调频式钢轨阻尼器对剪切型减振器轨道动力特性的影响

孙晓静， 张厚贵,2， 刘维宁， 吴宗臻

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　100044；2.北京市劳动保护科学研究所，北京　100054)



调频式钢轨阻尼器对剪切型减振器轨道动力特性的影响

孙晓静1， 张厚贵1,2， 刘维宁1， 吴宗臻1

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京100044；2.北京市劳动保护科学研究所，北京100054)

摘要：为了探讨采用调频式钢轨阻尼器(TRD)整治剪切型减振器轨道结构区间异常钢轨波磨的可行性，在长25 m的轨道试验平台上采用锤击试验测试了安装TRD前后剪切型减振器轨道的结构动力特性。结果表明：安装TRD可以优化150～ 400 Hz频段内剪切型减振器轨道结构的频响特性与钢轨的竖向振动衰减率。一方面，TRD降低了此频段内的钢轨频响函数峰值，而该频段内的轮轨共振被认为是导致剪切型减振器轨道钢轨波磨产生的主要原因。另一方面，TRD使钢轨竖向振动衰减率提高了4倍～8倍，抑制了竖向振动沿钢轨纵向的传播；不仅如此，安装TRD后，钢轨的水平向振动衰减率大于原剪切型减振器轨道，即提高了轨道系统沿钢轨纵向对钢轨水平向振动的衰减能力，增强了对钢轨横向振动的约束，在一定程度上增加了轨道的横向稳定性。

关键词：地铁；调频式钢轨阻尼器；轨道动力特性试验；剪切型减振器；钢轨波磨

为了解决城市轨道交通的环境振动影响，北京地铁新建线路采用了多种减振措施。剪切型减振器扣件具有减振效果好、经济实用等特点，得到了广泛的应用，如北京地铁4号线、5号线、亦庄线等。然而线路开通较短时间内，这些使用了剪切型减振器扣件的地段即出现了大量严重的钢轨波浪形磨耗，如北京地铁4号线甚至在开通2周后即出现钢轨波磨。在严重波磨区段中，波磨波深最大达0.8 mm，导致扣件失效，包括弹条和T型螺栓的断裂、脱落，如图1所示。

图1　钢轨波磨地段破坏的轨道部件Fig.1 Damaged parts of track caused by corrugation

钢轨波浪形磨耗(简称钢轨波磨)是钢轨使用后在其踏面上出现的规律性凹凸不平的现象[1-3]，是复杂轮轨相互作用的结果。钢轨波磨产生机理复杂，治理困难，导致轨道及车辆部件产生疲劳破坏或伤损，降低其使用寿命，不仅增加了维修养护成本，也给运营安全带来隐患[4-5]。

调查发现这些地段的钢轨波磨有两种波长，分别与钢轨动力响应的两个敏感共振频段180～230 Hz、250～320 Hz相吻合，这说明地铁列车运行激发了钢轨在这些特定频段内的共振，加剧了该频段的轮轨动力相互作用，导致了相应波长范围内钢轨波磨的发生[6-10]。

北京地铁5号线测试结果表明，剪切型减振器轨道在200～400 Hz频段的横向、竖向阻尼比均小于2%[7]，系统阻尼过低。而阻尼对抑制钢轨波磨相关频率的振动起着重要作用[11]，因此可以在这些频段采取措施增加轨道系统的阻尼，降低钢轨振动，从而控制并延缓波磨的发生和发展。

本文结合北京地铁使用剪切型减振器轨道区段发生的钢轨波磨现象，在长25 m的轨道足尺试验平台进行1:1原型试验，探讨了采用调频式钢轨阻尼器整治剪切型减振器轨道结构区间异常钢轨波磨的可行性。

1调频式钢轨阻尼器TRD简介

调频式钢轨阻尼器(Tuning Rail Damper,TRD)由具有高阻尼损失系数的弹性体(橡胶或类似橡胶材料)和在弹性体内按确定的几何和物理特性要求设置的质量体(谐振部件)组成。弹性体与质量体一起构成了一个阻尼性质量-弹簧减振系统，它的作用是可以提高钢轨系统的阻尼，降低钢轨振动的平均能量水平，抑制轮轨相互作用的能量在钢轨上的传播，从而达到减缓波磨发展或抑制钢轨波磨产生的目的。TRD的横剖面如图2所示，可以针对特定的频段进行设计，调整弹性体内的2～3块质量体的重量、几何形状以及它们之间的相对位置关系，使得TRD能够在此特定频段范围内增加轨道系统的阻尼。

