基于锤击法的有轨电车嵌入式轨道减振性能试验研究

雷晓燕，魏 强，刘庆杰，冯青松，罗信伟

（1.华东交通大学 铁路环境振动与噪声教育部研究中心，南昌 330013；2.广州地铁设计研究院有限公司，广州 510010）

现如今进一步发展轨道交通，建立更加丰富立体的铁路线网可以更好促进国民经济的快速发展，提高人民生活水平。有轨电车自得到应用以来已经得到世界各国和地区的广泛认可，许多城市在轨道交通线路上广泛应用嵌入式轨道形式。而新型有轨电车是一种全新、先进的公共交通运输方式，它将传统的有轨电车形式进行了比较全面的升级与改造，设计更加新颖，可以达到中等的运量水平，并且该轨道形式对于城市环境较为环保并且可以满足社会对于可持续发展的基本要求。嵌入式轨道结构形式提高了整个轨道结构在竖向、纵向以及横向上的刚度。当车辆经过时，在钢轨两侧高性能填充材料的耗能作用下，钢轨振动被有效约束，同时这种结构形式降低了噪声的影响，具有可靠的安全性能，可以大幅度降低维修成本，非常适用于城市交通的应用与普及。Ling等[1]建立了两种轨道的动力学模型，将分析结果与常规轨道进行比较，体现出了该轨道形式出色的减振性能。Bu等[2]建立了混合交通区预埋轨道的有限元模型，分析了混合交通荷载作用下的局部受力和变形规律，提出了提高轨道稳定性的弹性模量的最佳范围；Sun等[3]针对嵌入式轨道结构不同于常规铁路轨道的振动与声辐射特性，采用耦合波数有限元和边界元模型进行了研究，分析了不同频段中钢轨和轨道板相互之间振动的交互关系，并设计了不同形状的预埋材料分析其辐射声功率特性；刘婷林[4]利用仿真软件分析了嵌入式轨道结构的减振降噪性能，并通过室内落锤法和自由落锤法对增设不同颗粒材料条件下的轨道结构减振降噪效果进行了对比试验研究，分析了不同粒径配比和密度方案对减振效果的影响。何远鹏等[5]同样建立了耦合动力学模型，得到的曲线可以清晰反映钢轨垂向刚度对于该轨道动态特性的影响。江小州[6]对槽内浇注料、降噪块等一些部件的主要影响参数(如弹性模量、阻尼参数等)进行调查，对有轨电车对嵌入式轨道在不同材料参数下的振动声辐射性能进行分析，得出了各部件参数的最优值。刘林芽等[7]结合了边界元和有限元的方法，将已经计算出的轨道系统竖向的相对高频的振动响应值应用到声辐射计算中作为边界条件，并通过计算得到了钢轨与下部结构的声辐射特性。康晨曦等[8]采用拓扑优化的方法改进了双层嵌入式轨道的设计，获得了比较匹配钢轨刚度的弹性模量数值，可以极大节约成本。毕澜潇等[9]在拓扑优化等相关理论的基础上，对嵌入式轨道结构槽内结构进行优化设计，给出了承轨槽的宽度的理想范围，同时给出了对于弹性模量取值的相应见解。汪力等[10]基于温克尔弹性地基分析轨道结构的优化设计，分析了关于其减振降噪方面的原理，针对其下部的基础形式给出了合理的方案。陈鹏等[11研发了一种可用于预制道床板的轨道结构系统，并对其组成原理以及设计理论进行了相关研究，为今后有轨电车轨道系统的设计方案研究提供了很好的借鉴和参考。冯青松等[12]对应用于简支梁桥的嵌入式轨道无缝线路的工况进行优化分析，结果表明，采用小阻力高分子材料可以明显减小钢轨附加作用力。我国引进嵌入式轨道较晚，对其研究进程相对缓慢，相关理论已经逐步完善，但对于嵌入式轨道进行实际的模型试验者较少。本文依据图纸，以实尺比例浇筑轨道模型。浇筑完成后对其进行振动特性试验分析，以加速度导纳为指标，通过在钢轨顶部施加垂向锤击激励，得到有轨电车嵌入式轨道钢轨的振动响应，同时对试验基地的CRTSⅡ型无砟轨道进行相同的试验，将得到的结果进行对比，分析嵌入式轨道的减振特性。

