基于錘擊法的有軌電車(chē)嵌入式軌道減振性能試驗(yàn)研究

雷曉燕，魏 強(qiáng)，劉慶杰，馮青松，羅信偉

（1.華東交通大學(xué) 鐵路環(huán)境振動(dòng)與噪聲教育部研究中心，南昌 330013；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510010）

現(xiàn)如今進(jìn)一步發(fā)展軌道交通，建立更加豐富立體的鐵路線網(wǎng)可以更好促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，提高人民生活水平。有軌電車(chē)自得到應(yīng)用以來(lái)已經(jīng)得到世界各國(guó)和地區(qū)的廣泛認(rèn)可，許多城市在軌道交通線路上廣泛應(yīng)用嵌入式軌道形式。而新型有軌電車(chē)是一種全新、先進(jìn)的公共交通運(yùn)輸方式，它將傳統(tǒng)的有軌電車(chē)形式進(jìn)行了比較全面的升級(jí)與改造，設(shè)計(jì)更加新穎，可以達(dá)到中等的運(yùn)量水平，并且該軌道形式對(duì)于城市環(huán)境較為環(huán)保并且可以滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)于可持續(xù)發(fā)展的基本要求。嵌入式軌道結(jié)構(gòu)形式提高了整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)在豎向、縱向以及橫向上的剛度。當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，在鋼軌兩側(cè)高性能填充材料的耗能作用下，鋼軌振動(dòng)被有效約束，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)形式降低了噪聲的影響，具有可靠的安全性能，可以大幅度降低維修成本，非常適用于城市交通的應(yīng)用與普及。Ling等[1]建立了兩種軌道的動(dòng)力學(xué)模型，將分析結(jié)果與常規(guī)軌道進(jìn)行比較，體現(xiàn)出了該軌道形式出色的減振性能。Bu等[2]建立了混合交通區(qū)預(yù)埋軌道的有限元模型，分析了混合交通荷載作用下的局部受力和變形規(guī)律，提出了提高軌道穩(wěn)定性的彈性模量的最佳范圍；Sun等[3]針對(duì)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)鐵路軌道的振動(dòng)與聲輻射特性，采用耦合波數(shù)有限元和邊界元模型進(jìn)行了研究，分析了不同頻段中鋼軌和軌道板相互之間振動(dòng)的交互關(guān)系，并設(shè)計(jì)了不同形狀的預(yù)埋材料分析其輻射聲功率特性；劉婷林[4]利用仿真軟件分析了嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的減振降噪性能，并通過(guò)室內(nèi)落錘法和自由落錘法對(duì)增設(shè)不同顆粒材料條件下的軌道結(jié)構(gòu)減振降噪效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，分析了不同粒徑配比和密度方案對(duì)減振效果的影響。何遠(yuǎn)鵬等[5]同樣建立了耦合動(dòng)力學(xué)模型，得到的曲線可以清晰反映鋼軌垂向剛度對(duì)于該軌道動(dòng)態(tài)特性的影響。江小州[6]對(duì)槽內(nèi)澆注料、降噪塊等一些部件的主要影響參數(shù)(如彈性模量、阻尼參數(shù)等)進(jìn)行調(diào)查，對(duì)有軌電車(chē)對(duì)嵌入式軌道在不同材料參數(shù)下的振動(dòng)聲輻射性能進(jìn)行分析，得出了各部件參數(shù)的最優(yōu)值。劉林芽等[7]結(jié)合了邊界元和有限元的方法，將已經(jīng)計(jì)算出的軌道系統(tǒng)豎向的相對(duì)高頻的振動(dòng)響應(yīng)值應(yīng)用到聲輻射計(jì)算中作為邊界條件，并通過(guò)計(jì)算得到了鋼軌與下部結(jié)構(gòu)的聲輻射特性。康晨曦等[8]采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法改進(jìn)了雙層嵌入式軌道的設(shè)計(jì)，獲得了比較匹配鋼軌剛度的彈性模量數(shù)值，可以極大節(jié)約成本。畢瀾瀟等[9]在拓?fù)鋬?yōu)化等相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)槽內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了承軌槽的寬度的理想范圍，同時(shí)給出了對(duì)于彈性模量取值的相應(yīng)見(jiàn)解。汪力等[10]基于溫克爾彈性地基分析軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了關(guān)于其減振降噪方面的原理，針對(duì)其下部的基礎(chǔ)形式給出了合理的方案。陳鵬等[11研發(fā)了一種可用于預(yù)制道床板的軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并對(duì)其組成原理以及設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了相關(guān)研究，為今后有軌電車(chē)軌道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案研究提供了很好的借鑒和參考。馮青松等[12]對(duì)應(yīng)用于簡(jiǎn)支梁橋的嵌入式軌道無(wú)縫線路的工況進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明，采用小阻力高分子材料可以明顯減小鋼軌附加作用力。我國(guó)引進(jìn)嵌入式軌道較晚，對(duì)其研究進(jìn)程相對(duì)緩慢，相關(guān)理論已經(jīng)逐步完善，但對(duì)于嵌入式軌道進(jìn)行實(shí)際的模型試驗(yàn)者較少。本文依據(jù)圖紙，以實(shí)尺比例澆筑軌道模型。澆筑完成后對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)特性試驗(yàn)分析，以加速度導(dǎo)納為指標(biāo)，通過(guò)在鋼軌頂部施加垂向錘擊激勵(lì)，得到有軌電車(chē)嵌入式軌道鋼軌的振動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)基地的CRTSⅡ型無(wú)砟軌道進(jìn)行相同的試驗(yàn)，將得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析嵌入式軌道的減振特性。

