兩種新型材料地鐵軌枕的頻響特性和減振特性分析

趙鑫江　何大智　許孝堂　于海龍

摘要：為了研究環(huán)氧樹脂材料和不飽和聚酯材料制作的地鐵軌枕的減振性能，通過力錘敲擊試驗(yàn)和理論分析的方法，對(duì)比分析了兩種新型材料軌枕和傳統(tǒng)混凝土軌枕的頻響特性和減振特性。通過分析三種軌枕的頻響特性數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于軌枕的多數(shù)垂向共振頻率所對(duì)應(yīng)的共振峰，三種軌枕共振峰的共振頻率和共振峰值無明顯差異；對(duì)于軌枕的多數(shù)橫向共振頻率所對(duì)應(yīng)的共振峰，三種軌枕共振峰的共振頻率無明顯差異，但不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值最小。通過分析三種軌枕的阻尼比發(fā)現(xiàn)，兩種新型材料軌枕比傳統(tǒng)混凝土軌枕的減振性能都更好，其中不飽和聚酯材料軌枕的減振性能在三者中最好。

關(guān)鍵詞：減振；環(huán)氧樹脂材料；不飽和聚酯材料；軌枕；力錘

中圖分類號(hào)：U213.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.05.009

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 05-0052-06

Analysis of Frequency Response and Vibration Reduction Characteristics of

Two Metro Sleepers Made of New Materials

ZHAO Xinjiang1，HE Dazhi2，XU Xiaotang3，4，YU Hailong5

（ 1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.GRG Metrology & Test （Chengdu） Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China; 3.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 4.GERB （Qingdao） Vibration Control Co.， Ltd.， Qingdao 266108， China; 5.Dalian A.L.X Machinery Co.， Ltd.， Dalian 116003， China ）

Abstract：In order to study the vibration reduction performance of two metro sleepers made of epoxy resin and unsaturated polyester materials respectively， the force-hammer excitation test and the theoretical analysis are used to compare the frequency response and vibration damping characteristics of the two new-material sleepers with a traditional concrete sleeper. By comparing and analyzing the frequency response characteristics of the three types of sleepers， it is found that the resonance frequencies of the resonance peaks of the three types of sleepers have only slight difference in terms of the vertical resonance frequencies of the sleepers. And also， there is no significant difference in the resonance frequencies of the three sleepers in terms of the transverse resonance frequencies of sleepers， and the resonance peak value of the unsaturated polyester sleepers is the smallest among the three sleepers. The damping ratios of the three sleepers show that the vibration reduction performance of the two new-material sleepers is better than that of the traditional concrete sleeper. In particular， the vibration damping of the unsaturated polyester sleeper is the best among the three sleepers.

Key words：vibration reduction；epoxy resin materials；unsaturated polyester materials；sleeper；force-hammer

地鐵是城市軌道交通的一種重要形式，但運(yùn)行過程中不可避免地給城市帶來振動(dòng)和噪聲問題[1-3]。由于混凝土軌枕存在彈性差、脆性大、減振性能不足等缺陷，近年世界各國都致力于研制和應(yīng)用新減振材料的軌枕，如復(fù)合式軌枕、纖維混凝土軌枕、樹脂合成軌枕等[4-5]。

對(duì)于傳統(tǒng)混凝土軌枕和新型材料軌枕的減振性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了諸多研究。趙振航等[6]采用落軸激勵(lì)試驗(yàn)和理論分析的方法，分析得出復(fù)合軌枕和彈性軌枕有砟軌道的動(dòng)力特性。Kaewunruen等[7]對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，得出預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的累積沖擊損傷和裂紋擴(kuò)展，以及預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕的合成彎矩與施加沖擊力間的關(guān)系。崔幼飛[8]對(duì)樹脂合成軌枕進(jìn)行了反復(fù)彎曲的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，得出樹脂合成軌枕的彎曲強(qiáng)度、豎向抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度等參數(shù)，同時(shí)測試了螺栓抗拔強(qiáng)度。

上述研究主要是針對(duì)傳統(tǒng)混凝土軌枕或新型材料軌枕的減振性能，但將多種軌枕放在相同試驗(yàn)工況下進(jìn)行對(duì)比研究的較少，難以評(píng)價(jià)不同材料軌枕的減振性能的差異。因此，本文建立軌枕減振測試試驗(yàn)臺(tái)，通過力錘敲擊試驗(yàn)和理論分析的方法，對(duì)比分析環(huán)氧樹脂材料軌枕、不飽和聚酯材料軌枕和傳統(tǒng)混凝土軌枕的頻響特性和阻尼比，為新型材料軌枕的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 軌枕減振性能測試試驗(yàn)

