鋼軌諧振式浮軌扣件動(dòng)態(tài)變形及減振降噪性能分析

徐 寧 曾 飛 李 強(qiáng) 王彥飛 王志強(qiáng)

(洛陽(yáng)雙瑞橡塑科技有限公司,471003,洛陽(yáng)//第一作者,工程師)

城市軌道交通引起的振動(dòng)，主要由車輛運(yùn)行時(shí)輪軌間相互撞擊所產(chǎn)生，由鋼軌通過扣件和道床傳遞至隧道，并傳向大地而引發(fā)附近地面建筑物的振動(dòng)。軌道結(jié)構(gòu)是振動(dòng)傳播途徑中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響周邊結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。以振源和傳遞途徑為對(duì)象研究地鐵的減振性能較為合理，也是最有效的方法之一[1-3]。

西安地鐵1號(hào)線DK31+060至DK31+240為緩和曲線和圓曲線區(qū)間段，圓曲線半徑R為450 m，上行線為道床減振墊軌道結(jié)構(gòu)，下行線為DTVI2扣件普通道床軌道結(jié)構(gòu)。該區(qū)段上方為某小區(qū)居民住宅,列車運(yùn)營(yíng)時(shí)振動(dòng)噪聲干擾了居民的正常生活。為此,選用諧振式浮軌扣件對(duì)下行線該區(qū)段進(jìn)行更換改造。

諧振式浮軌扣件主要由橡膠彈性楔塊、支撐側(cè)板、鎖緊楔塊、絕緣防撞墊板、絕緣耦合墊板等組成。該扣件中的橡膠支撐楔塊內(nèi)設(shè)置諧振質(zhì)量單元，借助橡膠支撐楔塊的彈性層形成動(dòng)力吸振器結(jié)構(gòu)，系將動(dòng)力吸振和扣件隔振技術(shù)進(jìn)行了集成。通過設(shè)計(jì)諧振質(zhì)量單元和彈性體的動(dòng)力吸振結(jié)構(gòu)，可在特定頻段產(chǎn)生諧振效應(yīng)，將鋼軌振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，從而減少向軌道的振動(dòng)傳遞，提高了扣件隔振效果[4]。

為考察分析浮軌扣件在列車運(yùn)營(yíng)過程中的安全性能和減振降噪效果，在改造前后同一測(cè)點(diǎn)DK31+130處，測(cè)試分析軌道動(dòng)態(tài)變形及振動(dòng)情況，同時(shí)測(cè)試分析敏感建筑物振動(dòng)及二次輻射噪聲變化水平。

1 鋼軌扣件

西安地鐵1號(hào)線鋼軌DTVI2扣件的靜剛度約為40 kN/mm，浮軌扣件剛度約為5～8 kN/mm;兩種扣件防爬阻力≥11.5 kN，適用于60 kg/m鋼軌的隧道內(nèi)線路,以及U型結(jié)構(gòu)和地面枕式整體道床等多種工況。兩種鋼軌扣件如圖1所示。

a) DTVI2扣件

b) 浮軌扣件

2 動(dòng)態(tài)測(cè)試點(diǎn)布置

2.1 軌道動(dòng)態(tài)變形測(cè)試

軌道動(dòng)態(tài)變形即軌道在列車運(yùn)行過程中的變形狀況，包括鋼軌豎向變形、扭轉(zhuǎn)變形和軌頭橫向變形，體現(xiàn)了鋼軌下沉量、軌距動(dòng)態(tài)變化等安全性能。變形通過位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位于相鄰扣件跨距的1/2橫截面處，如圖2所示。

a) 左軌

b) 右軌

2.2 軌道振動(dòng)測(cè)試

以傳遞路徑為參考，軌道振動(dòng)測(cè)試包括鋼軌振動(dòng)、道床振動(dòng)和隧道壁振動(dòng),其測(cè)點(diǎn)與圖2為同一橫截面測(cè)布置，如圖3所示。其中,振動(dòng)包括豎向振動(dòng)和橫向振動(dòng)。

