谐振式浮轨扣件系统减振效果的分析

王志强，王安斌，雷涛，段勇奇

（1.中船重工第七二五研究所，洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南省减振降噪材料工程技术研究中心,河南洛阳471003; 2.成都地铁运营有限公司，成都610000）

谐振式浮轨扣件系统减振效果的分析

王志强1，王安斌1，雷涛2，段勇奇1

（1.中船重工第七二五研究所，洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南省减振降噪材料工程技术研究中心,河南洛阳471003; 2.成都地铁运营有限公司，成都610000）

为了减少因地铁列车运行时钢轨产生的振动，研发了一种改进型高刚度的谐振式浮轨扣件系统，它充分利用其谐振及弹性元件的动力吸振和隔振特点，能有效地减少钢轨及道床的振动。运用轨道变形及振动、道床及隧道壁振动的测试方法，分析在成都地铁一号线路上分别采用DTV I2型扣件和谐振式浮轨扣件的减振效果。对比试验表明谐振式浮轨扣件具有较好的钢轨减振能力，取得了很好的减振及隔振综合效果，道床及隧道壁的振动水平在改进型谐振式浮轨扣件道床相对DTV I2型扣件道床降低8～9 dB左右，谐振式浮轨扣件的轨道变形也满足线路安全设计标准的要求。

振动与波；地铁；浮轨扣件；隔振和吸振。

振动和噪声是城市轨道交通影响环境的主要方面，随着近几年城市轨道交通的发展，人们对此问题越来越重视，减小轨道交通的振动和降低噪声是提高沿线居民的生活质量，是轨道交通可持续发展的关键之一[1]。

当列车以一定速度通过轨道时，车辆和轨道及其基础结构等在空间各个方向产生振动，引起振动强弱的原因有：轨道几何形位的静、动不平顺、钢轨顶面波浪形磨耗、钢轨接缝，列车速度的大小，车轮踏面擦伤、车轮波浪形磨耗、车轮踏面不圆顺等等。由于车辆和轨道这两个系统的振动是一种耦合关系，这种耦合振动最终要通过轨道结构传递形成输出。因此，轨道结构既是激振振源，也是振动传播途径中一个重要环节，直接影响周边结构最终的振动响应，以振源和传递途径为对象研究地铁的减振性能是较为合理，也是最有效的方法之一[2]。

针对地铁运用环境，新研发了一种标准谐振式浮轨扣件，它属于一种无（金属）弹性件可分离式高等减振扣件[3]，相对普通减振扣件，其减振量在12 dB以上[4]，同时能显著降低钢轨振动及由此引发的噪声辐射，并大大减轻钢轨波磨，延长了钢轨使用寿命，改善了乘坐舒适性。针对成都地铁一号线升仙湖至火车北站之间上下行区间Z(Y)DK3+500～Z(Y) DK3+550路段，进行了采用DTVI2扣件系统及改进型高刚度谐振式浮轨扣件的对比试验，对比了在同一个点处的轨道动态变形及振动情况，实际验证了谐振式浮轨扣件的减振及隔振效果[3]。

1 轨道扣件系统

1.1 更换前的DTVI2扣件系统

成都地铁一号线轨道工程现有的DTVI2扣件为弹性分形式，扣件节点的设计垂直静刚度为20～40 kN/mm，适用于60 kg/m钢轨隧道内、U型结构及地面枕式整体道床地段。

图1 DTVI2型扣件

1.2 更换后改进型谐振式浮轨扣件

标准的谐振式浮轨扣件具有低刚度（5～8 kN/ mm），该线路改造时，为了与改造地段两端的过渡段形成平稳对接，需要设计5～10 m过渡段扣件刚度。由于改造线路较短，按成都地铁设计部门要求，将标准谐振式浮轨扣件的垂向静刚度统一提高到12～16 kN/mm的改进型高刚度谐振式浮轨扣件。由于扣件刚度的提高，改进型浮轨扣件的减振效果将比标准浮轨扣件低，适用于60 kg/m钢轨隧道内、U型结构及地面枕式整体道床等多种地铁线路。

谐振式浮轨扣件中的橡胶支撑楔块内含谐振质量块，按照动力吸振器原理工作，当钢轨发生振动时，通过谐振质量块产生的谐振，在低频、中频和高频段内转移和吸收钢轨的振动能量，从而降低了钢轨的振动和噪声辐射；同时根据钢轨波磨的典型波长范围设计相应的谐振系统来抑制钢轨波磨激励产生的响应，减小因钢轨波磨而产生的振动和噪声，降低轮轨间作用力。