為更好地對(duì)比分析新型材料軌枕的減振性能，試驗(yàn)選擇了兩種新型材料軌枕和傳統(tǒng)混凝土軌枕，如圖1所示。為便于試驗(yàn)記錄和對(duì)比分析，將三種類型軌枕進(jìn)行編號(hào)，分別是1號(hào)環(huán)氧樹脂材料軌枕、2號(hào)不飽和聚酯材料軌枕和3號(hào)混凝土軌枕。環(huán)氧樹脂材料軌枕的成分是高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂、硬化劑和特種添加劑，經(jīng)過科學(xué)系統(tǒng)配置高純度、高強(qiáng)度礦物骨料填充物復(fù)配而成的混合物在模具中澆鑄而成。不飽和聚酯材料軌枕和環(huán)氧樹脂材料軌枕的成分區(qū)別是用不飽和聚酯代替高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂。傳統(tǒng)混凝土軌枕是地鐵中現(xiàn)在常用的混凝土軌枕。

在節(jié)約成本的前提下，為了得到環(huán)氧樹脂材料軌枕、不飽和聚酯材料軌枕和傳統(tǒng)混凝土軌枕的振動(dòng)特性，本文設(shè)計(jì)制造了軌枕減振測試試驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)由一根500 mm長的60 kg/mm鋼軌、一套DTVI2型扣件系統(tǒng)、不同類型軌枕、兩條尼龍繩和一根支架組成。為了更加真實(shí)地模擬現(xiàn)場軌道結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中，將鋼軌、扣件系統(tǒng)分別與試驗(yàn)用的三種類型軌枕裝配成整體。為了使三者整體處于自由狀態(tài)，通過尼龍繩和支架將三者整體懸吊在半空中。

為更真實(shí)地模擬現(xiàn)場鋼軌通過扣件系統(tǒng)向軌枕傳遞振動(dòng)的路徑，使用內(nèi)置了加速度傳感器的力錘在兩扣件中間鋼軌的軌頭頂部中心垂向、橫向敲擊，如圖3中①②所示。為測得力錘在垂向敲擊鋼軌時(shí)，不同類型軌枕的垂向加速度，在軌枕的底部安裝加速度傳感器，如圖3中1號(hào)面所示。為測得力錘在橫向敲擊鋼軌時(shí)，不同類型軌枕的橫向加速度，在軌枕的短側(cè)面安裝加速度傳感器，如圖3中2號(hào)面所示。

2 三種軌枕的頻響特性分析

通過軌枕減振性能測試試驗(yàn)，可以得到力錘激勵(lì)作為輸入的時(shí)域信號(hào)，以及力錘激勵(lì)下不同類型軌枕作為輸出的時(shí)域信號(hào)。為了得到力錘激勵(lì)下不同類型軌枕的頻響特性，將不同類型軌枕的輸出信號(hào)和與之對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)都經(jīng)過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT），然后將頻域下的輸出信號(hào)比輸入信號(hào)，得出的結(jié)果就是不同類型軌枕的頻響函數(shù)。

2.1 中低頻響特性分析

為得到鋼軌受力錘激勵(lì)下不同類型軌枕的垂向和橫向中低頻響特性，截取0～600 Hz區(qū)間的三種軌枕的頻響函數(shù)，結(jié)果如圖4所示。虛線框位置為共振頻率。

由圖4（a）可以看出，三種軌枕的垂向共振頻率無明顯差異，均在150～200 Hz之間。在該范圍內(nèi)，相比傳統(tǒng)混凝土軌枕，環(huán)氧樹脂材料軌枕的共振峰值更大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值更小。此外，在0～100 Hz和400～600 Hz之間，三種軌枕的振動(dòng)幅值無太大差異。在100～400 Hz之間，相比傳統(tǒng)混凝土軌枕，環(huán)氧樹脂材料軌枕的振動(dòng)幅值更大，不飽和聚酯材料軌枕的振動(dòng)幅值更小。

由圖4（b）可以看出，三種軌枕的橫向共振頻率無明顯差異，均在150～200 Hz和350～400 Hz之間。在150～200 Hz之間，相比傳統(tǒng)混凝土軌枕，環(huán)氧樹脂材料軌枕的共振峰值更大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值更小。在350～400 Hz之間，相比傳統(tǒng)混凝土軌枕，環(huán)氧樹脂材料軌枕的共振峰值更大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值相差不大。此外，在0～470 Hz之間，相比傳統(tǒng)混凝土軌枕，環(huán)氧樹脂材料軌枕的振動(dòng)幅值更大，不飽和聚酯材料軌枕的振動(dòng)幅值更小。在470～600 Hz之間，相比傳

統(tǒng)混凝土軌枕，環(huán)氧樹脂材料軌枕和不飽和聚酯材料軌枕的振動(dòng)幅值均更小，其中不飽和聚酯材料軌枕的振動(dòng)幅值最小。

2.2 中高頻響特性分析

為得到鋼軌受力錘激勵(lì)下不同類型軌枕的垂向和橫向中低頻響特性，截取600～3200 Hz區(qū)間的三種軌枕的頻響函數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）可知，三種軌枕的垂向共振頻率無明顯差異，均在1300～1500 Hz、2200～2400 Hz和2800～3000 Hz之間，且三種軌枕的共振峰值相差不大。此外，在600～3200 Hz之間，三種軌枕的振動(dòng)幅值無太大差異。

