低速工況下浮軌扣件減振降噪及鋼軌波磨分析

徐 寧，王 崗，張用兵，王志強(qiáng)，段勇奇

（1.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471003；2.昆明軌道交通集團(tuán)有限公司 總工程師室，昆明 650011）

隨著城市人口規(guī)模和汽車保有量的增加，交通擁堵及其噪聲污染等問題是國內(nèi)各大城市所面臨的重要問題，而城市軌道交通運(yùn)量大、安全可靠、運(yùn)行準(zhǔn)時(shí)、不占用地面交通等優(yōu)點(diǎn)，使其得到迅猛發(fā)展。

鋼軌波磨是在列車運(yùn)營過程中沿鋼軌縱向產(chǎn)生的一種規(guī)則化磨耗，其主要特點(diǎn)是波磨波長基本固定。波磨導(dǎo)致輪軌間作用力急劇增加，使車輛和軌道系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，縮短車輛和軌道結(jié)構(gòu)零部件的使用壽命，惡化車內(nèi)聲環(huán)境，使乘客有不舒適感，同時(shí)振動(dòng)傳遞至軌道周邊的建筑物會(huì)產(chǎn)生惡劣的振動(dòng)和二次輻射噪聲，影響人們的正常生活。鋼軌波磨一旦出現(xiàn)，則無法根治，即使采取打磨等措施，運(yùn)營一段時(shí)間后波磨再次出現(xiàn)，因此波磨是鐵路交通領(lǐng)域的世界性難題之一。對(duì)于波磨形成和發(fā)展，一種研究結(jié)果表明不連續(xù)支撐對(duì)波磨產(chǎn)生和發(fā)展有著重要的影響，即Pinned-Pinned共振頻率[1–5]。通常情況下，人們根據(jù)地鐵運(yùn)營環(huán)境、線路工況、軌道結(jié)構(gòu)等情況，通過改變軌下結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)軌道參數(shù)，來治理鋼軌波磨和減振降噪。

昆明地鐵一號(hào)線火車站站至福德站區(qū)間在運(yùn)營中由于軌道系統(tǒng)特性和鋼軌波磨綜合原因，造成車內(nèi)噪聲異常，影響了區(qū)間上方居民的正常生活。為解決上述問題，首先將列車運(yùn)行時(shí)速降至30 km/h，并采用浮軌扣件對(duì)上下行線路進(jìn)行改造。本文分別于上行線改造前后測試分析采用浮軌扣件改造后列車在低速狀況下軌道系統(tǒng)安全性能、振動(dòng)、波磨、車內(nèi)振動(dòng)及噪聲、敏感建筑物振動(dòng)和二次輻射噪聲等變化情況。

1 線路工況及扣件系統(tǒng)

1.1 線路工況

該區(qū)間線路更換前上行線DK14+360-DK14+460、下行線DK14+370-DK14+470為中等減振扣件，其它為單趾彈簧普通扣件，更換后上下行線DK14+240-DK14+566為浮軌扣件，其它為單趾彈簧普通扣件。地面敏感建筑物（銀海領(lǐng)域小區(qū)7號(hào)樓二樓某室）、改造前普通扣件測點(diǎn)DK14+560、中等減振扣件測點(diǎn)DK14+410和改造后浮軌扣件測點(diǎn)DK14+410均在上行線上，如圖1所示。該區(qū)間線路為圓曲線段圓形地下隧道，曲線半徑為330 m。

圖1 線路及敏感建筑物示意圖

1.2 線路扣件系統(tǒng)

普通扣件剛度為65 kN/mm，中等減振扣件剛度為18 kN/mm，浮軌扣件剛度為6.7 kN/mm。圖2為改造后線路狀態(tài)。

2 測試項(xiàng)目及設(shè)備

2.1 測試項(xiàng)目

測試主要包括鋼軌垂向變形、鋼軌垂向振動(dòng)、道床垂向振動(dòng)、隧道壁垂向振動(dòng)、波磨測試、車內(nèi)振動(dòng)及噪聲測試、敏感建筑物振動(dòng)及二次輻射噪聲測試。其中軌道變形和振動(dòng)測點(diǎn)均位于相鄰倆扣件的1/2處的截面處，如圖3所示。