图2 更换后的改进型谐振式浮轨扣件

2 运行条件下的动态测试

动态测试安排在地铁列车正常运营状况下行车高峰时段进行，记录30列车的振动数据，各种工况试验比较应尽可能记录同等线路、同等车型、相近车速条件下的试验结果。测试项目包括轨道变形、轨道振动、隧道振动等方面的测试。

2.1 轨道变形测量

轨道变形测量选在改造地段中部，测试如图3所示两个扣件跨度的1/2处典型位置进行。轨道相对混凝土道床的变形通过位移计进行测量。传感器安装在与道床相连的万向节支架上，每个传感器探头都垂直于目标板上的测量表面。

图3 轨道振动变形位移计布置图

钢轨的变形测试由6个测点组成，其中4个用来测量钢轨两边相对道床的垂直变形，2个用来测量钢轨相对道床的横向变形，所有传感器均布设在1/2的断面上，具体位移传感器分布如图4所示。

图4 跨度1/2处钢轨相对道床的布置

钢轨下沉量：由钢轨两边测得的垂直变形量取平均值来估算。

钢轨翻转量：即钢轨的扭转变形，由钢轨在轨脚处外侧的变形量减去内侧的变形量除以2，然后乘以几何系数（轨脚宽度除以轨脚外侧垂直变形传感器到轨脚内侧垂直变形传感器之间的距离）求得。

轨头水平变形量：可以从钢轨的扭转变形乘以由钢轨截面衍生的几何系数，再加上相应的轨脚横向变形量。

2.2 轨道振动测量

轨道的振动测量位置与钢轨变形测试位置相同，即在扣件跨度的1/2处截面处，测量传感器位置如图5进行，具体布点如下。

图5 振动测量加速度计布置图

主要测试点有：.

（1）左右钢轨轨底的垂直方向及轨腰的横向振动（图6）；

（2）轨道混凝土道床中心的垂直方向和横向振动（图6）；

图6 跨度1/2处钢轨及道床上加速计位置图

A1、A4：测量钢轨垂向加速度；

A2、A5：测量钢轨横向加速度；

A7：测量道床垂向加速度；

A8：测量道床横向加速度；

2.3 隧道壁振动测量

在钢轨变形和振动及道床振动测试的相同截面对应的隧道墙壁垂直及横向振动进行测量，主要利用固定在隧道壁上的固定块来放置加速度计，加速度计位置如图7所示。

图7 隧道壁振动加速度放置位置

A9：测量隧道墙壁垂向加速度；

A10：测量隧道墙壁横向加速度；

3 振动控制及振动评估

当列车在轨道上运行时，产生振动的频率范围很宽，其部分振动通过轨道扣件系统时衰减，由地面传送到附近的基础结构时又进一步衰减。由地面承受的振动频率一般从几赫兹到几百Hz。从轨道附近的建筑地面振动测得数据来看，集中在200 Hz以下，这些频率对于扣件系统的控制非常重要。

描述振动的大小可用位移、速度或加速度，对于环境振动水平的评估则取决于振动危害的对象。对于影响人体和环境的振动常用Z计权加速度级来表示，我国颁布的《城市区域环境振动标准》[5]就规定了垂向振级的限值。

从人体刚刚感觉到微弱振动(加速度约为10-3m/s2)，到人体能承受的最强振动(约为103m/s2)，振动加速度变化达百万倍，这给振动加速度的测量、运算和表达均带来极大的不方便。为此，国内外有关环境振动的标准一般采用振动加速度级来代替。

振动加速度级按下式定义[6]

式中a——振动加速度有效值，m/s2；

a0——基准加速度，城市区域环境振动标准与ISO相同，a0=10-6m/s2。

4 测试分析结果[7]

4.1 钢轨的动态变形测试分析

变形测量在线路的正常运营情况下进行，两根钢轨的变形分析细化到每个转向架的前轴和后轴。对相同的车轴（前轴和后轴）经过时产生的变形量取平均值。1上行线钢轨的动态变形结果

左右两钢轨动态变形对DTVI2扣件系统的变形平均值列在表1中，改进型浮轨扣件系统的变形平均值在表2中。当变形值为负值时对于垂直方向的变形则表示向下，对于横向或扭转变形则表示水平向外（轨距增加），计算的轨头横向变形也列在相同的表中。对于上行线DTVI2扣件系统，钢轨的净垂直变形量为0.60 mm，最大轨头横向变形量为-0.73 mm；对于改进型谐振式浮轨扣件系统，钢轨

