低速工况下浮轨扣件减振降噪及钢轨波磨分析

徐 宁，王 岗，张用兵，王志强，段勇奇

（1.洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南 洛阳 471003；2.昆明轨道交通集团有限公司 总工程师室，昆明 650011）

随着城市人口规模和汽车保有量的增加，交通拥堵及其噪声污染等问题是国内各大城市所面临的重要问题，而城市轨道交通运量大、安全可靠、运行准时、不占用地面交通等优点，使其得到迅猛发展。

钢轨波磨是在列车运营过程中沿钢轨纵向产生的一种规则化磨耗，其主要特点是波磨波长基本固定。波磨导致轮轨间作用力急剧增加，使车辆和轨道系统产生剧烈振动，缩短车辆和轨道结构零部件的使用寿命，恶化车内声环境，使乘客有不舒适感，同时振动传递至轨道周边的建筑物会产生恶劣的振动和二次辐射噪声，影响人们的正常生活。钢轨波磨一旦出现，则无法根治，即使采取打磨等措施，运营一段时间后波磨再次出现，因此波磨是铁路交通领域的世界性难题之一。对于波磨形成和发展，一种研究结果表明不连续支撑对波磨产生和发展有着重要的影响，即Pinned-Pinned共振频率[1–5]。通常情况下，人们根据地铁运营环境、线路工况、轨道结构等情况，通过改变轨下结构调节轨道参数，来治理钢轨波磨和减振降噪。

昆明地铁一号线火车站站至福德站区间在运营中由于轨道系统特性和钢轨波磨综合原因，造成车内噪声异常，影响了区间上方居民的正常生活。为解决上述问题，首先将列车运行时速降至30 km/h，并采用浮轨扣件对上下行线路进行改造。本文分别于上行线改造前后测试分析采用浮轨扣件改造后列车在低速状况下轨道系统安全性能、振动、波磨、车内振动及噪声、敏感建筑物振动和二次辐射噪声等变化情况。

1 线路工况及扣件系统

1.1 线路工况

该区间线路更换前上行线DK14+360-DK14+460、下行线DK14+370-DK14+470为中等减振扣件，其它为单趾弹簧普通扣件，更换后上下行线DK14+240-DK14+566为浮轨扣件，其它为单趾弹簧普通扣件。地面敏感建筑物（银海领域小区7号楼二楼某室）、改造前普通扣件测点DK14+560、中等减振扣件测点DK14+410和改造后浮轨扣件测点DK14+410均在上行线上，如图1所示。该区间线路为圆曲线段圆形地下隧道，曲线半径为330 m。

图1 线路及敏感建筑物示意图

1.2 线路扣件系统

普通扣件刚度为65 kN/mm，中等减振扣件刚度为18 kN/mm，浮轨扣件刚度为6.7 kN/mm。图2为改造后线路状态。

2 测试项目及设备

2.1 测试项目

测试主要包括钢轨垂向变形、钢轨垂向振动、道床垂向振动、隧道壁垂向振动、波磨测试、车内振动及噪声测试、敏感建筑物振动及二次辐射噪声测试。其中轨道变形和振动测点均位于相邻俩扣件的1/2处的截面处，如图3所示。

2.2 测试设备

线路测试设备主要有：NI采集仪、PCB公司352C03和393A03型加速度计、CAT波磨采集仪。车内和敏感建筑物测试设备主要有：NI-USB6212采集仪、PCB公司426A11型传声器、393B12型加速度计。

3 测试分析结果

3.1 钢轨垂向变形分析

分别选取早、中、晚三个时段的数据进行处理，计算可得列车分别通过普通扣件、中等减振扣件和浮轨扣件测点的时速分别为29.1 km/h、28.4 km/h和29.0 km/h。三种扣件区间上车速一致，其测试数据无需修正。变形测试结果如表1所示，其中负值代表钢轨下沉变形。

表1 钢轨垂向变形/mm

表1中普通扣件区间内钢轨下沉量最小，为0.33 mm，浮轨扣件区间内钢轨下沉量最大，为1.73 mm；变形量的大小体现减振能力，但变形量过大则影响行车安全，该处所有扣件区间内钢轨变形均低于国家铁路线路维修I级标准[（7]8 mm），测试数据表明浮轨扣件在列车低速运行过程中具有较好的安全性能。

3.2 轨道系统振动分析

3.2.1 钢轨振动分析

图2 改造后浮轨扣件轨道系统

图3 线路测试现场

图4 钢轨振动1/3倍频程频谱图

图4中仅普通扣件区间钢轨受钢轨波磨影响，在63 Hz处有共振峰，共振频率与车速关系为f=v/λ，浮轨扣件低轨在160 Hz～2 500 Hz频段、高轨在100 Hz～500 Hz和1 000 Hz～2 500 Hz频段振动大于普通扣件相应振动，表明浮轨扣件能够将该频带内的能量隔断于道床。

