上部鎖緊式雙層非線性扣件在南昌地鐵的應(yīng)用

尹華拓

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510000)

上部鎖緊式雙層非線性扣件在南昌地鐵的應(yīng)用

尹華拓

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510000)

上部鎖緊式雙層非線性扣件是一種新型減振扣件，具有拆卸方便、預(yù)緊力可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)該扣件對(duì)南昌地鐵1號(hào)線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括鋼軌變形、道床振動(dòng)、隧道壁振動(dòng)、車內(nèi)振動(dòng)和噪聲等。測(cè)試結(jié)果表明，在保證安全性的同時(shí)，上部鎖緊式雙層非線性扣件相比DZIII型扣件，其垂向減振效果達(dá)到8 dB以上，使列車內(nèi)噪聲降低2.4 dB，減振降噪效果顯著。

城市軌道交通； 上部鎖緊式； 雙層非線性； 扣件； 減振

1 研究背景

伴隨著城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，交通擁堵問(wèn)題日益突出，現(xiàn)代城市軌道交通以其運(yùn)量大、安全可靠、運(yùn)行準(zhǔn)時(shí)、不占用地面交通等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為一種現(xiàn)代化的城市交通工具，但同時(shí)由地鐵運(yùn)營(yíng)引起的振動(dòng)噪聲，對(duì)線路和車輛環(huán)境的影響逐漸引起人們的關(guān)注。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研技術(shù)人員對(duì)城市鐵路和地鐵運(yùn)行引起的振動(dòng)和噪聲進(jìn)行了廣泛的研究。Gladwell等[1]經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，城市軌道交通引起的結(jié)構(gòu)及地面振動(dòng)主要為低頻問(wèn)題，主要振動(dòng)頻率范圍為40～100 Hz。當(dāng)列車運(yùn)行速度為50～80 km/h時(shí)，在列車經(jīng)過(guò)隧道內(nèi)對(duì)振動(dòng)和進(jìn)行測(cè)試，振動(dòng)的峰值出現(xiàn)在40～80 Hz之間[2]。

噪聲軌道結(jié)構(gòu)在車軌橋(隧道)耦合振動(dòng)體系中[3-6]，不但是振源，同時(shí)也是振動(dòng)的傳遞因素，其結(jié)構(gòu)參數(shù)(質(zhì)量、剛度、幾何尺寸等)直接決定了振動(dòng)輸出的效果。因此，合理選擇軌道結(jié)構(gòu)的型式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，是解決減振降噪的積極措施。在軌道振動(dòng)控制中，采用彈性扣件隔振是最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方法。現(xiàn)有的彈性扣件有諧振式浮軌、VANGUARD、克隆蛋、LORD，GJ-III、上部鎖緊式雙層非線性扣件等。其中，上部鎖緊式雙層非線性扣件是GJ-III扣件的改進(jìn)型，具有預(yù)緊力可調(diào)節(jié)、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在南昌、成都、南京、青島、南寧等多個(gè)城市的地鐵線路上得到廣泛應(yīng)用。

筆者通過(guò)對(duì)南昌地鐵1號(hào)線鋪設(shè)的上部鎖緊式雙層非線性扣件和DZIII型扣件軌道系統(tǒng)進(jìn)行綜合對(duì)比測(cè)試，研究上部鎖緊式雙層非線性扣件的減振效果及安全性能。

2 扣件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

上部鎖緊式雙層非線性扣件是一種新型的軌道減振扣件，通過(guò)設(shè)計(jì)雙層非線性彈性墊板系統(tǒng)以降低系統(tǒng)剛度和提高結(jié)構(gòu)阻尼來(lái)控制二次噪聲與振動(dòng)，其由上鐵板、下鐵板、板下墊、軌下墊、底板連接套部分等組成，如圖1所示。

圖1 上部鎖緊式雙層非線性扣件結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of up-self-locked double nonlinear fastener

上部鎖緊式雙層非線性扣件的彈性單元(板下墊和軌下墊)采用了“非線性高扭抗減振墊板”設(shè)計(jì)，具有低載荷低剛度，高載荷高剛度的特點(diǎn)。一方面能夠使扣件在正常載荷下剛度較低，從而具有較好的隔振性能；另一方面能夠使扣件在受到大載荷沖擊時(shí)獲得較大的剛度，從而將鋼軌變形抑制在一定范圍之內(nèi)，可保證線路的安全性。

