內，傳遞損失率隨頻率的增大而迅速上升，至200 Hz處，傳遞損失率已上升至99.5%左右。而普通減振扣件在頻率125 Hz處的傳遞損失率往往低于96%，并且在4～200 Hz范圍內的傳遞損失率要比A型扣件高一兩個百分比左右。因此該新型扣件擁有更高的傳遞損失率。

圖5 振動加速度傳遞損失率Fig.5 Transmission loss rate of vibration acceleration

4 傳遞損失

每次錘擊，得到傳遞損失公式為

對10次錘擊得到的傳遞損失進行算術平均，得到：

式中：L1-2為兩測點之間的傳遞損失；為第i次錘擊，兩測點之間的傳遞損失；i為第i次錘擊，1≤i≤10。

圖6 振動加速度傳遞損失Fig.6 Transmission loss of vibration acceleration

由以上公式，計算得到A型扣件的振動加速度傳遞損失，如圖6所示，可以看出，在4～25 Hz范圍內，傳遞損失隨頻率的增大而緩慢波動，但都在65 dB以上；從25 Hz處開始，傳遞損失隨頻率的增大而迅速下降，在125 Hz處降至最低，約為32 dB；在125～200 Hz范圍內，傳遞損失隨頻率的增大而上升，至200 Hz處，傳遞損失已上升至46 dB左右。而普通減振扣件在頻率125 Hz處的傳遞損失往往低于30 dB，并且在4～200 Hz范圍內的傳遞損失要低4 dB左右。因此該新型扣件擁有更高的傳遞損失。

5 Z振級分析

按ISO 2631/1-1997[6-7]規定的全身振動Z計權因子修正后得到在4～200 HZ頻率范圍內所有三分之一倍頻程中心頻率垂向振動加速度的均方根（表3）。

三分之一倍頻程計權均方根加速度計算公式如下：

式中：aw為計權均方根加速度；Wi為三分之一倍頻程的第i個中心頻率的計權因子；ai為三分之一倍頻程的第a個中心頻率對應的加速度。

根據以上計權均方根加速度得到振動加速度級作為評價量，即Z振級。

Z振級的計算公式如下：

式中：a0為基準加速度，a0=10-6m/s2。

道床測點振動加速度的時程圖及頻譜圖如圖7所示，道床測點的三分之一倍頻程垂向加速度振級如表4及圖8所示。ISO2631/1-1997[6]規定，Z振級的分析頻段取4～200 Hz，可以看出在4～20 Hz范圍內，垂向加速度振級隨頻率增大而緩慢波動，振級都在70～77 dB之間；20～62 Hz范圍內，垂向加速度振級先減小后增大，在25 Hz處有最小值，約為68 dB；在62～124 Hz范圍內，垂向振動加速度振級先減小后增大，在80 Hz處有最小值，約為72 dB，在124 Hz處有最大值，約為78 dB；124～200 Hz范圍內，垂向振動加速度振級隨頻率增大而迅速下降，在200 Hz處已低于65 dB。由道床垂向振動加速度經過公式計算后，得4～200 Hz的Z振級為86.15 dB。

表3 ISO 2631/1-1997規定的振動加速度頻率計權因子Tab.3 Vibration acceleration frequency weighting factors specif i ed in ISO 2631/1-1997

圖7 道床測點振動加速度時程圖及頻譜圖Fig.7 Time and frequency spectrum of vibration acceleration of ballast bed

表4 道床三分之一倍頻程垂向加速度振級Tab.4 T he 1/3 octave of vertical acceleration vibration level of ballast bed

圖8 道床三分之一倍頻程垂向加速度振級Fig.8 The 1/3 octave of vertical acceleration vibration level of ballast bed

而普通減振扣件在頻率125 Hz處的垂向加速度振級高于87 dB，在4～200 Hz范圍內的垂向振級要比A型扣件高7 dB左右，并且在4～200 Hz的Z振級通常大于93 dB。因此該新型扣件擁有更低的道床垂向振動加速度級及Z振級。

6 結論

在0～200Hz范圍內，該新型減振扣件的傳遞率基本都在2.5%以下；傳遞損失率基本都在97.5%以上；傳遞損失基本都在32 dB以上；道床垂向振動加速度經過計算后，得到的Z振級為86.15 dB；跟普通減振扣件相比，該新型扣件的綜合減振性能有了明顯的提高；試驗表明，落錘激勵法操作方便，行之有效，是測試扣件減振性能的優良方法。

[1]楊榮山，劉學毅.軌道工程[M].北京：人民交通出版社，2012：4.

[2]高 亮.軌道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2015：51-52.

[3]李 霞.地鐵鋼軌波磨形成機理研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[4]吳憲迎，鄧 君.不同彈性扣件下鋼軌振動仿真分析[J].現代城市軌道交通，2013(4)：44-47.

[5]耿傳智，王惠鳳，朱劍月.地鐵軌道減振性能的落軸沖擊仿真分析[J].城市軌道交通研究，2009，12(1)：85-89.

[6]ISO 2631-1：1997，Mechanical vibration and shock --Evaluation of human exposure to whole-body vibration Part 1： General requirements(S).

[7]ISO 2631-1：1985，Evaluation of human exposure to wholebody vibration--Part1： General requirements(S).

（責任編輯 王利君）

Analysis of the damper performance of a new damper fastener based on hammer excitation method

LUO Yanyun1，TANG Jiyi1，LIN Longfeng2

（1.Institute of Rail Transit, Tongji University, Shanghai, 201804, China；2.Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd., Guangdong Guangzhou, 510010, China）

A new type of damper fastener is tested by using the hammer excitation method,and the damping performance is analyzed from four aspects(transmission rate; transmission loss rate;transmission loss and Z vibration level).The results show that in the range of 4～200 Hz,the transmission rate is mainly below 2.5%;the transmission loss rate is mainly above 97.5%;the transmission loss is mainly above 32 dB;and after calculating the track vertical vibration acceleration,Z vibration level is 86.15 dB;compared with the ordinary damper fastener,the vibration attenuation performance of the new type damper fastener has been significantly improved.The test shows that the hammer excitation method is effective,convenient operation,which is an excellent test method for the vibration attenuation performance of damper fasteners.

hammer excitation method；damper fastener；transmission loss；Z vibration level

U213.5

A

1673-9469（2017）01-0001-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.001

2016-12-14

國家自然科學基金資助項目(51678446)

羅雁云（1960-），男，上海人，教授，博士生導師，研究方向為城市軌道與鐵道工程。

關

鍵詞：落錘激勵；減振扣件；傳遞損失；Z振級