北京地铁采用调频式钢轨减振器抑制钢轨振动的试验研究*

刘卫丰， 张厚贵， 孟　磊， 吴宗臻， 张　衡

(1.北京交通大学土木建筑工程学院， 北京 100044；2.北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心， 北京 102208)



北京地铁采用调频式钢轨减振器抑制钢轨振动的试验研究*

刘卫丰1， 张厚贵1， 孟磊2， 吴宗臻1， 张衡2

(1.北京交通大学土木建筑工程学院， 北京 100044；2.北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心， 北京 102208)

北京地铁剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象，经调查和测试分析发现：剪切型减振器扣件轨道系统在200～400 Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因，而剪切型减振器扣件轨道系统在此频段内阻尼过小，无法有效抑制钢轨振动。在轨腰处安装一种调频式钢轨减振器来抑制钢轨振动，进而抑制波磨发展，并在北京地铁亦庄线进行了现场试验，主要测试指标为调频式钢轨减振器安装前后钢轨振动衰减率和钢轨振动加速度。试验结果表明：安装调频式钢轨减振器，大大提高了剪切型减振器扣件轨道系统在200～400 Hz频段内的钢轨振动衰减率，有效地抑制了此频段内钢轨的振动。

钢轨振动； 调频式钢轨减振器； 钢轨波磨； 剪切型减振器扣件

1　概　述

近年来，随着城市轨道交通的飞速发展，大量新建线投入运营。考虑到地铁振动对沿线的居民、精密仪器以及建筑物(尤其是古建筑)的影响，在北京地铁的很多区段采用了轨道减振措施来降低地铁振动对周围环境的影响。在这些轨道减振措施中大量采用了剪切型减振器扣件，尤其是地铁4号线、5号线和10号线一期、亦庄线等线路。但是，大量采用减振器扣件的轨道也带来了一些问题，其中一个比较显著的问题就是采用减振器扣件区段的钢轨出现了大规模的波磨问题。这里，波磨是指钢轨走形带表面出现的波浪形规律性不均匀磨耗现象。

2007年以来，北京地铁多条线路出现钢轨波磨现象，例如，北京地铁5号线于2007年10月7日开始试运营，2007年11月8日第1次发现了钢轨波磨，在部分直线、岔区、曲线段均有不同程度的波磨现象；地铁10号线一期于2008年7月19日开始试运营，2009年3月6日第1次在巴沟-苏州街区间曲线段发现钢轨出现了波磨；北京地铁4号线情况更为严重，2009年9月28日开始试运营，仅2周后即发现了波磨现象。

通过详细地调研发现，北京地铁剪切型减振器扣件区段钢轨波磨的特点有[1-4]：(1)波磨出现时间早；(2)与车速高度相关，集中出现在列车速度大于60 km /h区段；(3)直线段和曲线段均有出现；(4)波磨特征波长为50～80 mm，属于短波波磨；(5)波磨较为严重，波磨地段振动及振动诱发噪声显著增加，钢轨打磨后较短时间内波磨又迅速发展。

图1　剪切型减振器扣件区段钢轨波磨Fig.1　Corrugation exhibition on the rail with Egg fasteners

钢轨波磨不仅降低了钢轨使用寿命，增加了钢轨养护维修的工作量，也降低了乘车舒适性，甚至影响行车安全，所以波磨问题受到各方面的关注，各国的专家学者对钢轨波磨问题开展了大量的研究，取得了丰富的成果。Grassie在1993年[5]和2009年[6]发表两篇论文，根据前人以及自己的研究成果，对波磨的特点、形成机理及治理方案进行了归纳，将波磨分为6个类别，分别为：(1)响轨(Roaring)或Pinned-pinned共振型；(2)车辙槽型(Rutting)；(3)重载型(Heavy haul)；(4)轻轨型(Light rail)；(5)其他由P2力共振引起的波磨；(6)特殊轨道结构形式出现的波磨。

经过大量的现场调查、测试和研究，北京地铁剪切型减振器扣件地段的波磨不属于pinned-pinned共振型等前五种类型[4]，应归为特殊轨道结构形式出现的波磨。经大量测试和研究，发现剪切型减振器扣件轨道系统在200～400 Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因[2,4,7-8]。

