两种新型材料地铁轨枕的频响特性和减振特性分析

赵鑫江　何大智　许孝堂　于海龙

摘要：为了研究环氧树脂材料和不饱和聚酯材料制作的地铁轨枕的减振性能，通过力锤敲击试验和理论分析的方法，对比分析了两种新型材料轨枕和传统混凝土轨枕的频响特性和减振特性。通过分析三种轨枕的频响特性数据发现，对于轨枕的多数垂向共振频率所对应的共振峰，三种轨枕共振峰的共振频率和共振峰值无明显差异；对于轨枕的多数横向共振频率所对应的共振峰，三种轨枕共振峰的共振频率无明显差异，但不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值最小。通过分析三种轨枕的阻尼比发现，两种新型材料轨枕比传统混凝土轨枕的减振性能都更好，其中不饱和聚酯材料轨枕的减振性能在三者中最好。

关键词：减振；环氧树脂材料；不饱和聚酯材料；轨枕；力锤

中图分类号：U213.3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.05.009

文章编号：1006-0316 （2023） 05-0052-06

Analysis of Frequency Response and Vibration Reduction Characteristics of

Two Metro Sleepers Made of New Materials

ZHAO Xinjiang1，HE Dazhi2，XU Xiaotang3，4，YU Hailong5

（ 1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.GRG Metrology & Test （Chengdu） Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China; 3.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 4.GERB （Qingdao） Vibration Control Co.， Ltd.， Qingdao 266108， China; 5.Dalian A.L.X Machinery Co.， Ltd.， Dalian 116003， China ）

Abstract：In order to study the vibration reduction performance of two metro sleepers made of epoxy resin and unsaturated polyester materials respectively， the force-hammer excitation test and the theoretical analysis are used to compare the frequency response and vibration damping characteristics of the two new-material sleepers with a traditional concrete sleeper. By comparing and analyzing the frequency response characteristics of the three types of sleepers， it is found that the resonance frequencies of the resonance peaks of the three types of sleepers have only slight difference in terms of the vertical resonance frequencies of the sleepers. And also， there is no significant difference in the resonance frequencies of the three sleepers in terms of the transverse resonance frequencies of sleepers， and the resonance peak value of the unsaturated polyester sleepers is the smallest among the three sleepers. The damping ratios of the three sleepers show that the vibration reduction performance of the two new-material sleepers is better than that of the traditional concrete sleeper. In particular， the vibration damping of the unsaturated polyester sleeper is the best among the three sleepers.

Key words：vibration reduction；epoxy resin materials；unsaturated polyester materials；sleeper；force-hammer

地鐵是城市轨道交通的一种重要形式，但运行过程中不可避免地给城市带来振动和噪声问题[1-3]。由于混凝土轨枕存在弹性差、脆性大、减振性能不足等缺陷，近年世界各国都致力于研制和应用新减振材料的轨枕，如复合式轨枕、纤维混凝土轨枕、树脂合成轨枕等[4-5]。

对于传统混凝土轨枕和新型材料轨枕的减振性能，国内外学者开展了诸多研究。赵振航等[6]采用落轴激励试验和理论分析的方法，分析得出复合轨枕和弹性轨枕有砟轨道的动力特性。Kaewunruen等[7]对预应力混凝土轨枕进行冲击试验，得出预应力混凝土轨枕的累积冲击损伤和裂纹扩展，以及预应力混凝土轨枕的合成弯矩与施加冲击力间的关系。崔幼飞[8]对树脂合成轨枕进行了反复弯曲的疲劳强度试验，得出树脂合成轨枕的弯曲强度、竖向抗压强度和剪切强度等参数，同时测试了螺栓抗拔强度。

上述研究主要是针对传统混凝土轨枕或新型材料轨枕的减振性能，但将多种轨枕放在相同试验工况下进行对比研究的较少，难以评价不同材料轨枕的减振性能的差异。因此，本文建立轨枕减振测试试验台，通过力锤敲击试验和理论分析的方法，对比分析环氧树脂材料轨枕、不饱和聚酯材料轨枕和传统混凝土轨枕的频响特性和阻尼比，为新型材料轨枕的应用提供技术支持。

