地铁轨道道床减振垫减振性能研究

王志强 王安斌 徐 宁 何 况

(1.洛阳双瑞橡塑科技有限公司,471003,洛阳; 2.郑州市轨道交通有限公司,450018,郑州∥第一作者,工程师)

地铁轨道道床减振垫减振性能研究

王志强1王安斌1徐 宁1何 况2

(1.洛阳双瑞橡塑科技有限公司,471003,洛阳; 2.郑州市轨道交通有限公司,450018,郑州∥第一作者,工程师)

道床减振垫已在郑州地铁轨道上得到了实际应用。通过进行轨道静态锤击试验及在车辆正常运行条件下的轨道动态变形和振动测试,分析道床减振垫的减振性能。结果表明:道床减振垫实际应用时的固有频率为25.4 Hz,道床减振垫竖向振动频率在250 Hz、横向振动频率在100 Hz处的振动衰减趋势较大;在20～400 Hz频率范围内,采用道床减振垫相对于不采用道床减振垫的平均减振量为24.4 dB;在车辆正常运行条件下,轨道的动态变形满足列车安全运行的要求,隧道壁的竖向振动相对于不采用道床减振垫减少了15.7 dB;在静态和动态测试条件下,采用道床减振垫的减振量基本一致,具有较好的减振效果。

地铁轨道; 道床减振垫; 减振性能

First-author′s address Luoyang Sunrui Rubber & Plastic Technology Co.,Ltd.,471003,Luoyang,China

随着轨道交通的快速发展,轨道振动和噪声污染问题日趋突出,不但对轨道交通系统的设备、旅客和工作人员产生不利影响,而且会影响沿线环境,尤其是对距离小于20 m的居民住宅、医院、学校、高级宾馆、文物保护等建筑物及穿越地段。仅地铁方面,每条25～30 km线路中有约16%需要采取高级减振或特殊减振措施[1]。

道床减振垫作为地铁、轻轨、城市铁路的碎石道床、整体道床或轨道板下的连续弹性支撑,具有隔振性能好、耐疲劳性能优异、安装使用方便、成本低廉等特点,适用于城市轨道交通环境的减振降噪[1-4]。

郑州地铁1号线市体育馆站至紫荆山站上下行线路均铺设道床减振垫。该区间线路长1.12 km,轨道采用整体道床，最小曲线半径为350 m；左、右线隧道的中心距离约为14 m。区间隧道为盾构法施工的圆形隧道,直径为5.2 m,隧道顶部与地面的距离约为22 m。本文对该区间的道床减振垫的减振效果进行测试,从而分析产品在实际应用中的减振性能指标[5]。

1 道床减振垫介绍

城市轨道交通道床减振垫的静刚度在0.01～0.03 N/mm3,动静刚度比小于1.5。采用300 mm×300 mm的样品,在加载频率4 Hz、加载载荷1.8～9.0 kN的条件下,1 000万次疲劳测试后,产品无开裂、破损,厚度变化未超过1 mm,静力基础模量变化小于20%。同时,道床减振垫采用独特的非线性技术,通过采用底板与多个圆锥截顶的阻尼单元相结合的层次结构形式和橡胶材料配方的设计,借助面和点支撑的结合,使产品具有轻载荷低刚度、重载荷高刚度的非线性刚度特点。即当列车正常运行时,道床减振垫表现出线性变形,以保持列车运行的平稳性和隔振降噪性;一旦负载过重,道床减振垫在正常载荷以外表现出非线性,只产生很小的变形,以保持列车运行平稳,同时保障了产品具有较好的减振降噪效果[6]。

在整体道床中,包含离散的弹性单元、刚体质量单元,以及连续弹性板元和连续弹性梁单元。这样的体系既包含了有限自由度,以刚体运动为主的模态振型,也有连续弹性质量体系的无限自由度的无限阶数的模态振型。运用有限单元法可得到道床的各种模态,包含一些复杂的耦合振型,可以非常清晰地描述其动力学特性[7]。

道床基础必须有足够的承载力和刚度。道床减振垫为带凸起的橡胶垫。道床减振垫的静刚度试验曲线如图1所示,在轨道上的安装示意图如图2所示。

图1 道床减振垫刚度曲线

图2 道床减振垫在轨道上的安装示意图

2 轨道传递响应函数试验

为了排除不同载荷工况(如轴载、车速、线路曲线半径的大小和轮轨表面条件等)对测试比较的影响,从而更准确了解不同轨道结构的振动特性及其振动传递规律,对轨道在可控制激励大小和方向的条件下测量激励及响应,获得轨道的传递响应函数[9]。从轨道的传递响应函数可对轨道进行识别,获得无载条件下的特征参数,如轨道支承刚度等。用激振锤对轨道进行激励,各种条件与运行试验相同。在实际测试过程中,车辆的基本参数如表1所示,道床减振垫的隔振参数如表2所示,整体道床轨道的参数如表3所示。

