剪切型減振器扣件工作性能及改進(jìn)

吳宗臻，劉維寧，張厚貴

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剪切型減振器扣件工作性能及改進(jìn)

吳宗臻1, 2，劉維寧1，張厚貴1

(1. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京，100044；2. 中國鐵道科學(xué)研究院城市軌道交通中心，北京，100081)

剪切型減振器扣件減振性能良好，廣泛應(yīng)用于城市軌道交通線路，但在減振器扣件區(qū)段發(fā)生較為嚴(yán)重的鋼軌異常波磨。在300 Hz頻段減振器軌道振動加速度存在較大峰值帶，發(fā)生輪軌強(qiáng)烈共振；在200~350 Hz頻段，減振器扣件軌道系統(tǒng)的阻尼比很小，動剛度在300 Hz存在波谷。同時(shí)，振動加速度頻域分布、行車速度和波磨特征波長具有高度相關(guān)性，所以，在300 Hz頻段的輪軌共振是產(chǎn)生異常波磨的主要原因。針對此問題，提出通過安裝調(diào)頻鋼軌阻尼器(TRD)的方案改善軌道動力特性，并進(jìn)行安裝前后的實(shí)驗(yàn)室動力特性測試。研究結(jié)果表明：安裝TRD能夠改善Ⅲ型減振器軌道的動力特性，調(diào)節(jié)頻率，提高阻尼，降低工作頻率，改善軌道的減振性能。本方案可以作為地鐵線上整治異常波磨的有效方法。

地鐵；剪切型減振器；減振性能；異常波磨；調(diào)頻鋼軌阻尼器

城市軌道交通系統(tǒng)的快速發(fā)展在極大地緩解交通壓力的同時(shí)，也產(chǎn)生了一系列的環(huán)境振動和二次噪聲問題[1]。為了減小地鐵列車運(yùn)行對周圍環(huán)境的振動影響，不同減振級別的軌道減振產(chǎn)品[2?4]得到了廣泛應(yīng)用。剪切型減振器扣件[5]作為一種中等減振等級設(shè)備(常用型號包括Ⅲ型減振器、Ⅳ型減振器等)廣泛應(yīng)用于北京地鐵各線減振區(qū)段[6?7]。但是，隨著近年來北京地鐵新線開通運(yùn)營，調(diào)查顯示采用剪切型減振器扣件的區(qū)段產(chǎn)生了較嚴(yán)重且有規(guī)律的異常波磨現(xiàn)象[8]。針對這一問題，亟需尋求相應(yīng)的整治措施，尋求滿足減振措施與波磨治理相平衡的應(yīng)對方法。為此，本文作者首先在鋪設(shè)剪切型減振器的運(yùn)營線路上測試和分析其工作性能及模態(tài)特性，在此基礎(chǔ)上提出采用安裝調(diào)頻鋼軌阻尼器(TRD)的應(yīng)對措施，并通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對這一措施的效果進(jìn)行測試評估。

1 剪切型減振器扣件振源測試

為了研究剪切型減振器扣件的各頻段的減振性能，以Ⅲ型減振器為代表，選取北京地鐵某線路對列車經(jīng)過的振源加速度進(jìn)行現(xiàn)場測試。加速度測點(diǎn)布置在鋼軌、道床和隧道壁處，如圖1所示。測試斷面地鐵列車行車速度為60 km/h。振動測試采用INV3018C型24位高精度數(shù)據(jù)采集儀以及Lance系列高精度壓電式加速度傳感器，數(shù)據(jù)采樣及分析軟件為Coinv DASP V10。對測試斷面記錄至少30次列車經(jīng)過的加速度時(shí)程，從中選取至少6組效果較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并采用濾波處理。

單位：mm

1.1 剪切型減振器減振性能分析

1/3倍頻程譜能夠很好地體現(xiàn)振動頻率帶寬的能量分布情況[9]，根據(jù)1/3倍頻程譜中各頻帶振動的能量分布，可以評價(jià)剪切型減振器在各頻段的減振性能。