1 轨枕减振性能测试试验

为更好地对比分析新型材料轨枕的减振性能，试验选择了两种新型材料轨枕和传统混凝土轨枕，如图1所示。为便于试验记录和对比分析，将三种类型轨枕进行编号，分别是1号环氧树脂材料轨枕、2号不饱和聚酯材料轨枕和3号混凝土轨枕。环氧树脂材料轨枕的成分是高强度环氧树脂、硬化剂和特种添加剂，经过科学系统配置高纯度、高强度矿物骨料填充物复配而成的混合物在模具中浇铸而成。不饱和聚酯材料轨枕和环氧树脂材料轨枕的成分区别是用不饱和聚酯代替高强度环氧树脂。传统混凝土轨枕是地铁中现在常用的混凝土轨枕。

在节约成本的前提下，为了得到环氧树脂材料轨枕、不饱和聚酯材料轨枕和传统混凝土轨枕的振动特性，本文设计制造了轨枕减振测试试验台，如图2所示。试验台由一根500 mm长的60 kg/mm钢轨、一套DTVI2型扣件系统、不同类型轨枕、两条尼龙绳和一根支架组成。为了更加真实地模拟现场轨道结构，试验中，将钢轨、扣件系统分别与试验用的三种类型轨枕装配成整体。为了使三者整体处于自由状态，通过尼龙绳和支架将三者整体悬吊在半空中。

为更真实地模拟现场钢轨通过扣件系统向轨枕传递振动的路径，使用内置了加速度传感器的力锤在两扣件中间钢轨的轨头顶部中心垂向、横向敲击，如图3中①②所示。为测得力锤在垂向敲击钢轨时，不同类型轨枕的垂向加速度，在轨枕的底部安装加速度传感器，如图3中1号面所示。为测得力锤在横向敲击钢轨时，不同类型轨枕的横向加速度，在轨枕的短侧面安装加速度传感器，如图3中2号面所示。

2 三种轨枕的频响特性分析

通过轨枕减振性能测试试验，可以得到力锤激励作为输入的时域信号，以及力锤激励下不同类型轨枕作为输出的时域信号。为了得到力锤激励下不同类型轨枕的频响特性，将不同类型轨枕的输出信号和与之对应的输入信号都经过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT），然后将频域下的输出信号比输入信号，得出的结果就是不同类型轨枕的频响函数。

2.1 中低频响特性分析

为得到钢轨受力锤激励下不同类型轨枕的垂向和横向中低频响特性，截取0～600 Hz区间的三种轨枕的频响函数，结果如图4所示。虚线框位置为共振频率。

由图4（a）可以看出，三种轨枕的垂向共振频率无明显差异，均在150～200 Hz之间。在该范围内，相比传统混凝土轨枕，环氧树脂材料轨枕的共振峰值更大，不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值更小。此外，在0～100 Hz和400～600 Hz之间，三种轨枕的振动幅值无太大差异。在100～400 Hz之间，相比传统混凝土轨枕，环氧树脂材料轨枕的振动幅值更大，不饱和聚酯材料轨枕的振动幅值更小。

由图4（b）可以看出，三种轨枕的横向共振频率无明显差异，均在150～200 Hz和350～400 Hz之间。在150～200 Hz之间，相比传统混凝土轨枕，环氧树脂材料轨枕的共振峰值更大，不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值更小。在350～400 Hz之间，相比传统混凝土轨枕，环氧树脂材料轨枕的共振峰值更大，不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值相差不大。此外，在0～470 Hz之间，相比传统混凝土轨枕，环氧树脂材料轨枕的振动幅值更大，不饱和聚酯材料轨枕的振动幅值更小。在470～600 Hz之间，相比传

统混凝土轨枕，环氧树脂材料轨枕和不饱和聚酯材料轨枕的振动幅值均更小，其中不饱和聚酯材料轨枕的振动幅值最小。

2.2 中高频响特性分析

为得到钢轨受力锤激励下不同类型轨枕的垂向和横向中低频响特性，截取600～3200 Hz区间的三种轨枕的频响函數，结果如图5所示。

由图5（a）可知，三种轨枕的垂向共振频率无明显差异，均在1300～1500 Hz、2200～2400 Hz和2800～3000 Hz之间，且三种轨枕的共振峰值相差不大。此外，在600～3200 Hz之间，三种轨枕的振动幅值无太大差异。