通过特制的弹性金属卡夹，TRD可以被紧密吻合地安装在钢轨两侧的轨腰上，这种弹性金属卡夹具有与TRD外形特殊配合的形状，从而能够保证它对TRD所施加的夹紧力不会影响到TRD已被调制的谐振频率。采用金属卡夹安装的方式，不仅施工方便，节省工时，而且避免了采用粘贴方式发生的剥离脱落现象，能有效地提高TRD的使用寿命，图3给出了安装TRD后的剪切型减振器轨道结构。

图2　调频式钢轨阻尼器横剖面Fig.2 Cross section of tuning rail damper (TRD)

图3　安装调频式钢轨阻尼器后的剪切型减振器轨道结构Fig.3 Egg system track structure with TRD

1999年，英国南安普顿大学Thomspon在欧盟项目“Silent Track”资助下，开发了TWINS数值模型对钢轨的振动特性进行了深入研究并研发了一种安装在钢轨上的阻尼吸振器，从而达到减少钢轨振动带来的辐射噪音的目的[12]。随后，Wu等[13-14]在研究中发现，这种阻尼吸振器能有效的提高在轨枕节点共振频率(Pinned-pinned共振)范围的振动衰减率，这为缓解在节点共振频率范围内发生的短波波磨提供了一种可能。Wu[15]建立一种特殊的钢轨-吸振器模型，结合车轮-钢轨-吸振器耦合模型、滚动接触模型以及磨耗模型，模拟了钢轨波磨的发展过程，结果显示由于节点共振引起的短波波磨，在吸振器的作用下得到有效的抑制，同时明显减少了钢轨的振动和辐射噪音。

本文所采用的TRD是英国Corus公司研发生产的专利产品[16]，其固有频率约为800 Hz，工作频率200～5 000 Hz。每套TRD分为3个主要部件，分别为：2块长360 mm重13.6 kg的阻尼块，4个金属卡，以及安装时喷涂于钢轨轨腰表面的声学耦合剂。安装时仅需将两个阻尼块通过金属卡固定在钢轨轨腰即可，且阻尼块尽量固定在跨中位置。

2轨道结构动力特性试验

2.1试验内容

轨道结构动力特性包括频率响应特性以及阻尼特性。钢轨的频率响应特性通常用频响函数来表示，阻尼特性通常用钢轨的振动衰减率来表示。

两种特性指标均可通过锤击试验的方式获取。不同的是，频率响应特性通过测量得到扣件上方和跨中位置处的直接频响函数即可；而钢轨振动衰减率则需根据动力互易定理，在基准点位置安装传感器，沿钢轨纵向在一系列规定的激励点处进行锤击，获取各点相对于基准点的传递频响函数，从而计算出钢轨的振动衰减率。

钢轨的频率响应特性测试过程中，每种工况分别取3组扣件进行重复性实验，每组测试分别测量扣件上方和跨中位置的直接频响函数曲线(图4)。锤击点精确标记在钢轨轨面中心位置，紧邻传感器布置(图5)。

图4　测点布置Fig.4 Measurement points

图5　锤击试验Fig.5 Hammer test

钢轨振动衰减率测试按照BS EN 15461: 2008+A1:2010[17]的要求进行，锤击点的纵向布置如图6所示，传感器安装在基准点，即图6中0点位置处。

图6　钢轨振动衰减率测试测点布置示意图Fig.6 Test points on the rail

2.2试验工况

分别对安装调频式钢轨阻尼器前后剪切型减振器轨道进行对比测试，并将普通整体道床DTVI2扣件轨道结构作为参考，三种工况的技术参数见表1。图7给出了安装调频式钢轨阻尼器前后剪切型减振器轨道结构的测点布置，测试情况见图8。

表1　轨道结构振动响应频率测试工况

图7　安装调频式钢轨阻尼器前剪切型减振器轨道结构Fig.7 Egg system track structure without TRD

图8　实验平台测试Fig.8 Decay rate measurement

2.3试验仪器

本测试中，钢轨振动采用LCAS0123T压电加速度传感器(图9)，其量程为200 g，灵敏度为26.0 mV/g，频率范围为0.2～11 000 Hz。此压电加速度传感器内装微型IC-集成电路放大器，将传统压电加速度传感器与电荷放大器集于一体，能够直接连接记录和显示仪器，不仅可以简化测试系统，也提高了测试的精度和可靠性。数据采集与信号处理系统为INV3018C型24位高精度数据采集仪(图10)及DASP软件，采集仪的采样频率范围为0～12 800 Hz，分析频率范围为0～4 000 Hz。为保证在0～2 000 Hz频率范围内取得良好的激励力使用小型力锤进行激励，力锤的型号为DYNAPULSE 5800B4，锤头质量为100 g，材质为铝制，灵敏度为2.247 mV/ N，量程为0～2 225 N，如图11所示。试验过程中要求激励力在较宽的频率范围内(0～5 000 Hz)能够尽量保持线性(图12)以满足分析内容的需要。