1 雙層嵌入式軌道模型制作

1.1 嵌入式軌道部件材料參數(shù)

首先進(jìn)行雙層嵌入式軌道的模型澆筑，軌道結(jié)構(gòu)包括60R2槽型軌、PVC管、填充材料以及軌道板。依據(jù)圖紙進(jìn)行模型材料的準(zhǔn)備，為降低邊界效應(yīng)所帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì)模型總長(zhǎng)度取為5 m。材料參數(shù)賦值見(jiàn)表1。

表1 嵌入式軌道結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

1.2 模型澆筑介紹

分層澆筑嵌入式軌道承軌槽內(nèi)填充材料，上層填充材料彈性模量比下層更大。上下層填充材料都是由AB組料組成，配合比例為1:1。澆筑過(guò)程中，首先進(jìn)行底層材料澆筑，靜置45分鐘待下層凝固之后進(jìn)行頂層材料的澆筑。填充材料澆筑過(guò)程如圖1至圖4所示。

圖1 模型準(zhǔn)備

圖2 A、B兩種聚氨酯材料

圖3 攪拌聚氨酯材料

圖4 完成澆筑工作模型準(zhǔn)備

2 振動(dòng)特性試驗(yàn)

2.1 錘擊法導(dǎo)納試驗(yàn)原理

試驗(yàn)中采用了LMS TEST. LAB 軟件所包含的Impact Testing 模塊，這個(gè)測(cè)試模塊內(nèi)置多種形式的信號(hào)源（正弦、余弦信號(hào)源），測(cè)試的時(shí)候使用指定力錘激勵(lì)軌道結(jié)構(gòu)作為輸入，此過(guò)程即用力錘模擬瞬態(tài)沖擊過(guò)程，得到力信號(hào)；此時(shí)附著在軌道結(jié)構(gòu)上的傳感器可以獲得結(jié)構(gòu)的輸出響應(yīng)信號(hào)，數(shù)據(jù)采集儀獲得了輸入的力信號(hào)以及輸出的響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并利用模態(tài)參數(shù)估算法，即可得到本次測(cè)試的傳遞函數(shù)。測(cè)試流程圖見(jiàn)圖5。

圖5 測(cè)試流程圖

本次測(cè)試所采用的衡量指標(biāo)為加速度導(dǎo)納，加速度導(dǎo)納可以反映出結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，并且輸出激勵(lì)的大小不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生相應(yīng)的影響。本次實(shí)驗(yàn)使用力錘激勵(lì)軌道結(jié)構(gòu)測(cè)試部分，數(shù)據(jù)采集儀會(huì)根據(jù)錘頭以及傳感器收集到力信號(hào)及響應(yīng)信號(hào)，本次測(cè)試中，在力錘的激勵(lì)下，該結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程為：

其中：F就是外作用力的值；將實(shí)測(cè)加速度信號(hào)和錘擊力輸入的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換并求商，即可得到加速度導(dǎo)納：

