上部鎖緊式雙非扣件直曲線應用效果分析

方顯顯，張 帆，王志強，王金朝，郭正揚

(1.洛陽市軌道交通集團有限責任公司,河南 洛陽 471023;2.中國船舶集團有限公司第七二五研究所 洛陽雙瑞橡塑科技有限公司,河南 洛陽 471023)

0 引言

近年來,隨著城市軌道交通運行線路的迅猛發展,越來越多的振動噪聲問題涌現出來。地鐵運行線路附近的居民區、醫院、學校等敏感點對振動噪聲幅值有著較高的要求,這就促使軌道減振扣件應運而生[1-6]。

全球學者針對各種城軌運營條件展開了多種減振降噪方面研究。楊巧云等[7]通過錘擊法對比了Ⅲ型減振器與上部鎖緊式雙層非線性減振扣件在鋼軌垂、橫兩方向上的頻響特性,驗證了上部鎖緊式雙層非線性減振扣件的減振性能。王銳[8]針對橡膠隔振器的參數設計進行研究,并詳細分析其動力性能。高曉剛等[9]通過實驗,對比分析了三種不同減振扣件在列車正常運營中的橫向振動效果。

本文采用現場試驗的方法,分別在直線和曲線線路中選取采用上部鎖緊式雙非扣件(下文簡稱為雙非扣件)的斷面以及TSD1型普通扣件(下文簡稱為普通扣件)斷面進行振動噪聲測試,從而得到雙非扣件在直線和曲線線路中的振動特性及現場減振效果。

1 軌道扣件系統

普通扣件靜剛度約20 kN/mm～40 kN/mm,動靜比約1.6。采用e型彈條,單個彈條扣壓力為8.25 kN,彈程10.5 mm,扣件調高量為30 mm,軌距調整量為-12 mm～+8 mm,扣件的絕緣電阻值不小于108 Ω。

雙非扣件靜剛度約12 kN/mm～18 kN/mm,其原理是通過雙層非線性彈性墊板系統來達到減小垂向剛度、增大隔振性能的目的。雙非扣件中的雙層非線性彈性墊板基于“非線性高扭抗減振墊板”設計,能夠在可允許的鋼軌變形范圍內減小垂向靜剛度,其垂向靜剛度最小能夠達到5 kN/mm(見圖1)。

2 測試區間概括與方法介紹

2.1 測試區間

洛陽地鐵1號線部分區間安裝雙非扣件。為了評估該區間減振措施的振動特性,對車輛在正常運行狀態對相應軌道系統的振動效果進行測試(見圖2)。測試分為直線段和曲線段,分別在周王城廣場至應天門,測點位置K14+830處;青年宮至夾馬營,測點位置K18+835處;七里河至王城公園,測點位置K11+780處;夾馬營至啟明南路,測點位置K19+640處。其中前兩區間為直線段,后兩區間線路狀況均為曲線段。兩曲線區間的線路半徑均為350 m,列車通過四個測試區間的運行速度均為65 km/h。測試內容主要包括鋼軌振動、道床振動、隧道壁振動、隧道內噪聲。

2.2 實驗及數據處理方法

在各測試斷面上布置5個測點,分別為左軌垂向振動、右軌垂向振動、道床垂向振動、隧道壁垂向振動以及隧道內噪聲。其中,鋼軌測點位于兩扣件跨度1/2截面處的軌底;道床測點位于道床中心;隧道壁測點位于距軌面垂直高度1.25 m處;噪聲測點位于距軌面垂直高度1.25 m處的隧道壁上。在列車正常運行的條件下進行在線測試,測試斷面采集一整天列車運行數據,各選取其中的30組實驗數據進行振動噪聲分析。

數據處理方法根據GB 10071—88城市區域環境振動測量方法以及CJJ/T 191—2012浮置板軌道技術規范。將普通整體道床與減振軌道隧道壁鉛垂向最大Z振級之差作為減振效果,其計算方法見式(1):

(1)

其中,a2為減振軌道的響應;a2R為普通整體道床的響應。

3 直線段減振效果分析

直線段普通扣件與雙非扣件的鋼軌垂向振動1/3倍頻程對比圖分別如圖3,圖4所示。分析頻段為0 Hz～2 000 Hz[10]。

由圖3和圖4可知,普通扣件與雙非扣件的鋼軌垂向振動在0 Hz～2 000 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,在100 Hz～2 000 Hz頻段內振幅較大,其中普通扣件在400 Hz處出現峰值,雙非扣件在160 Hz處出現峰值。

直線段普通扣件與雙非扣件的道床和隧道壁振動1/3倍頻程對比圖分別如圖5,圖6所示。采用Z計權[11],分析頻段為4 Hz～200 Hz。

由圖5可知,普通扣件與雙非扣件的道床垂向振動在0 Hz～400 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,在25 Hz～400 Hz頻段內雙非扣件振幅大于普通扣件,普通扣件在40 Hz處出現峰值,雙非扣件在31.5 Hz處出現峰值。由圖6可知,普通扣件與雙非扣件隧道壁垂向振動在0 Hz～400 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,在40 Hz～400 Hz頻段內普通扣件振幅大于雙非扣件,普通扣件在40 Hz處出現峰值,雙非扣件在31.5 Hz處出現峰值。