图9 LCAS0123T加速度传感器Fig.9LCAS0123Ttypeaccelerationsensor图10 INV3018C型数据采集仪Fig.10INV3018Ctypedataacquisitioninstrument

图11　DYNAPULSE 5800B4型力锤Fig.11 DYNAPULSE 5800B4 type exciting-hammer

图12　典型力时程和频谱Fig.12 Typical time history and frequency content of load

在整个分析频率范围内，动力响应与激励力的相干系数需严格控制在0.8以上，否则测试数据将被视为无效数据而不予记录。

2.4测试参数设置

测试中，为分析0～5 000 Hz频率的频率范围，设置采样频率为12 800 Hz ；采取多次触发采样方式，每组数据均保证5次有效触发。

3测试结果及分析

3.1频响特性分析

图13为剪切型减振器轨道结构钢轨垂向频响函数。可以看出，剪切型减振器轨道的垂向pinned-pinned共振频率为1 010 Hz。另外，剪切型减振器轨道结构钢轨垂向动力响应在180 Hz、210 Hz和280 Hz、310 Hz处均出现了共振点，与文献[6]中现场测试得到的两种不同典型波长的波磨频率高度吻合，揭示了钢轨的垂向频率响应特性与剪切型减振器轨道区间出现的特殊钢轨波磨现象密切相关。

图13所示的DTVI2扣件轨道结构钢轨垂向频响函数中，其钢轨的垂向pinned-pinned共振频率大约为1 220 Hz，与剪切型减振器轨道结构的共振频率并不相同。此外，DTVI2扣件轨道系统钢轨的共振点出现在250 Hz和350 Hz。然而，在与剪切型减振器轨道几乎处于相同运营条件下的普通整体道床轨道结构区间，并未发生钢轨波磨现象，运营条件下测量的钢轨动力响应曲线在250 Hz和350 Hz处也未出现共振峰。

由此可见，轨道结构的频率响应特性只是影响列车与轨道相互作用的必要非充分条件。只有当车辆系统在特定速度下产生与轨道系统固有频率范围一致的动力激励，才能诱发激烈的轮轨共振现象，导致波磨的发生。也就是说，改变轨道系统的频率响应特性，可以优化轮轨的相互作用关系，避免轮轨激烈的相互作用，从而达治理到钢轨波磨的目的。

图13　钢轨频率响应特性Fig.13 Rail frequency response

图13中，安装TRD后，剪切型减振器轨道结构钢轨的频率响应特性发生了显著的变化，频响函数曲线变得平滑，特别是与钢轨波磨密切相关的150～400 Hz频率范围的频响峰值被大幅降低。这对抑制钢轨在该频段的振动起到积极的作用，可缓解或消除在此频段诱发的“轮轨共振效应”，因而可以减缓钢轨异常波磨的发展甚至是消除钢轨异常波磨的发生。

3.2振动衰减率分析

钢轨振动衰减率(Decay Rate,DR)，指钢轨振动沿钢轨纵向传递的变化率，单位是dB/m，在1/3倍频程上描述钢轨振动的衰减特性。在钢轨上施加单位脉冲激励，根据不同位置处振动频率响应函数计算出振动衰减情况，可以计算出该轨道系统对钢轨纵向振动传播的综合衰减能力。理论上，钢轨振动衰减率可以看作频率响应函数幅值随采样点距离的增加而衰减的曲线。但实际上通常将钢轨振动响应进行简化，分解为竖向弯曲波以及横向弯曲波，导致幅值的变化并非按照简单的指数形式衰减，而采用离散点的频响函数衰减幅值将更接近振动衰减率的实际效果。1/3倍频程各中心频率对应的钢轨衰减率按式(1)计算。

(1)

式中：A(x0) 为基准点处三分之一倍频程每一个中心频率点的频响函数幅值，A(xn)为第n个锤点激励出的三分之一倍频程每一个中心频率点的频响函数幅值；Δxn为第n个测点离基准点的距离。

已有测试表明：在北京地铁钢轨波磨的典型频率范围150～400 Hz内，剪切型减振器轨道的钢轨振动衰减率小于0.1 dB/m[18]，表明在此频段内剪切型减振器轨道几乎没有吸收钢轨振动能量的能力，振动沿钢轨纵向自由传播，钢轨具有不受扣件约束而进行剧烈振动的趋势。在此频段内，车辆与轨道发生剧烈相互作用，使钢轨脱离扣件的约束产生自由振动，造成扣件弹条的松脱和断裂，进一步导致了轮轨接触关系的恶化，加剧了钢轨波磨的发展。