1) 采用上部鎖緊結(jié)構(gòu)拆卸更換方便。上鐵板、下鐵板與板下墊通過(guò)底板連接套鎖緊連接，連接結(jié)構(gòu)位于扣件上部，方便觀察。另外，該扣件的鎖緊結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)式鎖緊方式，當(dāng)板下墊長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)生彈性失效后，將底板連接套旋轉(zhuǎn)后即可將其拆卸，從而方便板下墊的更換。

2) 預(yù)緊力可調(diào)節(jié)。上鐵板、下鐵板對(duì)板下墊的壓緊力(預(yù)緊力)可調(diào)節(jié)，當(dāng)板下墊與上、下鐵板之間出現(xiàn) “離縫”現(xiàn)象時(shí)(由于線路沉降或板下墊磨損、老化，導(dǎo)致板下墊與上、下鐵板之間出現(xiàn)縫隙)，通過(guò)在扣件鎖緊結(jié)構(gòu)位置增設(shè)預(yù)緊力調(diào)節(jié)墊片即可將板下墊再次壓緊，保證板下墊與上、下鐵板之間的貼合。另外，根據(jù)線路的不同情況(如不同曲線半徑、超高、車速等)，可對(duì)扣件施加不同的預(yù)緊力，從而使扣件具有不同的剛度，無(wú)需專門設(shè)計(jì)加工新的板下墊，由此可達(dá)到提高生產(chǎn)效率、降低成本的目的。

2.2 與其他同等級(jí)減振扣件(克隆蛋扣件)相比的優(yōu)勢(shì)

1) 上拔阻力增加。克隆蛋扣件的上、下底板之間采用橡膠硫化粘結(jié)為一體，其上、下底板之間的上拔力主要靠橡膠的黏接力來(lái)提供，相對(duì)較小。而上部鎖緊式雙層非線性扣件上底板受到上拔力時(shí)，上底板受錨固螺栓約束，其上拔阻力加大，增加了扣件的使用安全性。

2) 扭轉(zhuǎn)剛度增加。克隆蛋扣件受鋼軌扭轉(zhuǎn)力時(shí)，上、下鐵板之間的橡膠環(huán)發(fā)生剪切變形，而橡膠材料剪切剛度較小，故克隆蛋扣件的扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較小。上部鎖緊式雙層非線性扣件受到鋼軌扭轉(zhuǎn)力時(shí)，軌下墊及板下墊發(fā)生壓縮變形，橡膠材料的壓縮剛度較大，另外，其鎖緊結(jié)構(gòu)處的底板連接套也能抵擋一部分扭轉(zhuǎn)力。所以，相對(duì)于克隆蛋扣件，上部鎖緊式雙層非線性扣件的扭轉(zhuǎn)剛度大大增加，故使用該扣件的軌道線路的安全性也會(huì)增加。

3) 全生命周期成本降低。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后，扣件會(huì)由于彈性單元發(fā)生老化而造成減振性能下降，因此需對(duì)扣件進(jìn)行更換維修。對(duì)于克隆蛋扣件，因其上、下鐵板與彈性單元(橡膠)硫化黏接為一體，必須替換整個(gè)扣件，故成本較高。而對(duì)于上部鎖緊式雙層非線性扣件，其采用了可拆卸式設(shè)計(jì)，僅需將其板下墊和軌下墊進(jìn)行更換；而其上、下底板等金屬部分，仍然可以保留使用，從而降低了扣件的全生命周期成本。

3 在線測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試方法

南昌地鐵1號(hào)線是南昌市的首條地鐵線路，于2015年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。該線路一期工程全長(zhǎng)28.9 km，設(shè)24座車站，連接昌北經(jīng)開(kāi)區(qū)、紅谷灘新區(qū)、東湖區(qū)、青山湖區(qū)、高新區(qū)，起訖站分別為雙港站和瑤湖西站。

扣件系統(tǒng)在線性能測(cè)試的測(cè)點(diǎn)選擇謝家村—青山湖大道區(qū)間，上部鎖緊式雙層非線性扣件測(cè)點(diǎn)里程為XK18+450，對(duì)比DZIII型扣件測(cè)點(diǎn)里程DK19+670，測(cè)點(diǎn)線路坡度為2‰。

3.1 測(cè)試內(nèi)容

為較好地評(píng)估上部鎖緊式雙層非線性扣件的減振性能和安全性能，在車輛正常運(yùn)行條件下結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分別對(duì)上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間和DZIII型扣件區(qū)間的鋼軌變形、道床振動(dòng)、隧道壁振動(dòng)、車內(nèi)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)試。