表1 A型车辆基本参数

表2 道床减振垫的隔振参数

表3 整体道床轨道参数

2.1 轨道传递响应函数测试方法

轨道传递响应函数测试方法见图3所示。通过测试可得传递响应函数的激振和测振的方向和位置,同时也可比较两轨传递响应函数的差异。激振和测振可在钢轨支承的正上方和扣件间距的1/2处截面分别进行。传递响应函数最好由几组不同位置测试的平均值来减少误差。

图3 轨道传递响应函数测试方法示意图

2.2 计算轨道振动传播衰减率

通过移动激振位置所得的不同位置的传递响应函数可计算轨道振动传播衰减率。即每米振动幅值衰减分贝数。图4给出了激振和测振的位置。其中,激振和测振在竖直方向、横向分别进行,以获得不同方向的振动传播衰减率。

3 轨道动态变形及振动测试

3.1 轨道变形测量

变形测量位置位于2个扣件底板的中间,即扣件间距的1/2处截面,如图5所示[5]。

3.2 隧道振动测量

隧道内的振动测量也在扣件间距的1/2处截面进行。隧道壁的竖向和横向振动测量传感器(加速计)的位置如图6所示[5]。

图4 振动传播衰减率测试的激振和测振位置图

图5 轨道振动变形位移计布置图

图6 隧道墙体上加速度计设置位置图

4 轨道静态锤击分析

现场锤击试验采用5 kg的榔头锤击。锤击试验点分别在钢轨扣件及两扣件中间的竖向和横向激励处,以测试模拟车轮激励钢轨时隧道壁的振动传递函数效应,在低频20～200 Hz之间求得插入损失,以得到道床减振垫的隔振性能[6-7]。

4.1 道床减振垫固有频率

图7为道床减振垫的锤击试验传递函数,锤头激励点在钢轨正上方,响应点位于道床中间,其传递函数第一阶峰值的频率为25.4 Hz,是道床减振垫在实际应用时的固有频率(静态条件下)。图8为传递函数的相位,在频率25.4 Hz处传递函数的相位出现了从负值到正值的跳跃,相位在25.4 Hz处出现突变。图9为锤击试验传递函数的相关相干性,在频率25.4 Hz处的相关相干性为0.989，接近1.000，说明锤击试验数据比较可靠。

图7 道床减振垫的锤击试验传递函数

图8 锤击试验传递函数的相位信息

4.2 减振量分析

现场的锤击试验中,当锤子的激励点在钢轨上时,测试隧道壁上的竖向及横向振动响应如图10所示,可分别求得频率在20～200 Hz之间的传递函数插入损失值的平均值,得到道床减振垫的减振量[10]。设道床减振垫的相对于不设道床减振垫的在隧道壁竖向振动的传入损失值为16.3 dB、横向振动的插入损失值为15.9 dB。

图9 锤击试验传递函数的相关相干性

图10 锤击试验隧道壁振动加速度传递函数

5 轨道动态变形及振动分析

5.1 钢轨的变形分析

钢轨的变形测量是在线路车辆正常运营情况下进行的,记录的车辆数为10辆。设道床减振垫和不设道床减振垫的整体道床对应的钢轨动态试验位移如表4所示。曲线外侧道床边缘相对于道床基础的垂直位移为0.93 mm,曲线内侧道床边缘相对于道床基础的垂直位移为0.29 mm,道床中间相对于道床基础的垂直位移为0.63 mm。

5.2 隧道壁振动分析

在车辆正常运行条件下,设道床减振垫的区间车速为42.6 km/h,不设道床减振垫的区间车速为31.3 km/h,以此对比分析隧道壁的竖向及横向振动。图11为隧道壁振动加速度Z振级的1/3倍频程图。

表4 设道床减振垫和不设道床减振垫的钢轨动态试验位移

图11 隧道壁振动加速度Z振动级

由图11可知,在1～80 Hz低频率段,不设道床减振垫的隧道壁的竖向振动为78.0 dB,横向振动为78.0 dB;设道床减振垫的隧道壁的竖向振动为62.3 dB,横向振动为70.8 dB。设道床减振垫的在隧道壁的竖向振动相对不设道床减振垫的插入损失值为15.7 dB、横向振动插入损失值为7.2 dB。