从表2可知，对于钢轨速度总振动级，浮轨扣件最高，普通扣件最低，结合表1和向心力理论可知，车低速经过曲线段时，低轨受力较大，下沉变形增大，其钢轨振动也增大，浮轨扣件与普通扣件高低轨总振动级分别相差2.3 dB(A)和2.4 dB(A)。

表2 钢轨速度总振动级/dB(A)(参考值为5×10-8m·s-1)

3.2.2 隧道壁振动分析

从图5可知，普通扣件区间隧道壁受波磨和自身固有特性影响，在63 Hz出现峰值，其值远大于另外两个由自身固有特性所引起的在40 Hz和31.5 Hz出现的共振峰值，尤其以浮轨扣件峰值为最低，从整体上看，浮轨扣件区间隧道壁振动在整个频带内均低于普通扣件区间相应振动。

图5 隧道壁振动1/3倍频程频谱图

由表3可求得，相对于普通扣件区间，中等减振扣件区间隧道壁垂向振动降低8.2 dB(Z)，浮轨扣件区间隧道壁垂向振动降低12.2 dB(Z)，表明浮轨扣件具有优良的隔振性能。

表3 隧道壁加速度总振动级/dB(Z)(参考值为1×10-6m·s-2)

3.3 钢轨波磨测试分析

为使数据具有纵横向对比性，浮轨扣件测试里程分为“浮轨1”和“浮轨2”两段，分别对应改造前普通扣件和中等减振扣件里程。

从图6可知，在原普通扣件区间低轨存在钢轨波磨，波长为125 mm，改造后该区间低轨波磨仍存在，波长不变，但峰值下降，高轨及其它扣件区间与ISO 3095标准相差不大，即钢轨表面平滑无波磨。

图6 钢轨波磨粗糙度谱图

从表4中可知，浮轨扣件更换后，原普通扣件区间内低轨波磨降低4.2 dB(A)，高轨增加1.8 dB(A)，原中等减振扣件区间内波磨降低1.3 dB(A)，高轨增加0.7 dB(A)，表明浮轨扣件整体上能够抑制钢轨波磨发展。

表4 钢轨波磨粗糙度总级/dB(A)(参考值为1×10-6m)

3.4 车内振动噪声测试分析

从图7(a)可知，50 Hz～1 000 Hz频段内普通扣件区间内车内噪声显著高于另外两种扣件区间内噪声，受钢轨波磨影响，在63 Hz处普通扣件出现峰值，中等减振扣件和浮轨扣件车内噪声变化整体上趋势一致，而浮轨扣件在1 000 Hz处出现的峰值整体上抬高总声压级。图7(b)中，除20 Hz～40 Hz频段外普通扣件区间内车内振动整体上最高，中等减振扣件和浮轨扣件区间内车内振动互相交错，其作用频段各不相同。

从表5可知，与普通扣件相比，改造后浮轨扣件区间总声压级减少6.6dB(A)，总振动级减小5.3dB(Z)。

表5 上行线车内振动噪声总级

3.5 敏感建筑物振动及二次辐射噪声分析

从图8(a)可知，改造前后列车经过时二次辐射噪声均在63 Hz出现峰值，改造后峰值下降，主要在31.5 Hz～80 Hz、125 Hz～400 Hz频带内二次声辐射降低。

图8(b)中振动曲线均在63 Hz处出现峰值，且改造后峰值下降，主要在31.5 Hz～200 Hz频带内地面振动降低。从表6可知，改造前后地面垂向振动减小6.3 dB(Z)，二次辐射噪声减小4.0 dB(A)。

表6 列车运行时敏感建筑物振动噪声情况

4 结语

（1）浮轨扣件区间内钢轨下沉量最大，为1.73 mm，在国家铁路线路标准8 mm的范围之内，表明浮轨扣件在列车低速运行过程中具有较好的安全性能。

图7 车内噪声和振动1/3倍频程频谱图

图8 改造前后室内二次辐射噪声和地面垂向振动1/3倍频程频谱图

（2）与普通扣件区间相比，浮轨扣件区间高低轨总振动级分别增大2.3 dB(A)和2.4 dB(A)，隧道壁垂向振动降低12.2 dB(Z)，车内总声压级减少6.6 dB(A)，车体垂向总振动级减小5.3 dB(Z)。对于敏感建筑物，改造前后地面垂向振动减小6.3 dB(Z)、二次辐射噪声减小4.0 dB(A)。综合以上表明浮轨扣件具有优良的减振降噪性能。

（3）改造后，原普通扣件区间内低轨波磨降低4.2 dB(A)，高轨增加1.8 dB(A)，原中等减振扣件区间内波磨降低1.3 dB(A)，高轨增加0.7 dB(A)，表明浮轨扣件有效抑制了钢轨波磨发展。