1 双层嵌入式轨道模型制作

1.1 嵌入式轨道部件材料参数

首先进行双层嵌入式轨道的模型浇筑，轨道结构包括60R2槽型轨、PVC管、填充材料以及轨道板。依据图纸进行模型材料的准备，为降低边界效应所带来的影响，设计模型总长度取为5 m。材料参数赋值见表1。

表1 嵌入式轨道结构材料参数

1.2 模型浇筑介绍

分层浇筑嵌入式轨道承轨槽内填充材料，上层填充材料弹性模量比下层更大。上下层填充材料都是由AB组料组成，配合比例为1:1。浇筑过程中，首先进行底层材料浇筑，静置45分钟待下层凝固之后进行顶层材料的浇筑。填充材料浇筑过程如图1至图4所示。

图1 模型准备

图2 A、B两种聚氨酯材料

图3 搅拌聚氨酯材料

图4 完成浇筑工作模型准备

2 振动特性试验

2.1 锤击法导纳试验原理

试验中采用了LMS TEST. LAB 软件所包含的Impact Testing 模块，这个测试模块内置多种形式的信号源（正弦、余弦信号源），测试的时候使用指定力锤激励轨道结构作为输入，此过程即用力锤模拟瞬态冲击过程，得到力信号；此时附着在轨道结构上的传感器可以获得结构的输出响应信号，数据采集仪获得了输入的力信号以及输出的响应信号，通过软件进行实时处理，并利用模态参数估算法，即可得到本次测试的传递函数。测试流程图见图5。

图5 测试流程图

本次测试所采用的衡量指标为加速度导纳，加速度导纳可以反映出结构的固有振动特性，并且输出激励的大小不会对其产生相应的影响。本次实验使用力锤激励轨道结构测试部分，数据采集仪会根据锤头以及传感器收集到力信号及响应信号，本次测试中，在力锤的激励下，该结构振动方程为：

其中：F就是外作用力的值；将实测加速度信号和锤击力输入的时域信号进行傅里叶变换并求商，即可得到加速度导纳：

2.2 试验仪器及测点布置

试验中采用比利时公司的LMS数据采集仪（24通道），如图6所示。传感器采用PCB垂向加速度传感器（352C04型），PCB力锤的型号为086D05型，所用合金锤头如图7所示。

图6 LMS数据采集仪

图7 PCB力锤

选取嵌入式轨道结构与CRTSⅡ型无砟轨道结构为研究对象，带宽设置为0～4 096 Hz；采用LMS Test.Lab 软件中的锤击测试法模块进行测试，布置测点时选取所浇筑轨道模型中钢轨的轨面内轨中心位置，每隔0.6 m 布置一个拾振点，从左往右依次编号为P1、P2、P3、P4、P5，共5 个拾振点；测试前利用砂纸打磨钢轨测试部位，并用酒精擦拭，此步骤可以除去钢轨测试部位的脏污及锈迹，确保试验结果的准确性。擦拭完成后，在拾振点位置布置垂向加速度传感器，并将其按照编号排列，同时记录好每个传感器的灵敏度系数并输入软件调试模块。布置完成后检测传感器与钢轨贴和程度，测点布置示意图见图8至图9。

图8 双层嵌入式轨道传感器布置示意图

图9 CRTS II型无砟轨道结构测点布置示意图

2.3 测试流程

连接力锤及各加速度传感器线缆，使用力锤垂向激励P3 点处，激励完成后，观察数据采集仪上P3点被施加激励时轨道上各测点的垂向振动响应结果以及仪器设置是否合理，并进行相应调试。调试完成后重复上述步骤，多次测试采集力信号及竖向振动加速度信号，计算得到频响函数并求平均值，进行多组试验，确保试验的准确性。