雙非扣件相較于普通扣件,能夠有效降低峰值頻率下的振動峰值,該頻率由列車通過時對軌道系統進行受迫振動所產生,與系統自身共振頻率無關。

直線段普通扣件與雙非扣件的隧道內噪聲1/3倍頻程對比圖如圖7所示。采用A計權,分析頻段為10 Hz～2 000 Hz。

由圖7可知,普通扣件與雙非扣件的隧道內噪聲在10 Hz～2 000 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,在10 Hz～315 Hz頻段內雙非扣件聲壓級大于普通扣件,普通扣件與雙非扣件聲壓級均在630 Hz處出現峰值。

直線段各測點實驗數值如表1所示。

表1 直線段各測點實驗數值

由表1可知,普通扣件隧道壁垂向振幅為84.8 dB(Z),隧道內噪聲為105.9 dB(A)。雙非扣件隧道壁垂向振幅為81.1 dB(Z),隧道內噪聲為103.2 dB(A)。雙非扣件隧道壁垂向振幅比普通扣件小6.7 dB(Z),隧道內噪聲比普通扣件小2.7 dB(A)。雙非扣件在直線中具有較好的減振降噪效果。

4 曲線段減振效果分析

曲線段普通扣件與雙非扣件的鋼軌垂向振動1/3倍頻程對比圖分別如圖8,圖9所示。曲線段中左軌為低軌,右軌為高軌。分析頻段為0 Hz～2 000 Hz。

由圖8和圖9可知,普通扣件與雙非扣件的鋼軌垂向振動在0 Hz～2 000 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,在100 Hz～2 000 Hz頻段內振幅較大,其中普通扣件在400 Hz 處出現峰值,雙非扣件在630 Hz處出現峰值。

曲線段普通扣件與雙非扣件道床及隧道壁振動1/3倍頻程對比圖分別如圖10,圖11所示。采用Z計權,分析頻段為4 Hz～200 Hz。

由圖10可知,在0 Hz～50 Hz頻段內雙非扣件的道床垂向振動大于普通扣件,普通扣件與雙非扣件均在40 Hz 處出現峰值。由圖11可知,普通扣件與雙非扣件的隧道壁垂向振動在0 Hz～400 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,且普通扣件振幅大于雙非扣件,普通扣件與雙非扣件均在40 Hz處出現峰值。

曲線段普通扣件與雙非扣件的隧道內噪聲1/3倍頻程對比圖如圖12所示。采用A計權,分析頻段為10 Hz～2 000 Hz。

由圖12可知,普通扣件與雙非扣件的隧道內噪聲在10 Hz～2 000 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,且普通扣件聲壓級大于雙非扣件,普通扣件聲壓級在400 Hz處出現峰值,雙非扣件聲壓級在630 Hz處出現峰值。

曲線段各測點實驗數值如表2所示。

表2 曲線段各測點實驗數值

由表2可知,普通扣件隧道壁垂向振幅為86.5 dB(Z),隧道內噪聲為113.4 dB(A)。雙非扣件隧道壁垂向振幅為79.5 dB(Z),隧道內噪聲為105.7 dB(A)。雙非扣件隧道壁垂向振幅比普通扣件小7.0 dB(Z),隧道內噪聲比普通扣件小7.7 dB(A)。雙非扣件在曲線中具有較好的減振降噪效果。

由雙非扣件在直曲線減振效果可知,曲線段減振效果優于直線段。分析可知,列車運行至直線段與曲線段時,由于其承載量、線路曲線半徑、離心力等因素不同,從而對兩者的沖擊不同。列車經過該曲線段的輪軌沖擊大于直線段,雙非扣件中的橡膠墊轉化較多沖擊動能,故其減振效果優于直線段。

5 結論

本文通過現場測試,分別在直線和曲線線路中選取采用雙非扣件的斷面以及普通扣件斷面進行振動噪聲測試,從而得到雙非扣件在直線和曲線線路中的振動特性及現場減振效果,得到以下結論:

1)直線段測試中,雙非扣件隧道壁垂向振幅比普通扣件小6.7 dB(Z),隧道內噪聲比普通扣件小2.7 dB(A)。在曲線段測試中,雙非扣件隧道壁垂向振幅比普通扣件小7.0 dB(Z),隧道內噪聲比普通扣件小7.7 dB(A)。雙非扣件在直線和曲線中均具有較好的減振降噪效果。2)直線和曲線段測試中,隧道壁垂向振動在0 Hz～400 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,且普通扣件振幅大于雙非扣件,普通扣件與雙非扣件均在40 Hz附近產生峰值,雙非扣件能夠有效降低振動峰值,從而達到減振目的。3)直線和曲線段測試中,普通扣件與雙非扣件的隧道內噪聲在10 Hz～2 000 Hz頻段內頻譜趨勢較為一致,且普通扣件聲壓級大于雙非扣件,普通扣件與雙非扣件均在630 Hz附近產生峰值,雙非扣件能夠有效降低噪聲峰值,從而達到降噪目的。