圖3 軌道振動(dòng)測(cè)點(diǎn)傳感器及設(shè)備安裝位置

2.3 敏感建筑物振動(dòng)及二次輻射噪聲測(cè)試

某小區(qū)敏感建筑物的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 敏感建筑物測(cè)點(diǎn)示意圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 軌道動(dòng)態(tài)變形分析

在車輛正常運(yùn)營(yíng)下進(jìn)行，分別針對(duì)每輛車的導(dǎo)向軸和從動(dòng)軸進(jìn)行軌道動(dòng)態(tài)變形分析，其中行車速度可通過位移變形記錄的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。分別選取早、中、晚3個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。改造前DTVI2扣件區(qū)段和改造后浮軌扣件區(qū)段軌道變形數(shù)據(jù)如表1和表2所示，同時(shí)求得改造前后列車途經(jīng)該測(cè)點(diǎn)運(yùn)行速度分別為70.5 km/h和70.9 km/h。

表1 DTVI2扣件區(qū)段鋼軌動(dòng)態(tài)變形 mm

表2 浮軌扣件區(qū)間鋼軌動(dòng)態(tài)變形 mm

分析可知，浮軌扣件區(qū)段鋼軌下沉量、鋼軌橫向變形和扭轉(zhuǎn)變形均大于DTVI2扣件區(qū)段，其中最大變形量為浮軌扣件區(qū)段,鋼軌豎向變形平均值為2.62 mm，以上數(shù)據(jù)均低于鐵運(yùn)[2006]146號(hào)《鐵路線路維修規(guī)則》中軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值，表明浮軌扣件能夠保證列車在運(yùn)行中的安全性能。

3.2 軌道振動(dòng)分析

3.2.1 鋼軌振動(dòng)分析

圖5和圖6分別為改造前DTVI2扣件和改造后浮軌扣件區(qū)段鋼軌速度振動(dòng)級(jí)1/3倍頻程頻譜圖。表3為兩種扣件區(qū)段鋼軌速度總振動(dòng)級(jí)，計(jì)算帶寬12.5～2 500 Hz。圖中“浮軌左軌豎向”代表浮軌扣件區(qū)段左軌豎向振動(dòng)，其它類同。

圖5 改造前鋼軌振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

圖6 改造后鋼軌振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

由3.1可知，兩種扣件區(qū)段車速相同，因此振動(dòng)數(shù)據(jù)不需修正。圖5中DTVI2扣件右、左軌間的豎向振動(dòng)和橫向振動(dòng)均相差不大，橫向振動(dòng)在400～1 250 Hz頻段外均高于豎向振動(dòng)。圖6中浮軌扣件右、左軌間的豎向振動(dòng)和橫向振動(dòng)均相差不大，但豎向振動(dòng)在整個(gè)頻段內(nèi)均高于橫向振動(dòng)，同時(shí)在200～1 600 Hz頻帶內(nèi)豎向、橫向振動(dòng)曲線相對(duì)平緩。由表3可知，浮軌扣件區(qū)段鋼軌速度總振動(dòng)級(jí)略大于DTVI2扣件區(qū)段，原因是浮軌扣件的鋼軌下沉變形較大。

表3 鋼軌速度總振動(dòng)級(jí) dB(A)

3.2.2 道床振動(dòng)分析

圖7為改造前DTVI2扣件和改造后浮軌扣件區(qū)段道床加速度振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖。表4為兩種扣件區(qū)段道床加速度總振動(dòng)級(jí)，計(jì)算帶寬1.25～80 Hz。

圖7 改造前后道床振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

表4 道床加速度總振動(dòng)級(jí)dB(Z)