3.2 振動(dòng)噪聲測(cè)試依據(jù)

當(dāng)列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生寬頻帶的振動(dòng)，這些振動(dòng)波經(jīng)軌道扣件系統(tǒng)和地面?zhèn)魉偷礁浇幕A(chǔ)結(jié)構(gòu)，層層衰減，從軌道附近建筑的大量測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，地面振動(dòng)波段集中在200 Hz以下，這些頻率對(duì)于扣件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。

振動(dòng)的大小可用位移、速度或加速度描述，對(duì)于環(huán)境振動(dòng)水平的評(píng)估則取決于振動(dòng)危害的對(duì)象。人類感知的空氣聲一般通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的A計(jì)權(quán)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，而振動(dòng)的評(píng)價(jià)則相對(duì)更加復(fù)雜[7],因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲輻射的聲功率與結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)速度的平方成正比，采用A計(jì)權(quán)是按照噪聲聲壓對(duì)人耳感覺(jué)的模擬等效計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)；國(guó)外對(duì)于舒適度和可感知的振動(dòng)評(píng)價(jià)原則，主要依據(jù)ISO 2631[8-9]執(zhí)行，而我國(guó)對(duì)于影響人體的振動(dòng)問(wèn)題和環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題一般按國(guó)標(biāo)GB 10070《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》的垂向Z振級(jí)(VLz)執(zhí)行。

從人體剛剛感覺(jué)到微弱振動(dòng)(加速度約為10-3m/s2)到人體能承受的最強(qiáng)振動(dòng)(約為103m/s2)，振動(dòng)加速度變化達(dá)百萬(wàn)倍，這給振動(dòng)加速度的測(cè)量、運(yùn)算和表達(dá)均帶來(lái)極大的不便，為此，國(guó)內(nèi)外有關(guān)環(huán)境振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)一般采用振動(dòng)加速度級(jí)來(lái)代替[10]。

振動(dòng)加速度級(jí)

式中，a為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為基準(zhǔn)加速度，a0=10-6m/s2。

3.3 測(cè)試方法

3.3.1 鋼軌變形測(cè)試

車輛正常運(yùn)營(yíng)條件下，測(cè)試雙層非線性扣件鋼軌動(dòng)態(tài)變形，同時(shí)對(duì)比測(cè)試DZIII型扣件系統(tǒng)鋼軌動(dòng)態(tài)變形，衡量雙層非線性扣件區(qū)間行車安全性能。

鋼軌相對(duì)混凝土道床的變形通過(guò)位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，所有變形測(cè)點(diǎn)位于兩扣件跨度的1/2處截面，每個(gè)傳感器探頭都垂直于目標(biāo)板上的測(cè)量表面，如圖2、3所示，傳感器安裝在與道床粘貼的萬(wàn)向節(jié)支架上。

圖2 鋼軌變形測(cè)點(diǎn)位置Fig.2 Measuring points of rail deformation

鋼軌的變形測(cè)試：使用6個(gè)記錄通道，其中4個(gè)用來(lái)測(cè)量鋼軌兩邊相對(duì)道床的垂直變形，2個(gè)用來(lái)測(cè)量鋼軌相對(duì)道床的橫向變形，具體位移傳感器分布如圖3所示。

圖3 鋼軌變形傳感器布置Fig.3 Distribution of displacement sensors for rails

3.3.2 道床振動(dòng)測(cè)試

道床振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均位于扣件跨度的1/2截面處，采用加速度傳感器記錄道床中部垂向和橫向的振動(dòng)，道床振動(dòng)測(cè)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 鋼軌及道床振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Distribution of vibration sensors for rails and ballast bed

3.3.3 隧道壁振動(dòng)測(cè)試

隧道壁測(cè)試主要利用固定在隧道壁上的固定塊來(lái)放置垂向和橫向加速度計(jì)，其如圖5所示。

圖5 隧道墻壁加速度計(jì)位置Fig.5 Distribution of vibration sensors for the tunnel wall

3.3.4 車內(nèi)振動(dòng)噪聲測(cè)試

在地鐵運(yùn)行條件下車廂振動(dòng)測(cè)試設(shè)備與地面振動(dòng)測(cè)試設(shè)備相同。噪聲測(cè)試則布置2個(gè)傳聲器，理論上距車廂地板高度分別為1 m和1.5 m，如圖6所示。