圖2所示為Ⅲ型減振器軌道同一斷面處的鋼軌、道床、隧道壁測點(diǎn)的1/3倍頻程譜。由圖2可以看出：在0~1 000 Hz的整個(gè)頻段內(nèi)，鋼軌和道床振動加速度級傳遞損失為30~40 dB，對地鐵振動有較強(qiáng)的衰減作用。

1—鋼軌；2—道床；3—隧道壁。

相對于普通DTⅦ2軌道的隧道壁加速度級插入損失可以用來評價(jià)減振軌道的減振性能[10]，插入損失計(jì)算方法如下式所示：

其中：IL為插入損失；1為普通DTⅦ2軌道的隧道壁振動加速度級；2為減振軌道(Ⅲ型減振器)的隧道壁振動加速度級。

圖3所示為Ⅲ型減振器相對與普通DTⅥ2軌道的插入損失，量值大于0對應(yīng)減振發(fā)揮作用的頻段。從圖3可以看出：Ⅲ型軌道減振器的工作頻率在40 Hz以上，隨著頻率增加，其減振效果逐漸提高，最高達(dá)18 dB。這表明Ⅲ型減振器對振動的衰減效果顯著，可以有效隔離振動向道床及隧道壁的傳遞，具有較好的減振特性。

圖3 Ⅲ型減振器隧道壁振動加速度級插入損失

1.2 振動加速度頻譜分析

各測點(diǎn)的振動加速度頻譜如圖4~5所示。從圖4~5可以看出：鋼軌的振動響應(yīng)譜帶較寬，集中在0~1 000 Hz，道床振動加速度譜集中在0~800 Hz。Ⅲ型減振器軌道鋼軌與道床的響應(yīng)譜在300 Hz左右同時(shí)存在振動峰值，出現(xiàn)能量聚集現(xiàn)象。這說明此峰值是由車輛和軌道扣件系統(tǒng)共同作用產(chǎn)生后，由減振器傳遞到道床。

圖4 Ⅲ型減振器斷面鋼軌測點(diǎn)振動加速度頻譜

圖5 Ⅲ型減振器斷面道床測點(diǎn)振動加速度頻譜

圖6所示為是Ⅲ型減振器軌道和DTⅥ2扣件軌道的鋼軌加速度頻譜的對比。從圖6可以看出：Ⅲ型減振器在該頻段振動能量是DTⅥ2扣件的20倍以上，說明Ⅲ型減振器軌道區(qū)間的車輛與軌道結(jié)構(gòu)在300 Hz頻段發(fā)生了強(qiáng)烈的共振作用。

1—DTⅥ2扣件軌道；2—Ⅲ型減振器軌道。

2 剪切型減振器軌道系統(tǒng)模態(tài)測試

通過現(xiàn)場脈沖激勵(lì)法模態(tài)測試得到了Ⅲ型減振器扣件軌道系統(tǒng)的阻尼比、動剛度等動力特性指標(biāo)。

圖7所示為為軌道系統(tǒng)的各階模態(tài)阻尼比擬合曲線。由圖7可以看出：Ⅲ型減振器扣件軌道系統(tǒng)的低階阻尼比高，高階阻尼比低。在200~350 Hz頻段，其阻尼比基本在2%以下，說明輪軌在此頻段產(chǎn)生的共振能量無法通過扣件系統(tǒng)的阻尼得到衰減，在地鐵列車的激發(fā)下導(dǎo)致鋼軌有脫離扣件系統(tǒng)的約束進(jìn)行自由振動的趨勢。這也是在波磨嚴(yán)重區(qū)段發(fā)現(xiàn)扣件松脫、斷裂的原因。

圖7 Ⅲ型減振器軌道系統(tǒng)阻尼比

圖8所示為軌道系統(tǒng)的動剛度曲線。由圖8可以看出：與傳統(tǒng)的DTⅥ2軌道的光滑的動剛度曲線不同，Ⅲ型減振器軌道的動剛度隨著頻率的增加出現(xiàn)較大的波動。而且在300 Hz存在波谷，表明在此頻段其動剛度較小，則在相同的振源激勵(lì)下，此頻段處振動量較大，而且此頻段的阻尼比也較低，所以，該頻段的振動能量較大而且不能得到有效衰減，形成了嚴(yán)重的波磨現(xiàn)象。