6 结语

(1) 钢轨相对道床的竖向位移:设道床减振垫时,钢轨的净竖向位移量平均值为0.32 mm,最大轨头横向位移量平均值为0.02 mm;曲线外侧道床边缘相对于道床基础的竖向位移为0.93 mm,曲线内侧道床边缘相对于道床基础的竖向位移为0.29 mm,道床中间相对于道床基础的竖向位移为0.63 mm。对不设道床减振垫的钢轨的净竖向位移量平均值为0.35 mm,最大轨头横向位移量平均值为0.07 mm。

(2) 轨距动态扩张量:在列车正常运营情况下,对于设道床减振垫的钢轨在此路段动态轨距扩大量均符合对试验车速v<100 km/h时的轨道动态轨距I级保养标准允许偏差管理值的规定(偏差在-6～+12 mm范围内)[8-9]。

(3) 隧道壁上的竖向及横向振动响应:在频率20～200 Hz之间,设道床减振垫的相对于不设道床减振垫的在隧道壁竖向振动的插入损失值为16.3 dB、横向振动的插入损失值为15.9 dB。

(4) 设道床减振垫和不设道床减振垫的隧道壁加速度Z振动级:在1～80 Hz低频段,设道床减振垫的在隧道壁的竖向振动相对于不设道床减振垫的插入损失值为15.7 dB、横向振动插入损失值为7.2 dB[10-11]。

(5) 通过现场静态锤击测试和通车情况下的动态测试,减振效果基本在16 dB左右,数据结果可靠有效。

[1] 张艳平,杨宜.城市轨道交通振动与噪声的控制[J].城市轨道交通,2000(3):43.

[2] 江成,范佳,王继军.高速铁路无碴轨道设计关键技术[J].中国铁道科学,2004(2):42.

[3] 孟光,陈进,蒋伟康,等.高速轨道交通减振降噪的研究及其关键技术的展望[J].机车电传动,2003(12):14.

[4] 周建民.城市交通轨道结构类型选择的研究[J].铁道工程学报,2002(1):12.

[5] 洛阳双瑞橡塑科技有限公司.郑州地铁一号线人民路至紫荆山区间道床减振垫动态变形及振动测试分析报告[R].洛阳:洛阳双瑞橡塑科技有限公司，2013.

[6] 洛阳双瑞橡塑科技有限公司.轨道交通高性能减振道床系统关键技术研究[R].洛阳：洛阳双瑞橡塑科技有限公司,2013.

[7] 洛阳双瑞橡塑科技有限公司.高性能减振道床系统结构优化设计[R].洛阳：洛阳双瑞橡塑科技有限公司,2013.

[8] 中华人民共和国铁道部.铁路线路维修规则：铁运[2006]146号[S].北京：中国标准出版社,2006.

[9] 中华人民共和国铁道部.铁路轨道工程质量评定验收标准：TBJ 413—1987[S].北京：中国标准出版社,1989.

[10] 中华人民共和国环境保护局.城市区域环境振动标准：GB 10070—1988[S].北京：中国标准出版社,1989.

[11] 中华人民共和国环境保护局.城市区域环境振动测试方法：GB 10071—1988[S].北京：中国标准出版社,1989.

Vibration Damping Performance of Roadbed Damping Pad Applied in Zhengzhou Metro

WANG Zhiqiang, WANG Anbin, XU Ning, HE Kuang

Anti-vibration roadbed damping pad has been applied in Zhengzhou metro.To analyze its vibration isolation performance,experiments are carried out on site in different loading conditions, including the hammer experiment without traffic loading,and the track vibration measurement in normal traffic loading conditions. The results show that the isolation frequency of the damping pad is between 10 Hz and 15 Hz on the track in metro orperation.Compared with the track system without the damping pad in the frequency range between 20 Hz and 400 Hz,the average vibration insertion loss on the tunnel wall with damping pad track is about 24.4 dB, in normal traffic loading conditions, vibration insertion loss with damping pad in the vertical direction is 15.7 dB lower than that of the track without damping pad. It proves that in both static and dynamic conditions, the track installed with damping pad hasbetter damping performance.

metro track; roadbed damping pad; damping performance

U 211.3

10.16037/j.1007-869x.2016.07.015

2014-07-11)