2.2 測試設(shè)備

線路測試設(shè)備主要有：NI采集儀、PCB公司352C03和393A03型加速度計(jì)、CAT波磨采集儀。車內(nèi)和敏感建筑物測試設(shè)備主要有：NI-USB6212采集儀、PCB公司426A11型傳聲器、393B12型加速度計(jì)。

3 測試分析結(jié)果

3.1 鋼軌垂向變形分析

分別選取早、中、晚三個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算可得列車分別通過普通扣件、中等減振扣件和浮軌扣件測點(diǎn)的時(shí)速分別為29.1 km/h、28.4 km/h和29.0 km/h。三種扣件區(qū)間上車速一致，其測試數(shù)據(jù)無需修正。變形測試結(jié)果如表1所示，其中負(fù)值代表鋼軌下沉變形。

表1 鋼軌垂向變形/mm

表1中普通扣件區(qū)間內(nèi)鋼軌下沉量最小，為0.33 mm，浮軌扣件區(qū)間內(nèi)鋼軌下沉量最大，為1.73 mm；變形量的大小體現(xiàn)減振能力，但變形量過大則影響行車安全，該處所有扣件區(qū)間內(nèi)鋼軌變形均低于國家鐵路線路維修I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[（7]8 mm），測試數(shù)據(jù)表明浮軌扣件在列車低速運(yùn)行過程中具有較好的安全性能。

3.2 軌道系統(tǒng)振動(dòng)分析

3.2.1 鋼軌振動(dòng)分析

圖2 改造后浮軌扣件軌道系統(tǒng)

圖3 線路測試現(xiàn)場

圖4 鋼軌振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

圖4中僅普通扣件區(qū)間鋼軌受鋼軌波磨影響，在63 Hz處有共振峰，共振頻率與車速關(guān)系為f=v/λ，浮軌扣件低軌在160 Hz～2 500 Hz頻段、高軌在100 Hz～500 Hz和1 000 Hz～2 500 Hz頻段振動(dòng)大于普通扣件相應(yīng)振動(dòng)，表明浮軌扣件能夠?qū)⒃擃l帶內(nèi)的能量隔斷于道床。

從表2可知，對(duì)于鋼軌速度總振動(dòng)級(jí)，浮軌扣件最高，普通扣件最低，結(jié)合表1和向心力理論可知，車低速經(jīng)過曲線段時(shí)，低軌受力較大，下沉變形增大，其鋼軌振動(dòng)也增大，浮軌扣件與普通扣件高低軌總振動(dòng)級(jí)分別相差2.3 dB(A)和2.4 dB(A)。

表2 鋼軌速度總振動(dòng)級(jí)/dB(A)(參考值為5×10-8m·s-1)

3.2.2 隧道壁振動(dòng)分析

從圖5可知，普通扣件區(qū)間隧道壁受波磨和自身固有特性影響，在63 Hz出現(xiàn)峰值，其值遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)由自身固有特性所引起的在40 Hz和31.5 Hz出現(xiàn)的共振峰值，尤其以浮軌扣件峰值為最低，從整體上看，浮軌扣件區(qū)間隧道壁振動(dòng)在整個(gè)頻帶內(nèi)均低于普通扣件區(qū)間相應(yīng)振動(dòng)。

圖5 隧道壁振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

由表3可求得，相對(duì)于普通扣件區(qū)間，中等減振扣件區(qū)間隧道壁垂向振動(dòng)降低8.2 dB(Z)，浮軌扣件區(qū)間隧道壁垂向振動(dòng)降低12.2 dB(Z)，表明浮軌扣件具有優(yōu)良的隔振性能。

表3 隧道壁加速度總振動(dòng)級(jí)/dB(Z)(參考值為1×10-6m·s-2)

3.3 鋼軌波磨測試分析

為使數(shù)據(jù)具有縱橫向?qū)Ρ刃裕≤壙奂y試?yán)锍谭譃椤案≤?”和“浮軌2”兩段，分別對(duì)應(yīng)改造前普通扣件和中等減振扣件里程。