1—Ⅲ型減振器扣件；2—DTⅥ2扣件。

3 剪切型減振器鋼軌異常波磨原因分析

現(xiàn)場調(diào)查表明，Ⅲ型減振器區(qū)段的在300 Hz左右的輪軌共振現(xiàn)象引發(fā)了嚴(yán)重的鋼軌異常波磨現(xiàn)象[8]，如圖9所示。

圖9 鋼軌異常波磨

根據(jù)波磨產(chǎn)生的固定波長機(jī)理[11]，共振頻率、行車速度和波磨特征波長具有高度相關(guān)性：

其中：為車軌共振頻率；為行車速度；為波磨特征波長。

鋼軌異常波磨的特征波長為50~60 mm，該區(qū)段行車速度為60 km/h，根據(jù)式(2)得到的特征頻率恰好處于300 Hz左右，與振源加速度測試的共振頻段相符合，說明Ⅲ型減振器區(qū)段的輪軌接觸共振是產(chǎn)生異常波磨的主要原因。

4 剪切型減振器區(qū)段異常波磨治理措施

4.1 調(diào)頻鋼軌阻尼器

針對輪軌共振型波磨，整治的思路為在不影響軌道減振量和行車安全的前提下，調(diào)節(jié)其頻率及阻尼特性。因此，選擇安裝調(diào)頻鋼軌阻尼器(TRD)作為改進(jìn)減振器扣件工作性能的方案，如圖10所示。TRD是一種具有阻尼特性的質(zhì)量?彈簧諧振系統(tǒng)，它的作用是可以加快振動波在鋼軌中傳播的衰減，降低鋼軌振動的平均能量，抑制輪軌在200~300 Hz共振能量在鋼軌上的傳播，從而達(dá)到減緩波磨發(fā)展的目的。目前，TRD已經(jīng)在國際多條線上用于減振降噪。

圖10 調(diào)頻鋼軌阻尼器示意圖

4.2 實(shí)驗(yàn)室動力特性測試

根據(jù)提出的整治方案在北京交通大學(xué)“軌道減振綜合實(shí)驗(yàn)平臺”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取一段Ⅲ型減振器軌道安裝調(diào)頻鋼軌阻尼器，如圖11所示，與未安裝TRD的Ⅲ型減振器軌道進(jìn)行動力特性錘擊實(shí)驗(yàn)對比研究。

圖11 安裝有TRD的Ⅲ型減振器軌道

振動沿鋼軌縱向傳遞的特性直接影響鋼軌振動控制的程度，國內(nèi)暫無指標(biāo)評價(jià)，所以，選用歐洲規(guī)范BS EN 15461:2008+A1:2010[12]推薦的指標(biāo)鋼軌振動衰減率(R)進(jìn)行評價(jià)。各中心頻率點(diǎn)處的R計(jì)算式為

其中：為錘擊點(diǎn)的編號；(x)為第個(gè)錘擊點(diǎn)錘擊時(shí)第0點(diǎn)處的響應(yīng)；Δx為第個(gè)錘擊點(diǎn)到第0點(diǎn)的距離。

鋼軌振動衰減率R反映了鋼軌振動沿鋼軌縱向傳遞的變化率，以dB/m為單位，在1/3倍頻程上描述鋼軌振動的衰減特性。

整治措施在改變軌道系統(tǒng)頻率和阻尼特性的同時(shí)，還不能降低減振扣件的減振性能。所以針對安裝TRD前后的Ⅲ型減振器軌道，用與普通DTⅥ2扣件軌道的1/3倍頻程下的振動加速度級插入損失來評價(jià)其減振性能。