同理，兩種扣件區(qū)段道床振動(dòng)數(shù)據(jù)不需修正。整體上DTVI2扣件區(qū)段道床豎向振動(dòng)和橫向振動(dòng)大于浮軌扣件區(qū)間道床振動(dòng)，且DTVI2扣件固有頻率為63 Hz，浮軌扣件為31.5 Hz。由表4可知，改造后道床豎向振動(dòng)降低11.9 dB(Z)，橫向振動(dòng)降低11.1 dB(Z)。

3.2.3 隧道壁振動(dòng)分析

圖8為改造前DTVI2扣件和改造后浮軌扣件區(qū)段隧道壁加速度振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖。表5為兩種扣件區(qū)段隧道壁加速度總振動(dòng)級(jí)，計(jì)算帶寬1.25～80 Hz。

圖8 改造前后隧道壁振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

表5 隧道壁加速度總振動(dòng)級(jí)dB(Z)

改造前后車速基本不變，因此數(shù)據(jù)無(wú)需修正。在圖8中，整體上DTVI2扣件區(qū)段隧道壁豎向振動(dòng)和橫向振動(dòng)大于浮軌扣件區(qū)段隧道壁振動(dòng)，同時(shí),受線路曲線影響,兩種扣件區(qū)段的橫向振動(dòng)均高于豎向振動(dòng)。受扣件固有頻率影響，DTVI2扣件和浮軌扣件分別在31.5 Hz和63 Hz出現(xiàn)共振峰值。由表5可得，改造后隧道壁豎向振動(dòng)降低9.2 dB(Z)，橫向振動(dòng)降低13.4 dB(Z)。

3.3 敏感建筑物振動(dòng)及二次輻射噪聲分析

圖9和圖10分別為改造前后敏感建筑物地面豎向振動(dòng)和二次輻射噪聲1/3倍頻程頻譜圖。表6為改造前后加速度總振動(dòng)級(jí)和總聲壓級(jí)，其中振動(dòng)Z計(jì)權(quán)處理時(shí),計(jì)算帶寬為1.25～80 Hz，總聲壓級(jí)A計(jì)權(quán)處理時(shí),計(jì)算帶寬為12.5～2 500 Hz。

圖9 改造前后地面振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

由圖9可知，在20～200 Hz頻帶內(nèi)，改造后振動(dòng)低于改造前振動(dòng)。圖10中，在12.5～200 Hz內(nèi)，改造后敏感建筑物室內(nèi)二次輻射噪聲低于改造前數(shù)據(jù)。由表6可知，改造前后敏感建筑物豎向振動(dòng)減少7.3 dB(Z)、二次輻射噪聲減小4.1 dB(A)。

圖10 改造前后二次輻射噪聲1/3倍頻程頻譜圖

表6 列車運(yùn)行時(shí)敏感建筑物振動(dòng)情況

4 結(jié)論

(1) 改造后浮軌扣件區(qū)段鋼軌下沉量、鋼軌橫向變形和扭轉(zhuǎn)變形均大于改造前DTVI2扣件區(qū)段鋼軌下沉量，其中最大變形量為浮軌扣件區(qū)段鋼軌豎向變形(2.62 mm)，各變形數(shù)據(jù)均低于國(guó)家鐵路線路維修的6 mm標(biāo)準(zhǔn)，表明浮軌扣件在列車運(yùn)行過程中具有較好的安全性能。

(2) 相對(duì)于改造前DTVI2扣件區(qū)段道床和隧道壁振動(dòng)，改造后浮軌扣件區(qū)段道床振動(dòng)豎向降低11.9 dB(Z)，橫向降低11.1 dB(Z)，隧道壁豎向振動(dòng)降低9.2 dB(Z)，橫向振動(dòng)降低13.4 dB(Z)，表明浮軌扣件具有良好的減振效果。

(3) 采用浮軌扣件改造后，敏感建筑物豎向振動(dòng)減小7.3 dB(Z)，二次輻射噪聲減小4.1 dB(A)，表明浮軌扣件具有良好的減振降噪效果。