由图5（b）可知，三种轨枕的横向共振频率无明显差异，均在1300～1500 Hz、2200～2400 Hz和2800～3000 Hz之间。在1300～1500 Hz和2200～2400之间，相比传统混凝土轨枕，环氧树脂材料轨枕的共振峰值均相差不大，不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值更小。在2800～3000 Hz之间，三种轨枕的共振峰值相差不大。此外，在600～1300 Hz之间，相比传统混凝土轨枕，多数情况下，环氧树脂材料轨枕和不饱和聚酯材料轨枕的振动幅值均更小，其中不饱和聚酯材料轨枕的振动幅值最小。在1300～3200 Hz之间，相比传统混凝土轨枕，多数情况下，环氧树脂材料轨枕的共振峰值均相差不大，不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值更小。

根据上述三种轨枕的共振频率和共振峰值对比分析可知，在低、中、高频区间，对于轨枕的多数垂向共振频率所对应的共振峰，三种轨枕的共振频率和共振峰值无明显差异；对于轨枕的多数横向共振频率所对应的共振峰，三种轨枕的共振频率无明显差异，但不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值最小。

3 三种轨枕的减振特性分析

在带有扣件系统的情况下，钢轨、扣件系统、轨枕可以简化为带阻尼的单自由度系统的振动模型。在此模型下，阻尼比可以表示弹簧上质量块振动衰减的快慢程度，是具有代表性的减振特性参数。半功率法和自由振动衰减法分别是频域及时域辨识结构模态阻尼比的最基本方法[9]。由于不同测试方法所确定的阻尼比存在一定的差异性[10]，为更加准确地测得三种轨枕的阻尼比，本文采用自由振动衰减法和半功率法进行阻尼比测试。

3.1 自由振动衰减法

自由振动衰减法是一种简便易行的阻尼测量方法。粘性阻尼系统的自由振动曲线如图6所示[11]。

由图6可知：

3.4 半功率法测试结果

采用半功率法对三种轨枕的阻尼比进行验证，测试结果如图9所示。可以看出，环氧树脂材料轨枕测得的阻尼比为0.582%，不饱和聚酯材料轨枕为1.73%，混凝土材料轨枕为0.475%。相比混凝土材料轨枕，环氧树脂材料轨枕的阻尼比增大22.5%，不饱和聚酯材料轨枕的阻尼比增大2.6倍。

对比自由振动衰减法，半功率法测得三种轨枕阻尼比的大小规律一致。两种方法得出的共同结论是不饱和聚酯材料轨枕的阻尼比最大，其次是环氧树脂材料轨枕的阻尼比，混凝土材料轨枕的阻尼比最小。

4 结论

通过力锤敲击试验和数值分析的方法，得到两种新型材料轨枕和传统混凝土轨枕的频响特性和减振特性。对比分析三种轨枕的频响特性数据和阻尼比，得出以下结论：

（1）在低、中、高频区间，对于轨枕的多数垂向共振频率所对应的共振峰，三种轨枕的共振频率和共振峰值无明显差异；对于轨枕的多数横向共振频率所对应的共振峰，三种轨枕的共振频率无明显差异，但不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值最小。

（2）自由振动衰减法测得的三种轨枕的阻尼比大小规律为：不饱和聚酯材料轨枕的阻尼比最大，其次是环氧树脂材料轨枕的阻尼比，混凝土材料轨枕的阻尼比最小。

（3）半功率法测得的三种轨枕的阻尼比大小规律和自由振动衰减法一致。验证了环氧树脂材料轨枕和不饱和聚酯材料轨枕的减振特性要优于传统混凝土轨枕。

（4）基于三种轨枕的频响特性和减振特性结论，相比其他两种轨枕，不饱和聚酯材料轨枕具有更大的应用价值。

参考文献：

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[11]高淑英，沈火明. 振动力学[M]. 2版. 北京：中国铁道出版社，2016：258.

收稿日期：2022-08-17

基金项目：四川省区域创新合作项目（2020YFQ0024）

作者简介：赵鑫江（1998－），男，江西余干人，硕士研究生，主要研究方向为轮轨关系，E-mail：ZHAOXinjiang1998@163.com。*通讯作者：何大智（1977－），男，重庆万州人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为试验技术、装备质量管理等，E-mail：183303308@qq.com。