4.3 動力測試結(jié)果分析

圖12所示為安裝TRD前后的Ⅲ型減振器軌道的振動加速度頻響函數(shù)的測試結(jié)果對比。由圖12可以看出：Ⅲ型減振器軌道在300 Hz左右存在頻響峰值，而該頻段也正是異常波磨發(fā)生的輪軌共振頻段。該頻段的較高頻響峰值說明Ⅲ型減振器在該頻段的阻尼較小，控制振動的能力較弱，這與線上振源測試的結(jié)果相符。而安裝TRD后，軌道系統(tǒng)的頻響函數(shù)峰值降低且向低頻移動，整體曲線更加平滑，尤其是300 Hz處的峰值也已經(jīng)移開。因此，安裝TRD可以改善Ⅲ型減振器軌道的動力特性，有效避開300 Hz的輪軌共振的頻段，延緩異常波磨的發(fā)展。

1—安裝TRD的Ⅲ型減振器軌道；2—普通Ⅲ型減振器軌道。

圖13所示為安裝TRD前后的Ⅲ型減振器軌道的鋼軌振動衰減率的對比結(jié)果。由圖13可以看出：在160~4 000 Hz全頻帶內(nèi)衰減率都有很大提高，尤其是在300 Hz左右的頻段，提升量很大，達(dá)到0.7 dB/m，比未安裝時(shí)提升了7倍，表明安裝TRD對控制鋼軌振動有顯著的效果。

1—普通Ⅲ型減振器軌道；2—安裝TRD的Ⅲ型減振器軌道。

另外，安裝TRD改善了軌道系統(tǒng)的動力特性，但也不能過多地影響到固有的減振性能。圖14所示為安裝TRD前后Ⅲ型減振器軌道系統(tǒng)的道床測點(diǎn)的振動加速度級插入損失量。由圖14可以看出：在60~80 Hz處的極小值點(diǎn)明顯前移，反映出安裝TRD后的Ⅲ型減振器軌道系統(tǒng)的自振頻率降低。在Ⅲ型減振器工作頻段，安裝TRD后的插入損失曲線基本都在安裝前的曲線上部，說明安裝TRD可以提高軌道系統(tǒng)的減振量。

1—普通Ⅲ型減振器軌道；2—安裝TRD的Ⅲ型減振器軌道。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明：安裝TRD改善了Ⅲ型減振器軌道的動力特性，調(diào)節(jié)了頻率和阻尼特性，并且改善了軌道的減振性能。由于實(shí)驗(yàn)室測試僅有24 m長鋼軌，僅用于定性分析，本改進(jìn)措施的定量分析有待線上實(shí)驗(yàn)研究。

5 結(jié)論

1) III型減振器減振效果較好，但在300 Hz頻段動剛度和阻尼比小，能量在該頻段發(fā)生集中現(xiàn)象。輪軌共振是引起鋼軌異常波磨的主要原因。

2) 針對異常波磨，提出通過安裝調(diào)頻鋼軌阻尼器(TRD)來改善其工作性能。安裝TRD能夠改善Ⅲ型減振器軌道的動力特性，調(diào)節(jié)頻率，提高阻尼，降低工作頻率，改善軌道的減振性能。本方案可以作為地鐵線上整治異常波磨的有效方法。

[1] 夏禾, 曹艷梅. 軌道交通引起的環(huán)境振動問題[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 1(1): 44?51. XIA He, CAO Yanmei. Problem of railway traffic induced vibration of environments[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2004, 1(1): 44?51.

[2] 王文斌, 劉維寧, 賈穎絢, 等. 更換減振扣件前后地鐵運(yùn)營引起地面振動的研究[J]. 中國鐵道科學(xué), 2010, 31(1): 25?29. WANG Wenbin, LIU Weining, JIA Yingxuan, et al. Research on the vibration of the g round caused by metro train operation before and after changing the damping fasteners[J]. Journal of China Railway Science, 2010, 31(1): 25?29.

[3] 張寶才, 徐禎祥. 螺旋鋼彈簧浮置板隔振技術(shù)在城市軌道交通減振降噪上的應(yīng)用[J]. 中國鐵道科學(xué), 2002, 23(3): 68?71. ZHANG Baocai, XU Zhenxiang. Applications of the steel spring floating track bed for vibration and noise control in urban rail traffic[J]. Journal of China Railway Science, 2002, 23(3): 68?71.