3 试验结果分析

3.1 嵌入式轨道结构与无砟轨道结构加速度导纳结果分析

考虑到对称效应，只选取轨道单侧测试结果进行展示；激励P3 点后，嵌入式轨道各测点的加速度导纳结果如图10所示；从图中可以看出嵌入式轨道加速度导纳响应幅值随频率的增大而呈现整体增大的趋势，但整体曲线较为平缓，并未出现过多的峰值，且峰值均小于0.5 g/N；选取P3为激励点时，钢轨振动加速度导纳在100 Hz、301 Hz处出现明显幅值，在198 Hz、1 580 Hz、362 Hz 处出现较明显低谷，说明嵌入式轨道形式对这几个频率下的振动抑制较明显，P1点在362 Hz处较反常出现低谷，幅值较小，且从整体来看，随着振动沿着纵向的传递，3个测点的加速度导纳数值逐级衰减，幅值相差一个数量级，说明了聚氨酯材料对于钢轨的振动沿钢轨纵向的衰减效果非常突出。

图10 激励P3点时嵌入式轨道各点导纳示意图

激励P3点后，无砟轨道各测点的加速度导纳结果如图11所示。

图11 P1、P2与P3点加速度导纳对比示意图

图11 反映了在20 Hz～2 000 Hz 范围内振动沿无砟轨道钢轨纵向传递的规律，从图中可以看出，在20 Hz～200 Hz范围内，钢轨振动加速度沿纵向有明显的衰减趋势，但在20 Hz～2 000 Hz 范围内，虽然可以看出激励点的导纳幅值略大于其余两点，但所差极小，并未体现出明显的衰减过程。可以看出，在高频段，无砟轨道形式对于钢轨振动沿纵向传递的抑制的能力较嵌入式轨道形式差。

3.2 嵌入式轨道与无砟轨道响应结果对比分析

现将两种轨道相同测点的导纳结果进行对比，见图12至图14。

图12 两种轨道P1点导纳结果对比

图13 两种轨道P2点导纳结果对比

图14 两种轨道P3点导纳结果对比

从图12至图14可以看到，在激励P3点时，无砟轨道与嵌入式轨道P3点的响应峰值相差不大，但从P1点与P2点的响应来看，嵌入式轨道沿纵向的衰减效果较无砟轨道更明显，体现了嵌入式轨道中阻尼材料的减振效果较好；

无砟轨道的3个测点在150 Hz～200 Hz范围内均出现峰值，而正相反，嵌入式轨道在该频段均为谷值，且两数值相差较为明显，说明了嵌入式轨道在该频段对于钢轨振动的抑制效应；无砟轨道在全频段出现峰值较多，传递函数曲线抖动较为明显，而嵌入式轨道曲线较少出现明显抖动，整体趋势较为平缓，曲线更为顺滑，体现了嵌入式轨道在全频段对于钢轨的减振效果较为突出。

4 结语

（1）嵌入式轨道加速度导纳响应幅值随频率的增大而整体显出增大的趋势，但整体曲线较为平缓，并未出现过多的峰值；钢轨振动加速度导纳在100 Hz、301 Hz 处出现明显幅值，在198 Hz、1 580 Hz、362 Hz 处出现较明显低谷，说明嵌入式轨道形式对这几个频率下的振动抑制较明显；且从整体来看，随着振动响应沿着纵向的传递，3个测点的加速度导纳数值逐级衰减，幅值相差一个数量级，沿纵向衰减效果极为明显；

（2）而无砟轨道3 个测点的曲线幅值在高频段并未体现出较为明显的差距，虽然无砟轨道与嵌入式轨道P3点高频处的响应峰值相近，但无砟轨道沿纵向的衰减效果远远不及嵌入式轨道；无砟轨道的3个测点在150 Hz～200 Hz范围内导纳结果均出现峰值，而正相反，嵌入式轨道在该频段均为谷值，且两数值相差较为明显，体现了嵌入式轨道在该频段对于钢轨振动的抑制效应；

（3）比较嵌入式轨道结构和无砟轨道结构同一测试点的测试结果可以发现，无砟轨道在全频段出现峰值较多，传递函数曲线抖动较为明显，而嵌入式轨道曲线较少出现明显抖动，整体趋势较为平缓，曲线更为顺滑，说明嵌入式轨道中高分子填充材料能够在全频段抑制钢轨的振动效应。