图14为三种工况下沿钢轨纵向的振动衰减率。安装TRD后，钢轨的振动衰减率得到了明显的优化，特别是在北京地铁钢轨波磨特征频率范围(150～400 Hz)，与未安装TRD的剪切型减振器轨道相比，钢轨振动衰减率提高了4倍～8倍。该测试结果与钢轨频率响应曲线相互印证，合理解释了安装调频式钢轨阻尼器使剪切型减振器轨道结构钢轨频率响应函数曲线变得光滑、达到了削弱共振峰的效果。

图14　钢轨竖向振动衰减率Fig.14 Vertical vibration attenuation rate of rail

图15给出了三种工况下钢轨水平向振动的衰减率。剪切型减振器轨道与DTVI2扣件轨道的钢轨水平向振动衰减率随频率的变化趋势基本一致，而在量值上则大部分频率范围内剪切型减振器轨道都要优于DTVI2扣件。安装TRD后的剪切型减振器轨道的钢轨振动衰减率要远大于未安装TRD的剪切型减振器轨道，说明安装TRD后的轨道系统能够更好的衰减沿钢轨纵向传递的钢轨水平向振动。

图15　钢轨水平振动衰减率Fig.15 Horizontal vibration attenuation rate of rail

文献[19]提出，出现异常钢轨波磨的原因之一是由于剪切型减振器轨道的轨距保持能力较差，在横向力作用下易产生轨距扩大的情况，而剪切型减振器扣件无法对钢轨的横向振动进行有效约束，加剧了轮轨间非正常接触，从而诱发和加剧了钢轨波磨的产生和发展。安装TRD后的剪切型减振器轨道，对沿钢轨纵向传递的水平向振动的衰减能力获得了很大提高，即增强了对钢轨横向振动的约束。从而可预测到，安装TRD会减少轨距动态变化，从而可以在一定程度上增加轨道的横向稳定性。

4结论

本文通过足尺试验室试验，采用锤击法测定了TRD对剪切型减振器轨道结构动力特性的优化效果，结合出现在北京地铁剪切型减振器轨道区段的钢轨波磨现象，对试验结果进行了分析，得到了如下结论：

(1) 安装TRD可以优化剪切型减振器轨道结构的动力响应特性，降低与钢轨波磨密切相关的150～400 Hz频段内的频响峰值，取得良好的调频效果。

(2) 安装TRD后，钢轨的竖向振动衰减率得到了优化，特别是在北京地铁钢轨波磨特征频率范围内(150～400 Hz)，钢轨振动衰减率提高了4倍～8倍。

(3) 安装TRD后，钢轨的水平向振动衰减率大于原剪切型减振器轨道，即提高了轨道系统沿钢轨纵向对钢轨水平向振动的衰减能力，增强了对钢轨横向振动的约束，进而在一定程度上增加了轨道的横向稳定性。

(4) TRD有助于抑制出现在剪切型减振器轨道结构钢轨在波磨敏感频段的振动，可缓解或消除在此频段诱发的轮轨剧烈相互作用，为减缓钢轨异常波磨发展甚至是消除钢轨异常波磨发生提供了一种可行的解决方案。

参 考 文 献

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基金项目：国家自然科学基金项目(51408033);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2016JBM046)

收稿日期：2015-11-26修改稿收到日期：2016-01-22

中图分类号:U231+.94；TB533+.2

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.034

Effect of tuning rail damper on dynamic properties of the track structure using Egg fastening system

SUN Xiao-jing1, ZHANG Hou-gui1,2, LIU Wei-ning1, WU Zong-zhen1

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Beijing Municipal Institute of Labour Protection, Beijing 100054, China)

Abstract:In order to provide a feasible solution to control the rail corrugation occurring at the section of Egg system on the Beijing metro, a laboratory test was conducted to compare the dynamic properties of Egg system track structures with and without TRD on a 25 m test track. The experimental results indicate that the TRD can obviously optimize the rail dynamic characteristics of the track using Egg fastening system in the range of 150-400 Hz. On one hand, the resonance peaks on frequency response function curve, identified as the cause of the rail corrugation occurring at Egg fastening system track sections, are obviously moved. On the other hand, the vertical vibration decay rate is obviously increased up to 4-8 times more than the case without TRD，suppressing the vertical vibration transited along the rail. Meanwhile, the lateral vibration decay rate along the rail is raised by TRD as well, which contributes to increase the lateral stability of track.

Key words:metro; tuning rail damper (TRD); track system dynamic characteristics test; Egg fastening system; rail corrugation

第一作者 孙晓静 女，博士，讲师，1978年12月生