圖6 車廂振動(dòng)噪聲測(cè)試Fig.6 Distribution of noise sensors inside the train

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 鋼軌變形分析

變形測(cè)試在車輛正常運(yùn)營(yíng)情況下進(jìn)行，記錄時(shí)段包括早高峰07:00—09:00和晚高峰17:00—19:00等典型時(shí)段，記錄超過(guò)20輛正常運(yùn)行的車輛。分別針對(duì)每輛車的導(dǎo)向軸和從動(dòng)軸進(jìn)行鋼軌變形分析，且通過(guò)變形數(shù)據(jù)可計(jì)算相應(yīng)行車速度。DZIII型扣件和上部鎖緊式雙層非線性扣件系統(tǒng)變形數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 兩種扣件系統(tǒng)鋼軌動(dòng)態(tài)變形

表1中1) 垂向變形負(fù)值表示鋼軌相對(duì)道床下沉，正值反之；2) 軌頭扭轉(zhuǎn)和橫向變形負(fù)值表示鋼軌相對(duì)軌道中心向外轉(zhuǎn)動(dòng)(軌距擴(kuò)大)，正值反之；3) 鋼軌垂向變形由鋼軌兩邊測(cè)得的垂直變形量取平均值來(lái)估算，軌頭扭轉(zhuǎn)變形由鋼軌在軌腳外側(cè)的變形量減去內(nèi)側(cè)的變形量除以2，然后乘以幾何系數(shù)(軌腳寬度除以軌腳外側(cè)垂直變形傳感器到軌腳內(nèi)側(cè)垂直變形傳感器之間的距離)求得；4) 車速根據(jù)列車定距12.8 m計(jì)算。

1) 鋼軌變形：DZIII型扣件區(qū)間鋼軌平均垂向變形為0.42 mm，軌頭扭轉(zhuǎn)變形為0.06 mm，軌頭橫向變形為0.13 mm；上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間鋼軌變形相對(duì)DZIII型扣件區(qū)間鋼軌變形略有增加，平均垂向變形為1.00 mm，軌頭扭轉(zhuǎn)變形為0.10 mm，軌頭橫向變形為0.23 mm。

2) 安全性：由表1可知，以上最大變形量均符合《中華人民共和國(guó)鐵道部鐵路線路維修規(guī)則》中，對(duì)試驗(yàn)車速v<100 km/h軌道動(dòng)態(tài)軌距I級(jí)保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)允許偏差管理值(-6～+12 mm)的安全性能要求。

4.2 道床中心振動(dòng)分析

圖7為兩種扣件區(qū)間的道床中心振動(dòng)加速度1/3倍頻程頻譜圖，表2為道床中心加速度總振動(dòng)級(jí)。道床中心振動(dòng)分析如下。

圖7 道床中心振動(dòng)1/3倍頻程頻譜Fig.7 1/3 octave spectrum of ballast bed

注： ① 計(jì)算頻帶1～80 Hz；② 差值為DZIII型扣件區(qū)間道床總振動(dòng)級(jí)減去上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間道床總振動(dòng)級(jí)。

1) 頻譜曲線：圖7中整個(gè)頻帶內(nèi)上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間道床中心振動(dòng)水平低于DZIII型扣件。

2) 總振級(jí)差值：表2中上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間道床中心總振動(dòng)級(jí)垂向振動(dòng)比DZIII型扣件降低9.1 dBZ，橫向振動(dòng)降低7.2 dBZ。

4.3 隧道壁振動(dòng)分析

圖8為兩種扣件區(qū)間的隧道壁振動(dòng)加速度1/3倍頻程頻譜，表3為隧道壁加速度總振動(dòng)級(jí)。隧道壁振動(dòng)分析如下。

圖8 隧道壁振動(dòng)1/3倍頻程頻譜Fig.8 1/3 frequency spectrum of tunnel wall vibration

注： ① 計(jì)算頻帶為1～80 Hz；② 差值為DZIII型扣件區(qū)間隧道壁總振動(dòng)級(jí)減去上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間隧道壁總振動(dòng)級(jí)。

1) 頻譜曲線：圖8中上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間隧道壁振動(dòng)水平在1～125 Hz頻段內(nèi)整體均低于DZIII型扣件區(qū)間隧道壁振動(dòng)。