另外，根据在北京地铁5号线相关区段的测试，发现剪切型减振器扣件轨道在200～400 Hz频段的竖向和横向阻尼比都在2%以下[2]，过低的轨道系统阻尼使得轮轨在此频段产生的振动能量无法通过轨道系统的阻尼得到有效衰减，在地铁列车荷载的激发下可能导致钢轨有脱离扣件系统的约束进行自由振动的趋势[9]。所以，如果能在这一频段采取措施来增加轨道系统的阻尼，抑制钢轨振动是控制并延缓波磨发生和发展的一个重要手段。基于此目的，北京地铁选择了一种调频式钢轨减振器(Tuned Rail Damper，以下简称TRD)安装在轨腰处，来抑制钢轨在200～400 Hz频段内的振动，并选择在北京地铁亦庄线旧宫站—亦庄桥站区间进行了现场试验，来检验安装TRD对增加轨道系统阻尼及抑制钢轨振动的效果。

2　TRD基本构造

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。原理上，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，通过对嵌入弹性体内的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的调整，可以针对特定频段来设计，使得TRD能够在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像，能有效地提高TRD的使用寿命，如图3所示。

图2　调频式钢轨减振器(TRD)横剖面图Fig.2　Tuned rail damper and its cross-section

图3　安装后的调频式钢轨减振器(TRD)Fig.3　The installed TRD

TRD从原理上来说，源于英国南安普顿大学Thompson团队对钢轨振动特性进行深入研究后研发的一种安装在钢轨上的阻尼吸振器。这种阻尼吸振器主要是为了减少钢轨振动带来的辐射噪声[10]。而Maes[11]及Wu[12]等在研究中发现，这种阻尼吸振器能有效地提高在轨枕节点共振频率(Pinned-pinned共振)范围的钢轨振动衰减率，这为抑制在轨枕节点共振频率范围内发生的短波波磨提供了一种可能。Croft[13]及Wu[14]等使用一种车轮-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：在吸振器的作用下，由轨枕节点共振引起的短波波磨的发展得到了有效地抑制，同时明显地减少了钢轨的振动和辐射噪声。

本文所论述的发生在北京地铁剪切型减振器扣件轨道上的钢轨波磨现象，虽然其固定波长机理的波磨特征频率范围(200～400 Hz)远远小于轨枕节点共振频率(约1000 Hz)，然而，由于提高轨道结构的阻尼，有助于吸收由于轮轨剧烈相互作用产生的振动能量并抑制其在钢轨上的传播，所以作为一种新的尝试，本文采用了工作频率调低至200 Hz的调频式钢轨减振器(TRD)，尽可能地提高在剪切型减振器扣件轨道的典型波磨特征频率范围(200～400 Hz)内轨道结构的阻尼，降低在该频率范围的轮轨相互作用引起的钢轨振动能量水平，从而达到抑制北京地铁剪切型减振器扣件钢轨波磨发展的目的。

无醛认定项目的实施为人造板和人造板制品生产商宣传无醛产品提供了可靠依据，规范了行业内的无醛制品的识别标准，有效的促进了人造板及其制品环保质量的提升，促进企业品牌的创建。

3　钢轨振动衰减率

钢轨振动衰减率是一个重要的钢轨动态参数。定义为：钢轨振动沿钢轨前进方向能量(振幅)传递的变化率，以dB/m为单位。它可以表示被测试区段的轨道结构在某频段内抑制钢轨振动的能力[15]。如果钢轨振动衰减率过低(小于0.1 dB/m)，表示钢轨有脱离扣件约束进行自由振动的趋势。钢轨振动过大可能引发和加剧波磨损害，严重时可能会使扣件松脱及弹条断裂。钢轨振动衰减率越大，说明轨道系统的阻尼越大。

钢轨振动衰减率的测试标准根据欧洲标准BS EN 15461:2008+A1:2010进行[16]。测试采用力锤来锤击钢轨的方式，根据规范要求，沿着钢轨的走向设置至少28个锤击点，具体设置如图4所示，而如果钢轨振动衰减率过低，则视情况可以在第28个锤击点以外再设置若干个锤击点。加速度传感器布置在如下两点：一是规范要求的0点处，即第1组扣件间距的正中位置(图4中c处)；第2个作为校核的测点，布置在从0点算起第5个锤击点处，即相邻的第二组扣件间距的正中位置(图4中1处正上方)。钢轨振动衰减率的测试包括竖向和横向两次测试。

布置好加速度传感器后，即可沿着钢轨走向依次锤击各个锤击点，对于每个锤击点，要求获得良好数据的有效锤击次数至少为5次，布置有传感器位置的有效锤击次数至少为10次。

假设可将钢轨振动分解为竖向和横向振动，且该振动波幅值按照指数衰减沿钢轨纵向传播，则距离采样点(0点)为x点处钢轨轨头的某1/3倍频程带宽内的频响函数幅值可以表达为

(1)