2.2 試驗(yàn)儀器及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)中采用比利時(shí)公司的LMS數(shù)據(jù)采集儀（24通道），如圖6所示。傳感器采用PCB垂向加速度傳感器（352C04型），PCB力錘的型號(hào)為086D05型，所用合金錘頭如圖7所示。

圖6 LMS數(shù)據(jù)采集儀

圖7 PCB力錘

選取嵌入式軌道結(jié)構(gòu)與CRTSⅡ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，帶寬設(shè)置為0～4 096 Hz；采用LMS Test.Lab 軟件中的錘擊測(cè)試法模塊進(jìn)行測(cè)試，布置測(cè)點(diǎn)時(shí)選取所澆筑軌道模型中鋼軌的軌面內(nèi)軌中心位置，每隔0.6 m 布置一個(gè)拾振點(diǎn)，從左往右依次編號(hào)為P1、P2、P3、P4、P5，共5 個(gè)拾振點(diǎn)；測(cè)試前利用砂紙打磨鋼軌測(cè)試部位，并用酒精擦拭，此步驟可以除去鋼軌測(cè)試部位的臟污及銹跡，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。擦拭完成后，在拾振點(diǎn)位置布置垂向加速度傳感器，并將其按照編號(hào)排列，同時(shí)記錄好每個(gè)傳感器的靈敏度系數(shù)并輸入軟件調(diào)試模塊。布置完成后檢測(cè)傳感器與鋼軌貼和程度，測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖8至圖9。

圖8 雙層嵌入式軌道傳感器布置示意圖

圖9 CRTS II型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 測(cè)試流程

連接力錘及各加速度傳感器線纜，使用力錘垂向激勵(lì)P3 點(diǎn)處，激勵(lì)完成后，觀察數(shù)據(jù)采集儀上P3點(diǎn)被施加激勵(lì)時(shí)軌道上各測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果以及儀器設(shè)置是否合理，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試。調(diào)試完成后重復(fù)上述步驟，多次測(cè)試采集力信號(hào)及豎向振動(dòng)加速度信號(hào)，計(jì)算得到頻響函數(shù)并求平均值，進(jìn)行多組試驗(yàn)，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 嵌入式軌道結(jié)構(gòu)與無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)加速度導(dǎo)納結(jié)果分析

考慮到對(duì)稱(chēng)效應(yīng)，只選取軌道單側(cè)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行展示；激勵(lì)P3 點(diǎn)后，嵌入式軌道各測(cè)點(diǎn)的加速度導(dǎo)納結(jié)果如圖10所示；從圖中可以看出嵌入式軌道加速度導(dǎo)納響應(yīng)幅值隨頻率的增大而呈現(xiàn)整體增大的趨勢(shì)，但整體曲線較為平緩，并未出現(xiàn)過(guò)多的峰值，且峰值均小于0.5 g/N；選取P3為激勵(lì)點(diǎn)時(shí)，鋼軌振動(dòng)加速度導(dǎo)納在100 Hz、301 Hz處出現(xiàn)明顯幅值，在198 Hz、1 580 Hz、362 Hz 處出現(xiàn)較明顯低谷，說(shuō)明嵌入式軌道形式對(duì)這幾個(gè)頻率下的振動(dòng)抑制較明顯，P1點(diǎn)在362 Hz處較反常出現(xiàn)低谷，幅值較小，且從整體來(lái)看，隨著振動(dòng)沿著縱向的傳遞，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度導(dǎo)納數(shù)值逐級(jí)衰減，幅值相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明了聚氨酯材料對(duì)于鋼軌的振動(dòng)沿鋼軌縱向的衰減效果非常突出。

圖10 激勵(lì)P3點(diǎn)時(shí)嵌入式軌道各點(diǎn)導(dǎo)納示意圖

激勵(lì)P3點(diǎn)后，無(wú)砟軌道各測(cè)點(diǎn)的加速度導(dǎo)納結(jié)果如圖11所示。

圖11 P1、P2與P3點(diǎn)加速度導(dǎo)納對(duì)比示意圖

圖11 反映了在20 Hz～2 000 Hz 范圍內(nèi)振動(dòng)沿?zé)o砟軌道鋼軌縱向傳遞的規(guī)律，從圖中可以看出，在20 Hz～200 Hz范圍內(nèi)，鋼軌振動(dòng)加速度沿縱向有明顯的衰減趨勢(shì)，但在20 Hz～2 000 Hz 范圍內(nèi)，雖然可以看出激勵(lì)點(diǎn)的導(dǎo)納幅值略大于其余兩點(diǎn)，但所差極小，并未體現(xiàn)出明顯的衰減過(guò)程。可以看出，在高頻段，無(wú)砟軌道形式對(duì)于鋼軌振動(dòng)沿縱向傳遞的抑制的能力較嵌入式軌道形式差。