2) 減振性能：表3中上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間隧道壁垂向振動(dòng)比DZIII型扣件降低8.1 dBZ，橫向振動(dòng)降低5.1 dBZ。

4.4 車內(nèi)振動(dòng)噪聲測(cè)試分析

圖9為車內(nèi)噪聲和車內(nèi)地面振動(dòng)時(shí)域圖，圖10、圖11分別為車內(nèi)噪聲和車內(nèi)地面振動(dòng)1/3倍頻程頻譜，表4為上下行線車內(nèi)噪聲總振動(dòng)級(jí)。車內(nèi)振動(dòng)噪聲測(cè)試分析如下。

圖9 車內(nèi)噪聲及地面振動(dòng)時(shí)域Fig.9 Time-domain wave of noise and vibration inside the train

圖10 車內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜Fig.10 1/3 frequency spectrum of noise inside the train

圖11 車內(nèi)振動(dòng)1/3倍頻程頻譜Fig.11 1/3 frequency spectrum of vibration inside the train

注： ① 總聲壓級(jí)計(jì)算頻帶為16～2 500 Hz，振動(dòng)計(jì)算頻帶為1～80 Hz；② 差值為DZIII型扣件區(qū)間總振動(dòng)級(jí)減去上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間總振動(dòng)級(jí)；③ 噪聲參考聲壓2×10-5Pa，振動(dòng)參考加速度1×10-6m/s2。

1) 數(shù)據(jù)選擇：結(jié)合行車速度、進(jìn)出站加減速段、萬(wàn)年泉站至海爾路站之間距離和每種扣件區(qū)間長(zhǎng)度，可選擇如圖9所示兩段扣件區(qū)間的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)，可以看出，上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間具有低噪聲低振動(dòng)水平。

2) 相對(duì)差值：表5為兩種扣件車內(nèi)噪聲總聲壓級(jí)和加速度總振動(dòng)級(jí)，與DZIII型扣件相比，上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間實(shí)測(cè)值車內(nèi)噪聲低3.4 dB，垂向振動(dòng)低2.0 dBZ，橫向振動(dòng)低3.6 dBZ。同時(shí)，上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間時(shí)速為56.8 km/h，DZIII型扣件區(qū)間時(shí)速為65.0 km/h，通過(guò)理論計(jì)算，由于兩種不同時(shí)速影響的總級(jí)差約為1 dB，因此，與DZIII型扣件相比，修正后的上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間車內(nèi)噪聲低2.4 dB，垂向振動(dòng)低1.0 dBZ，橫向振動(dòng)低2.6 dBZ。

5 結(jié)論

作為一種新型的減振扣件，上部鎖緊式雙層非線性扣件在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了安全性、減振性能及可拆卸性能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)試表明，該扣件在滿足安全性要求的同時(shí)，還具有良好的減振降噪性能。

相對(duì)于DZIII型扣件，上部鎖緊式雙層非線性扣件區(qū)間的道床中心總振級(jí)垂向振動(dòng)降低9.1 dBZ，橫向振動(dòng)降低7.2 dBZ；隧道壁總振級(jí)垂向振動(dòng)降低8.1 dBZ，橫向振動(dòng)降低5.1 dBZ；車內(nèi)噪聲低2.4 dB，車內(nèi)垂向振動(dòng)低1.0 dBZ，橫向振動(dòng)低2.6 dBZ。

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(編輯：郝京紅)

Application of Up-self-locked Double Nonlinear Fastening on Nanchang Metro

YIN Huatuo

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510000)

Up-self-locked double nonlinear fastener is a new fastening system which is easy to be disassembled and the preload can be modified. An on-line test was carried out on Nanchang Metro Line 1 to prove the security and the damping performance of up-self-locked double nonlinear fastening system, which includes the deformation of the rail, the vibration of the ballast and the tunnel wall, as well as the vibration and noise in the vehicle. The result showed that the up-self-locked double nonlinear fastening system had a significant effect on reducing the vibration and noise compared with DZIII fastening system. This new fastening system can decrease the vertical vibration by more than 8dB and lower the noise in the vehicle by 2.4dB.Keywords: urban rail transit; up-self-locked; double nonlinear; fastening; vibration reducing

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.03.009

2016-09-23

2016-12-02

尹華拓，男，工學(xué)碩士，工程師，專業(yè)方向?yàn)榈缆放c鐵道工程，yinhuatuo@dtsjy.com

U231

A

1672-6073(2017)03-0044-06