[4] 王文斌, 劉維寧, 馬蒙, 等. 梯形軌道系統(tǒng)動力特性及減振效果試驗(yàn)研究[J]. 中國鐵道科學(xué), 2010, 31(2): 24?28. WANG Wenbin, LIU Weining, MA Meng, et al. Experimental study on the dynamic characteristics and the vibration mitigation effect of ladder track system[J]. Journal of China Railway Science, 2010, 31(2): 24?28.

[5] 吳建忠. Ⅲ型軌道減振器扣件的設(shè)計(jì)與研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 2009: 8?18. WU Jianzhong. Design and research of III-type track damper fastener[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2009: 8?18.

[6] 李克飛, 劉維寧, 孫曉靜, 等. 北京地鐵5號線高架線減振措施現(xiàn)場測試與分析[J]. 中國鐵道科學(xué), 2009, 30(4): 87?92. LI Kefei, LIU Weining, SUN Xiaojing, et al. In-situ test and analysis on the vibration mitigation measures of the elevated line in Beijing Metro Line 5[J]. Journal of China Railway Science, 2009, 30(4): 87?92.

[7] 李克飛, 劉維寧, 孫曉靜, 等. 北京地鐵5號線地下線減振措施現(xiàn)場測試與分析[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2011, 33(4): 112?118. LI Kefei, LIU Weining, SUN Xiaojing, et al. In-situ test of vibration attenuation of underground line of Beijing Metro Line 5[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(4): 112?118.

[8] 劉維寧, 任靜, 劉衛(wèi)豐, 等. 北京地鐵鋼軌波磨測試分析[J]. 都市快軌交通, 2011, 24(3): 6?9. LIU Weining, REN Jing, LIU Weifeng, et al. In-situ tests and analysis on rail corrugation of Beijing Metro[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2011, 24(3): 6?9.

[9] 陳孝良, 程曉斌, 葉青華, 等. 基于GPU的多通道倍頻程并行算法研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2010, 31(7): 1674?1680. CHEN Xiaoliang, CHENG Xiaobin, YE Qinghua, et al. Study on parallel algorithm of multi-channel octave analysis based on GPU[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2010, 31(7): 1674?1680.

[10] 吳永芳. 軌道減振效果系統(tǒng)評價(jià)方法研究[J]. 中國鐵道科學(xué), 2013, 34(3): 1?6. WU Yongfang. Investigation into the evaluation method for vibration damping effect of track systems[J]. Journal of China Railway Science, 2013, 34(3): 1?6.

[11] GRASSIE S L. Rail corrugation: characteristics, causes and treatments[J]. Proc IMechE. part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2009, F(223): 581?595.

[12] British Standard, BS EN 15461:2008+A1:2010. Railway applications-noise emission-characterization of the dynamic properties of track selections for pass by noise measurements[S].

Performance and improvement of shear-type damper fastener

WU Zongzhen1, 2, LIU Weining1, ZHANG Hougui1

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Urban Rail Transit Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

As a well-working fastener type, shear-type damper fastener is applied widely in metro lines. But serious rail corrugation happens at the shear-type damper fastener section on metro line. Energy aggregation phenomenon of rail acceleration vibration exists around 300 Hz; the damping ratio is as low as around 200?350 Hz and there exists wave trough at 300 Hz in the dynamic stiffness curve. Vibration characteristic frequency, vehicle speed and corrugation characteristic wavelengths are highly correlated. So the wheel-rail resonance at 300 Hz is the main reason of rail corrugation. A method of installing tuned rail damper (TRD) was presented to improve track dynamic characteristics and lab measurements were finished. The results show that installation of TRD can improve the dynamic characteristics of track system, adjust frequency, improve damping, reduce work frequency and improve vibration-reduced performance. This method is an effective way to solve the problem of rail corrugation on metro line.

metro; shear-type damper fastener; vibration-reduced performance; rail corrugation; tuned rail damper

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.047

U213.2

A

1672?7207(2016)09?3258?06

2015?10?14；

2015?12?25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278043，51378001) (Projects((51278043, 51378001) supported by the National Natural Science Foundation of China)

吳宗臻，博士，從事城市軌道交通減振措施及環(huán)境振動預(yù)測研究；E-mail: wzzlogos@hotmail.com

(編輯 陳愛華)