由圖5（b）可知，三種軌枕的橫向共振頻率無明顯差異，均在1300～1500 Hz、2200～2400 Hz和2800～3000 Hz之間。在1300～1500 Hz和2200～2400之間，相比傳統(tǒng)混凝土軌枕，環(huán)氧樹脂材料軌枕的共振峰值均相差不大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值更小。在2800～3000 Hz之間，三種軌枕的共振峰值相差不大。此外，在600～1300 Hz之間，相比傳統(tǒng)混凝土軌枕，多數(shù)情況下，環(huán)氧樹脂材料軌枕和不飽和聚酯材料軌枕的振動(dòng)幅值均更小，其中不飽和聚酯材料軌枕的振動(dòng)幅值最小。在1300～3200 Hz之間，相比傳統(tǒng)混凝土軌枕，多數(shù)情況下，環(huán)氧樹脂材料軌枕的共振峰值均相差不大，不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值更小。

根據(jù)上述三種軌枕的共振頻率和共振峰值對(duì)比分析可知，在低、中、高頻區(qū)間，對(duì)于軌枕的多數(shù)垂向共振頻率所對(duì)應(yīng)的共振峰，三種軌枕的共振頻率和共振峰值無明顯差異；對(duì)于軌枕的多數(shù)橫向共振頻率所對(duì)應(yīng)的共振峰，三種軌枕的共振頻率無明顯差異，但不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值最小。

3 三種軌枕的減振特性分析

在帶有扣件系統(tǒng)的情況下，鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌枕可以簡化為帶阻尼的單自由度系統(tǒng)的振動(dòng)模型。在此模型下，阻尼比可以表示彈簧上質(zhì)量塊振動(dòng)衰減的快慢程度，是具有代表性的減振特性參數(shù)。半功率法和自由振動(dòng)衰減法分別是頻域及時(shí)域辨識(shí)結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比的最基本方法[9]。由于不同測試方法所確定的阻尼比存在一定的差異性[10]，為更加準(zhǔn)確地測得三種軌枕的阻尼比，本文采用自由振動(dòng)衰減法和半功率法進(jìn)行阻尼比測試。

3.1 自由振動(dòng)衰減法

自由振動(dòng)衰減法是一種簡便易行的阻尼測量方法。粘性阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)曲線如圖6所示[11]。

由圖6可知：

3.4 半功率法測試結(jié)果

采用半功率法對(duì)三種軌枕的阻尼比進(jìn)行驗(yàn)證，測試結(jié)果如圖9所示。可以看出，環(huán)氧樹脂材料軌枕測得的阻尼比為0.582%，不飽和聚酯材料軌枕為1.73%，混凝土材料軌枕為0.475%。相比混凝土材料軌枕，環(huán)氧樹脂材料軌枕的阻尼比增大22.5%，不飽和聚酯材料軌枕的阻尼比增大2.6倍。

對(duì)比自由振動(dòng)衰減法，半功率法測得三種軌枕阻尼比的大小規(guī)律一致。兩種方法得出的共同結(jié)論是不飽和聚酯材料軌枕的阻尼比最大，其次是環(huán)氧樹脂材料軌枕的阻尼比，混凝土材料軌枕的阻尼比最小。

4 結(jié)論

通過力錘敲擊試驗(yàn)和數(shù)值分析的方法，得到兩種新型材料軌枕和傳統(tǒng)混凝土軌枕的頻響特性和減振特性。對(duì)比分析三種軌枕的頻響特性數(shù)據(jù)和阻尼比，得出以下結(jié)論：

（1）在低、中、高頻區(qū)間，對(duì)于軌枕的多數(shù)垂向共振頻率所對(duì)應(yīng)的共振峰，三種軌枕的共振頻率和共振峰值無明顯差異；對(duì)于軌枕的多數(shù)橫向共振頻率所對(duì)應(yīng)的共振峰，三種軌枕的共振頻率無明顯差異，但不飽和聚酯材料軌枕的共振峰值最小。

（2）自由振動(dòng)衰減法測得的三種軌枕的阻尼比大小規(guī)律為：不飽和聚酯材料軌枕的阻尼比最大，其次是環(huán)氧樹脂材料軌枕的阻尼比，混凝土材料軌枕的阻尼比最小。

（3）半功率法測得的三種軌枕的阻尼比大小規(guī)律和自由振動(dòng)衰減法一致。驗(yàn)證了環(huán)氧樹脂材料軌枕和不飽和聚酯材料軌枕的減振特性要優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土軌枕。

（4）基于三種軌枕的頻響特性和減振特性結(jié)論，相比其他兩種軌枕，不飽和聚酯材料軌枕具有更大的應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2022-08-17

基金項(xiàng)目：四川省區(qū)域創(chuàng)新合作項(xiàng)目（2020YFQ0024）

作者簡介：趙鑫江（1998－），男，江西余干人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩嗆夑P(guān)系，E-mail：ZHAOXinjiang1998@163.com。*通訊作者：何大智（1977－），男，重慶萬州人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)樵囼?yàn)技術(shù)、裝備質(zhì)量管理等，E-mail：183303308@qq.com。