式中A(x0)为钢轨轨头0点处的频响函数幅值，β为频响函数幅值衰减系数，将该系数转换为衰减率的形式，则有

DR=20lgeβ=8.686β

(2)

式中DR为钢轨振动衰减率。而钢轨辐射振动能量与振动衰减率的关系式则可以表达为

(3)

若采用离散点锤击测试的钢轨轨头频响函数，则式(3)可以表示成如下形式

(4)

结合式(2)和(4)，可以得到

(5)

图4　钢轨振动衰减率的测点和锤击点布置方式Fig.4　Measurement points and excitation points of track decay rate

4　现场试验

为了比较TRD安装后对防治钢轨异常波磨损害的效果，现场试验区段应该选择两段，其一为TRD安装区段，其二为对比区段，两段扣件类型都为剪切型减振器扣件，列车运行条件和线路条件应基本相同，而且在安装TRD之前，两段的波磨情况也应基本相同。

基于以上的条件，再通过对北京地铁线路的筛选，最终选择的试验区段为地铁亦庄线旧宫站—亦庄桥站区间，TRD安装区段为旧宫站—亦庄桥站下行K6+830-K6+930，对比区段为旧宫站—亦庄桥站下行K6+730-K6+830，两段处于同一个曲线上，曲线半径为595 m，列车速度为70 km/h左右，匀速运行，两段的波磨情况均较为严重。

为了衡量TRD抑制波磨发展的实际效果，做了以下测试工作：钢轨振动衰减率、列车运行时的钢轨振动加速度、钢轨表面粗糙度。限于文章篇幅，本文只介绍钢轨振动衰减率和列车运行时的钢轨振动加速度。

2013年8月13～16日，在地铁亦庄线旧宫站—亦庄桥站区间对TRD进行了安装施工，在TRD安装之前两天，对钢轨振动衰减率和列车运行时的钢轨振动加速度进行了现场测试，在TRD安装之后两天，在同样的测点对这两项指标又进行了现场测试。

对于钢轨振动衰减率的测试，其加速度传感器布置和现场锤击情况如图5和6所示。对于钢轨振动加速度测试，在曲线内轨和外轨均布置了测点，每个测点均布置了竖向和横向两个加速度传感器，如图7和8所示。

图5　钢轨振动衰减率测试的加速度传感器布置Fig.5　Accelerometers in the measurement of track decay rate

图6　钢轨振动衰减率现场锤击试验Fig.6　Impact excitation in the measurement of track decay rate

图7　钢轨竖向振动加速度测试的传感器布置Fig.7　Accelerometer in the vertical direction on the rail

图8　钢轨横向振动加速度的传感器布置Fig.8　Accelerometer in the transverse direction on the rail

钢轨振动衰减率测试的仪器包括一台INV3018C型24位高精度动态信号采集分析仪，两个加速度传感器，一个力锤。动态信号采集分析仪可以进行8通道同步输入，分析频率最高可达51.2 kHz，频率精度在0.01%以内。它是一套具有24位动态信号采集记录的系统，能提供一个模拟抗混滤波器和一个120 dB/octave线性相位数字滤波器，以防止信号混叠和相位失真。加速度传感器采用Lance AS0123T系列振动加速度传感器，量程为50g，频率范围为0.2～8000 Hz，分辨率为0.2mg。力锤采用型号为DYNAPULSE 5800B4的小型力锤，因为力锤质量小精度高，所以产生的力信号的脉冲时程短，频谱特性好。

钢轨振动加速度测试的仪器包括一台INV3018C型24位高精度动态信号采集分析仪，4个加速度传感器，动态信号采集分析仪具有与钢轨振动衰减率测试仪器同样的参数，加速度传感器采用Lance LC0123T系列振动加速度传感器，量程为200g，频率范围为0.7～11000 Hz，分辨率为0.8mg。

在获得所有锤击点锤击激励下的加速度响应之后，根据式(5)即可计算出钢轨振动衰减率。图9和10分别为TRD安装前和TRD安装后剪切型减振器扣件轨道竖向和横向的钢轨振动衰减率。

从图9和10中可以看出，TRD安装前的剪切型减振器扣件轨道的钢轨振动衰减率较低，尤其是在200～400 Hz，钢轨振动衰减率小于0.05 dB/m，这也说明了剪切型减振器扣件轨道在这一频段的阻尼过小。TRD安装后的剪切型减振器扣件轨道的钢轨振动衰减率有了较大的提高，而在200～400 Hz频段内提高更多，例如在250 Hz，TRD安装后的竖向钢轨振动衰减率是安装前的38倍。所以，安装TRD可以非常有效地提高剪切型减振器扣件轨道的阻尼，从而抑制钢轨的振动。