從圖6可知，在原普通扣件區(qū)間低軌存在鋼軌波磨，波長為125 mm，改造后該區(qū)間低軌波磨仍存在，波長不變，但峰值下降，高軌及其它扣件區(qū)間與ISO 3095標(biāo)準(zhǔn)相差不大，即鋼軌表面平滑無波磨。

圖6 鋼軌波磨粗糙度譜圖

從表4中可知，浮軌扣件更換后，原普通扣件區(qū)間內(nèi)低軌波磨降低4.2 dB(A)，高軌增加1.8 dB(A)，原中等減振扣件區(qū)間內(nèi)波磨降低1.3 dB(A)，高軌增加0.7 dB(A)，表明浮軌扣件整體上能夠抑制鋼軌波磨發(fā)展。

表4 鋼軌波磨粗糙度總級(jí)/dB(A)(參考值為1×10-6m)

3.4 車內(nèi)振動(dòng)噪聲測試分析

從圖7(a)可知，50 Hz～1 000 Hz頻段內(nèi)普通扣件區(qū)間內(nèi)車內(nèi)噪聲顯著高于另外兩種扣件區(qū)間內(nèi)噪聲，受鋼軌波磨影響，在63 Hz處普通扣件出現(xiàn)峰值，中等減振扣件和浮軌扣件車內(nèi)噪聲變化整體上趨勢一致，而浮軌扣件在1 000 Hz處出現(xiàn)的峰值整體上抬高總聲壓級(jí)。圖7(b)中，除20 Hz～40 Hz頻段外普通扣件區(qū)間內(nèi)車內(nèi)振動(dòng)整體上最高，中等減振扣件和浮軌扣件區(qū)間內(nèi)車內(nèi)振動(dòng)互相交錯(cuò)，其作用頻段各不相同。

從表5可知，與普通扣件相比，改造后浮軌扣件區(qū)間總聲壓級(jí)減少6.6dB(A)，總振動(dòng)級(jí)減小5.3dB(Z)。

表5 上行線車內(nèi)振動(dòng)噪聲總級(jí)

3.5 敏感建筑物振動(dòng)及二次輻射噪聲分析

從圖8(a)可知，改造前后列車經(jīng)過時(shí)二次輻射噪聲均在63 Hz出現(xiàn)峰值，改造后峰值下降，主要在31.5 Hz～80 Hz、125 Hz～400 Hz頻帶內(nèi)二次聲輻射降低。

圖8(b)中振動(dòng)曲線均在63 Hz處出現(xiàn)峰值，且改造后峰值下降，主要在31.5 Hz～200 Hz頻帶內(nèi)地面振動(dòng)降低。從表6可知，改造前后地面垂向振動(dòng)減小6.3 dB(Z)，二次輻射噪聲減小4.0 dB(A)。

表6 列車運(yùn)行時(shí)敏感建筑物振動(dòng)噪聲情況

4 結(jié)語

（1）浮軌扣件區(qū)間內(nèi)鋼軌下沉量最大，為1.73 mm，在國家鐵路線路標(biāo)準(zhǔn)8 mm的范圍之內(nèi)，表明浮軌扣件在列車低速運(yùn)行過程中具有較好的安全性能。

圖7 車內(nèi)噪聲和振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

圖8 改造前后室內(nèi)二次輻射噪聲和地面垂向振動(dòng)1/3倍頻程頻譜圖

（2）與普通扣件區(qū)間相比，浮軌扣件區(qū)間高低軌總振動(dòng)級(jí)分別增大2.3 dB(A)和2.4 dB(A)，隧道壁垂向振動(dòng)降低12.2 dB(Z)，車內(nèi)總聲壓級(jí)減少6.6 dB(A)，車體垂向總振動(dòng)級(jí)減小5.3 dB(Z)。對(duì)于敏感建筑物，改造前后地面垂向振動(dòng)減小6.3 dB(Z)、二次輻射噪聲減小4.0 dB(A)。綜合以上表明浮軌扣件具有優(yōu)良的減振降噪性能。

（3）改造后，原普通扣件區(qū)間內(nèi)低軌波磨降低4.2 dB(A)，高軌增加1.8 dB(A)，原中等減振扣件區(qū)間內(nèi)波磨降低1.3 dB(A)，高軌增加0.7 dB(A)，表明浮軌扣件有效抑制了鋼軌波磨發(fā)展。