3.2 嵌入式軌道與無(wú)砟軌道響應(yīng)結(jié)果對(duì)比分析

現(xiàn)將兩種軌道相同測(cè)點(diǎn)的導(dǎo)納結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖12至圖14。

圖12 兩種軌道P1點(diǎn)導(dǎo)納結(jié)果對(duì)比

圖13 兩種軌道P2點(diǎn)導(dǎo)納結(jié)果對(duì)比

圖14 兩種軌道P3點(diǎn)導(dǎo)納結(jié)果對(duì)比

從圖12至圖14可以看到，在激勵(lì)P3點(diǎn)時(shí)，無(wú)砟軌道與嵌入式軌道P3點(diǎn)的響應(yīng)峰值相差不大，但從P1點(diǎn)與P2點(diǎn)的響應(yīng)來(lái)看，嵌入式軌道沿縱向的衰減效果較無(wú)砟軌道更明顯，體現(xiàn)了嵌入式軌道中阻尼材料的減振效果較好；

無(wú)砟軌道的3個(gè)測(cè)點(diǎn)在150 Hz～200 Hz范圍內(nèi)均出現(xiàn)峰值，而正相反，嵌入式軌道在該頻段均為谷值，且兩數(shù)值相差較為明顯，說(shuō)明了嵌入式軌道在該頻段對(duì)于鋼軌振動(dòng)的抑制效應(yīng)；無(wú)砟軌道在全頻段出現(xiàn)峰值較多，傳遞函數(shù)曲線抖動(dòng)較為明顯，而嵌入式軌道曲線較少出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，整體趨勢(shì)較為平緩，曲線更為順滑，體現(xiàn)了嵌入式軌道在全頻段對(duì)于鋼軌的減振效果較為突出。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）嵌入式軌道加速度導(dǎo)納響應(yīng)幅值隨頻率的增大而整體顯出增大的趨勢(shì)，但整體曲線較為平緩，并未出現(xiàn)過(guò)多的峰值；鋼軌振動(dòng)加速度導(dǎo)納在100 Hz、301 Hz 處出現(xiàn)明顯幅值，在198 Hz、1 580 Hz、362 Hz 處出現(xiàn)較明顯低谷，說(shuō)明嵌入式軌道形式對(duì)這幾個(gè)頻率下的振動(dòng)抑制較明顯；且從整體來(lái)看，隨著振動(dòng)響應(yīng)沿著縱向的傳遞，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度導(dǎo)納數(shù)值逐級(jí)衰減，幅值相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，沿縱向衰減效果極為明顯；

（2）而無(wú)砟軌道3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的曲線幅值在高頻段并未體現(xiàn)出較為明顯的差距，雖然無(wú)砟軌道與嵌入式軌道P3點(diǎn)高頻處的響應(yīng)峰值相近，但無(wú)砟軌道沿縱向的衰減效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及嵌入式軌道；無(wú)砟軌道的3個(gè)測(cè)點(diǎn)在150 Hz～200 Hz范圍內(nèi)導(dǎo)納結(jié)果均出現(xiàn)峰值，而正相反，嵌入式軌道在該頻段均為谷值，且兩數(shù)值相差較為明顯，體現(xiàn)了嵌入式軌道在該頻段對(duì)于鋼軌振動(dòng)的抑制效應(yīng)；

（3）比較嵌入式軌道結(jié)構(gòu)和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)同一測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)砟軌道在全頻段出現(xiàn)峰值較多，傳遞函數(shù)曲線抖動(dòng)較為明顯，而嵌入式軌道曲線較少出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，整體趨勢(shì)較為平緩，曲線更為順滑，說(shuō)明嵌入式軌道中高分子填充材料能夠在全頻段抑制鋼軌的振動(dòng)效應(yīng)。