图9　TRD安装前后剪切型减振器扣件轨道竖向钢轨振动衰减率Fig.9　Vertical track decay rates before and after TRD installation

图10　TRD安装前后剪切型减振器扣件轨道横向钢轨振动衰减率Fig.10　Transverse track decay rates before and after TRD installation

采用TRD来抑制列车运行时钢轨的振动，可以通过列车运行时的钢轨振动加速度来更直接地反映。图11和12为TRD安装前后内轨和外轨竖向加速度的频谱图，从图中可以看出，安装TRD后的钢轨振动加速度在绝大多数频段内都比TRD安装前要小，在波磨的特征频率300 Hz附近，可以看到TRD安装前存在较大的共振峰值，而TRD安装后，虽然这个峰值仍然存在，但要比安装前小许多，这说明安装TRD后整个轨道系统的阻尼大大增加了，TRD具有良好的“削峰”作用。图13为TRD安装前后曲线内侧钢轨竖向振动加速度级的比较，图14为TRD安装前后曲线外侧钢轨竖向振动加速度级的比较。从图13和14中可以看出，安装TRD可以有效地降低钢轨的振动加速度响应，对于曲线内侧钢轨，在200～400 Hz频段内，安装TRD之后的竖向加速度级比安装之前要下降8～18 dB，对于曲线外轨，这个值为5～8 dB。

图11　安装TRD前后内侧钢轨振动加速度频谱Fig.11　Frequency content of the vertical pass-by acceleration on low rail before and after TRD installation

图12　安装TRD前后外侧钢轨振动加速度频谱Fig.12　Frequency content of the vertical pass-by acceleration on high rail before and after TRD installation

图13　TRD安装前后剪切型减振器扣件轨道曲线内侧钢轨竖向加速度级Fig.13　Vertical acceleration level on low rail in one-third octave band before and after TRD installation

图14　TRD安装前后剪切型减振器扣件轨道曲线外侧钢轨竖向加速度级Fig.14　Vertical acceleration level on high rail in one-third octave band before and after TRD installation

5　结　论

由于北京地铁多条线路的剪切型减振器扣件区段钢轨出现严重的波磨问题，剪切型减振器扣件轨道系统在200～400 Hz频段出现的轮轨共振是波磨产生的主要原因，而这种扣件系统的阻尼又偏小，无法有效抑制此频段内钢轨的振动。基于此，选择一种调频式钢轨减振器(TRD)来提高剪切型减振器扣件轨道系统的阻尼，进而抑制钢轨波磨的发展，并且在北京地铁亦庄线选择了一段试验段来进行现场试验，测试了钢轨振动衰减率和列车运行时的钢轨振动加速度。

测试结果表明：TRD安装后的剪切型减振器扣件轨道在200～400 Hz频段内钢轨振动衰减率比安装之前有较大的提高，安装TRD可以非常有效地提高剪切型减振器扣件轨道的阻尼，从而抑制钢轨的振动。另外，安装TRD之后的钢轨振动加速度在200～400 Hz频段内比安装之前下降许多，对于曲线内侧钢轨，安装TRD之后的竖向加速度级比安装之前下降8～18 dB，对于曲线外轨，则下降5～8 dB。

根据现场测试结果，TRD在200～400 Hz频段可以有效地提高剪切型减振器扣件轨道系统的阻尼，大大减小列车运行时钢轨的振动。而根据对此试验段钢轨表面粗糙度发展进行的长达15月的跟踪观测，TRD对抑制剪切型减振器扣件钢轨波磨的发展具有较好的效果。

[1]任静, 孙京健, 陈鹏, 等. 从钢轨异常波磨研究反思地铁设计[J]. 都市快轨交通, 2011, 24(3): 2—5.

Ren Jing, Sun Jingjian, Chen Peng, et al. Rethink about metro design from rail abnormal corrugation research [J]. Urban Rapid Rail Transit, 2011, 24(3): 2—5.

[2]刘维宁, 任静, 刘卫丰, 等. 北京地铁钢轨波磨测试分析[J]. 都市快轨交通, 2011, 24(3): 6—9.

Liu Weining, Ren Jing, Liu Weifeng, et al. In-situ tests and analysis on rail corrugation of Beijing metro [J]. Urban Rapid Rail Transit, 2011, 24(3): 6—9.

[3]郭建平, 刘维宁, 雷黔湘, 等. 北京地铁4号线钢轨异常波磨调查及整治措施[J]. 都市快轨交通, 2011, 24(3): 10—13.