4.1.的净垂直变形量为1.41 mm，最大轨头横向变形量为0.33 mm。

扭转变形负值——表示钢轨相对轨道中心向外转动（轨距扩大））；正值反之。

横向变形负值——表示钢轨动态轨距扩大；正值反之。

4.1.2 下行线钢轨的动态变形结果

左右两钢轨对DTVI2扣件系统的变形平均值列在表3中，改进型浮轨扣件系统的变形平均值在表4中。当变形值为负值时对于垂直方向的变形则表示向下，对于横向或扭转变形则表示水平向外（轨距增加），计算的轨头横向变形也列在相同的表中。对于上行线DTVI2扣件系统，钢轨的净垂直变形量为0.41 mm，最大轨头横向变形量为0.72 mm；对于改进型谐振式浮轨扣件系统，钢轨的净垂直变形量为1.32 mm，最大轨头横向变形量为0.24 mm。

表1 上行线DTVI2扣件钢轨动态轨道变形

表2 上行线改进型浮轨扣件钢轨动态轨道变形

表3 下行线DTVI2扣件钢轨动态轨道变形

表4 下行线改进型浮轨扣件钢轨动态轨道变形

扭转变形负值——表示钢轨相对轨道中心向外转动（轨距扩大））；正值反之。

横向变形负值——表示钢轨动态轨距扩大；正值反之。

4.2 道床及隧道壁振动分析结果

道床和隧道墙壁的垂向Z振级VLz直接影响隧道上方地面及建筑物的振动环境水平。对道床和隧道墙壁Z振级的测量和分析主要感兴趣的主要频率范围大约从1 Hz到80 Hz，其振动用Z加权的加速度级dB(Z)表示。由于隧道横向振动分量的传播同样会影响隧道上方地面或建筑物的垂向Z振动特别是隧道两侧的振动，所以对道床和隧道墙壁的横向振动也采用Z振级给出振动水平评估参考。

4.2.1 上行线道床及隧道壁振动分析

图8给出上行线改进型谐振式浮轨扣件和DTVI2扣件两种道床结构道床和隧道墙壁的垂直方向的Z振级1/3倍频谱，图9给出改进型谐振式浮轨扣件和DTVI2扣件两种道床结构道床和隧道墙壁的横向的Z振级1/3倍频谱，在正常运营条件下的1/ 3倍频程测试结果。道床及隧道墙壁总Z振级如表5所示，从表5得出改进型浮轨减振扣件对于更换之前的DTVI2扣件隧道墙壁的横向插入损失为7.1 dB，道床及隧道壁垂直方向的插入损失为6.8 dB。在低频段1～80 Hz内，从图8和图9能看出，改进型浮轨扣件比DTVI2扣件有较为明显的减振效果。在40～125 Hz之间的减振效果比较明显，其中在63 Hz、80 Hz处，隧道壁的垂向、横向振动减振效果大概在6～17 dB，道床的垂向、横向减振效果大概在7～13 dB。

图8 上行线DTVI2和改进型浮轨扣件道床及隧道壁垂向Z振级1/3倍频谱

图9 上行线DTVI2和改进型浮轨扣件道床及隧道壁横向Z振级1/3倍频谱

表5 上行线DTVI2扣件和改进型浮轨扣件道床及隧道壁的Z振级VLzmax dB(Z)

4.2.2 下行线道床及隧道壁振动分析

图10给出下行线改进型谐振式浮轨扣件和DTVI2扣件两种道床结构道床和隧道墙壁的垂直方向的Z振级1/3倍频谱，图11给出改进型谐振式浮轨扣件和DTVI2扣件两种道床结构道床和隧道墙壁的横向的Z振级1/3倍频谱，在正常运营条件下的1/ 3倍频程测试结果。道床及隧道墙壁总Z振级表6所示，从表6得出改进型浮轨减振扣件对于更换之前的DTVI2扣件隧道墙壁的横向有明显的插入损失8.9 dB外，道床及隧道壁垂直方向的插入损失为6.9 dB。在低频段1～80 Hz内，从图10和图11能看出，改进型浮轨扣件比DTVI2扣件有较为明显的减振效果。在40～125 Hz之间的减振效果比较明显，其中在63 Hz、80 Hz处，隧道壁的垂向、横向振动减振效果大概在7～20 dB，道床的垂向、横向减振效果大概在6～16 dB。

图10 下行线DTVI2和改进型浮轨扣件道床及隧道壁垂向Z振级1/3倍频谱

图11 下行线DTVI2和改进型浮轨扣件道床及隧道壁横向Z振级1/3倍频谱

表6 下行线DTVI2扣件和改进型浮轨扣件道床及隧道壁Z振级VLzmax dB(Z)

5 结语

（1）成都地铁轨道交通一号线升仙湖至火车站北站上行区间，钢轨相对道床的垂向变形在DTVI2扣件路段和改进型浮轨扣件路段分别为0.60 mm和1.41 mm；同区段下行线区间，钢轨相对道床垂向变形在DTVI2扣件为和改进型浮轨扣件路段分别为0.41 mm、1.32 mm。上下行区间测试结果基本一致，且均符合铁路轨道工程质量评定验收标准5 mm的线路车辆运行安全要求[8]；

（2）在列车正常运营情况下，成都地铁轨道交通一号线升仙湖至火车站北站上行区间，最大动态轨距扩大量在DTVI2扣件路段和改进型浮轨扣件路段分别为0.73 mm和0.33 mm；下行区间，最大动态轨距扩大量在DTVI2扣件路段和改进型浮轨扣件路段分别为0.72 mm、0.24 mm；

升仙湖至火车站北站段上、下行区间DTVI2扣件路段和改进型浮轨扣件路段动态轨距扩大量均符合《中华人民共和国铁道部铁路线路维修规则》[9]对试验车速v＜100 km/h轨道动态轨距I级保养标准允许偏差管理值的规定（偏差-6～+12 mm范围内）；

（3）上行线改进型浮轨扣件相对于DTVI2扣件隧道墙壁的垂向振动插入损失为7.1 dB，道床垂向振动的插入损失为6.8 dB；下行线改进型浮轨扣件相对于DTVI2扣件隧道墙壁垂向振动插入损失为8.9 dB，道床垂向振动插入损失为6.9 dB。在成都地铁一号线升仙湖站至成都火车北站，在道床或隧道壁处，改进型浮轨扣件在1～80 Hz内相对于DTVI2扣件平均减振效果大约为8～9 dB。

[1]林常明，陈光冶.轨道交通噪声机理研究与控制[J].轨道交通噪声机理研究与控制.2003，4(2)：5-9.

[2]刘加华，练松良，城市轨道交通振动与噪声[D].交通运输工程学报，2002，3(2)1：29-33.

[3]洛阳双瑞橡塑科技有限公司.一种滑槽安装式悬浮钢轨减振减振扣件[P].实用新型专利，专利号：ZL 2011 2 0439915.4.2011.11.9.

[4]中国铁道科学研究院铁道建筑研究所.谐振式浮轨减振降噪扣件落锤试验[R].试验分析报告，2010.1-6.

[5]国家环境保护局.城市区域环境振动标准[S].GB10070-1988.

[6]铁科院铁建所.广州地铁四号线轨道动态测试及减振性能评估[R].2006.1-20.

[7]洛阳双瑞橡塑科技有限公司.成都轨道交通一号线轨道动态变形及振动测试分析报告[R].2012.-24.

[8]铁建设.铁路轨道工程质量评定验收标准[S].（TBJ413-1987）.

[9]中华人民共和国铁道部铁路线路维修规则[S].2001.

Experimental Study on Track Vibration Control Using a Tuned-damper Floating Rail-fastening System

WANG Zhi-qiang1,WANG An-bin1,LEI Tao2,DUAN Yong-qi1

(1.Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang Sunrui Rubber&Plastic Technology Co.Ltd., Research Center of Henan Province on Vibration and Noise Reduction Materials,Luoyang 471003; Henan China;2.Chengdu Metro Operation Co.Ltd.,Chengdu 610000,China)

In order to reduce the track vibration in METRO,an improved tuned-damper floating rail-fastening system with high stiffness has been developed.It makes full use of the dynamic isolator and absorber to effectively reduce the vibrations of rail and slab.This paper introduces the testing method of rail deformation and vibration measurements,and slab and tunnel wall vibration measurements in Chengdu Metro No.1 Line,where the DTV I2 fasteners and the improved tuneddamper floating rail-fasteners have been installed respectively.Mutual comparison of the tests show that the improved tuneddamper floating rail-fastener has a better damping effect for the rail vibration reduction than the other,and can achieve a good vibration insertion loss of 8～9 dB for the slab and the tunnel wall.And the track deformation with this system can also meet the safety requirements in the standard.

vibration and wave;metro;floating rail fastener;vibration isolation and absorption

TB52

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.022

1006-1355(2014)01-0095-06

2013-03-06

王志强（1986-），男，河南息县人，硕士，目前从事减振降噪材料研发、结构振动噪声分析。

E-mail:wzhiqiang86@126.com