Guo Jianping, Liu Weining, Lei Qianxiang, et al. Survey on and solutions to abnormal rail corrugation problem of Beijing metro line 4 [J]. Urban Rapid Rail Transit, 2011, 24(3): 10—13.

[4]Zhang Hougui, Liu Weining, Liu Weifeng, et al. Study on the cause and treatment of rail corrugation for Beijing metro [J]. Wear, 2014, 317(1/2): 120—128.

[5]Grassie S L, Kalousek J. Rail corrugation: characteristics, causes and treatments [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 1993, 207: 57—68.

[6]Grassie S L. Rail corrugation: characteristics, causes and treatments [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2009, 223(6): 581—596.

[7]曾向荣, 高汉臣, 陈鹏, 等. 城市轨道交通钢轨波磨成因的探讨[J]. 都市快轨交通, 2011, 24(3): 14—16.

Zeng Xiangrong, Gao Hanchen, Chen Peng, et al. Discussion on the cause of rail corrugation in urban rail transit [J]. Urban Rapid Rail Transit, 2011, 24(3): 14—16.

[8]闫子权, 谷爱军, 黑勇进, 等. 轮对振动对产生钢轨异常波磨的影响[J]. 都市快轨交通, 2011, 24(3): 22—25.

Yan Ziquan, Gu Aijun, Hei Yongjin, et al. Influences of wheel set vibration on rail abnormal corrugation [J]. Urban Rapid Rail Transit, 2011, 24(3): 22—25.

[9]谷爱军, 刘维宁, 张厚贵, 等. 地铁扣件刚度和阻尼对钢轨异常波磨的影响[J]. 都市快轨交通, 2011, 24(3): 17—21.

Gu Aijun, Liu Weining, Zhang Hougui, et al. Impact of rail fasteners' stiffness and damping on abnormal rail corrugation [J]. Urban Rapid Rail Transit, 2011, 24(3): 17—21.

[10]Thompson D J, Jones C J C, Waters T P, et al. A tuned damping device for reducing noise from railway track [J]. Applied Acoustics, 2007, 68(1): 43—57.

[11]Maes J, Sol H. A double tuned rail damper-increased damping at the two first pinned-pinned frequencies [J]. Journal of Sound and Vibration, 2003, 267(3): 721—737.

[12]Wu T X. On the railway track dynamics with rail vibration absorber for noise reduction [J]. Journal of Sound and Vibration, 2008, 309(3/5): 739—755.

[13]Croft B E, Jones C J C, Thompson D J. Modelling the effect of rail dampers on wheel-rail interaction forces and rail roughness growth rates[J]. Journal of Sound and Vibration, 2009, 323: 17—32.

[14]Wu T X. Effects on short pitch rail corrugation growth of a rail vibration absorber/damper [J]. Wear, 2011, 271(1/2): 339—348.

[15]David Thompson. Railway Noise and Vibration: Mechanics, Modelling and Means of Control [M]. Linacre House, Jordon Hill, Oxford OX2 8DP, UK, 2009.

[16]BS EN 15461:2008+A1:2010. Railway applications-Noise emission-Characterisation of the dynamic properties of track sections for pass by noise measurements [S]. London: BSI-British Standards Institution, 2010.

A test of suppressing rail vibration by tuned rail damper for Beijing metro

LIUWei-feng1,ZHANGHou-gui1,MENGLei2,WUZong-zhen1,ZHANGHeng2

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Subway Operation Technology R & D Center, Beijing Metro Operation Co., Ltd., Beijing 102208, China)

The rail corrugation on the track using the Egg fastener becomes a serious problem on several operating lines of Beijing metro in recent years. The investigations and field measurements show that the corrugation is mainly induced by the resonance vibration in the train/track system at 200-400 Hz. And the damping on the Egg fastener track in 200-400 Hz range is not sufficient to suppress the resonance vibration. To suppress the vibration of rail, the Tuned Rail Damper (TRD) was installed on the rail web to provide effective damping on the Egg fastener track. And a test was carried out on Yizhuang line of Beijing metro to evaluate the effectiveness of suppressing rail vibration. The track decay rate and the pass-by acceleration on the rail were measured before and after the TRD installation. The measurement results show that TRD is an effective treatment for increasing the decay rate and reducing the vibration of rail on the Egg fastener track.

vibration of rail; tuned rail damper; rail corrugation; Egg fastener

2014-12-19；

2015-07-03

国家自然科学基金资助项目(51378001)

U211.3

A

1004-4523(2016)01-0105-07

10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2016.01.014

刘卫丰(1975—)，男，博士，副教授。电话：(010)51682752; E-mail：wfliu@bjtu.edu.cn