重庆地铁采用WTMD抑制钢轨波磨及噪声的试验研究

林莉，伍强，李会超，尹学军, 3，李杰，陈常福，吴波波

重庆地铁采用WTMD抑制钢轨波磨及噪声的试验研究

林莉1，伍强1，李会超2，尹学军2, 3，李杰1，陈常福2，吴波波4

(1. 重庆轨道交通(集团)有限公司运营一公司，重庆 401120；2. 青岛科而泰环境控制技术有限公司，山东 青岛 266101；3. 隔而固(青岛)振动控制有限公司，山东 青岛 266108；4. 中国科学院声学研究所 北海研究站，山东 青岛 266023)

为研究宽频型调谐式钢轨阻尼器(Wide-frequency Tuned Mass Damper，简称WTMD)对抑制波磨和减小车内噪声的效果，基于WTMD设计原理及调频方法，通过前期测试得到钢轨波磨及噪声主频，从而确定WTMD型号，并在重庆地铁1号线双碑至石井坡上行高架桥曲线段进行了安装及现场试验研究，对同一半径(=545 m)曲线内钢轨安装WTMD区段与未安装WTMD区段进行对比测试，测试结果表明：安装WTMD后可以改善钢轨动力特性，在安装WTMD后车厢内1.5 m处噪声降低7.2 dBA；安装WTMD后钢轨在 250～5 000 Hz 频带内的阻尼特性得到明显改善，钢轨纵向振动衰减率分别在垂向和横向分别最大提升约28倍(3 150 Hz)和17倍(1 250 Hz)；该改造段内钢轨波磨的特征波长为40 mm，433 d跟踪测试结束时未安装WTMD的钢轨表面粗糙度级最大超出 TSI 3095:2010 限值达28 dB，而安装 WTMD 段无明显钢轨波磨现象，安装WTMD能够有效抑制钢轨波磨的发展。

钢轨波磨；钢轨振动；噪声；曲线段；宽频型钢轨阻尼器(WTMD)

目前，国内城市轨道交通正处在一个迅速发展的时期。各个城市地铁大规模建设的同时，也面临新的问题，如由钢轨波磨引起的螺栓断裂、弹条断裂、车厢内噪音、高架桥环境辐射噪声等问题[1]，这些问题不仅增加了轨道系统的维修养护成本，而且还影响着列车的安全行驶[2]。近年来，国内外学者对钢轨波磨的治理进行了大量研究，Egana等[3]利用改变钢轨表面摩擦因数和钢轨硬度来改善钢轨表面波磨状态，但是其采用涂油方式对行车安全存在一定隐患。刘卫丰等[4]研究了剪切型减振扣件对抑制钢轨波磨的效果，结果表明剪切型减振扣件内增设刚度垫块后，能够有效抑制波磨的发展。Grassie等[5]通过改变列车牵引力的方法来研究波磨的生成与发展。但目前对于高架桥曲线段钢轨波磨的研究较少。高架桥在地铁线路中占比越来越高，主要由于其建设工期短、成本低等优点，但在施工过程中由于许多因素影响，大部分线路基本均存在小于800 m半径的曲线段，而钢轨波磨主要集中出现在曲线段[6]，钢轨波磨的出现会恶化轮轨关系并增加轨道系统养护工作量[7−8]。这类波磨一般表现为波长均匀，波深范围一般为88～160 μm，波谷边缘的挤出现象[9−11]明显，波磨波长范围一般为 12.5～40 mm，属于短波波磨。根据对试验段内钢轨进行的传递函数测试得到，该轨道系统无论在垂向或横向，在大于250 Hz 频段内的阻尼比都很低(约0.8%)。有实际改造案例显示，WTMD能大大提高钢轨系统阻尼等特性，能有效抑制其钢轨表面波磨的产生及发展[12−13]。结合该曲线区段钢轨波磨的特点及前期研究成果，本文提出在现行轨道上安装WTMD来治理该高架桥曲线段钢轨波磨的方法，并开展了线上试验段试验研究。

1 试验段波磨和噪声特点

为了研究该试验段内钢轨波磨及噪声的特点，对重庆地铁1号线双碑至石井坡上行高架桥曲线段(曲线半径=545 m)钢轨波磨及噪声进行了研究。

经过波磨测试发现该曲线段波磨波长为12.5～40 mm短波波磨[14]，如图1所示，同时对该段车内噪声及环境辐射噪声进行测试，经过分析，结果如表1所示。

图1 高架桥曲线钢轨波磨

由表1得到，该曲线试验段钢轨波磨波长与扣件类型和速度等因素有关，波磨波长与速度确定后根据经验公式得到波磨主频率，经过测试结果发现该曲线段车内噪声主频与波磨主频较为一致，即对应工况下车内噪声及环境辐射噪声是由钢轨表面波磨直接引起，也就是说，钢轨表面波磨的严重程度直接影响车内噪声及环境辐射噪声的大小。同时，由测试结果可以得出该曲线段产生的短波波磨有可能是导致螺栓断裂的主要原因，具体验证需要进一步详细研究。

表1 试验区段轨道参数及钢轨波磨和噪声特点

2 WTMD的结构和原理

宽频型调谐式钢轨阻尼器(WTMD)由迷宫式约束阻尼板和钢轨动力吸振器组成，产品的钢轨断面结构如图2所示。迷宫式阻尼板采用高性能金属粘接剂粘接在钢轨轨腰两侧，在钢轨横向方向上连续贴满整个曲线段钢轨的轨腰两侧。钢轨调谐质量阻尼器布置在现有扣件的中间，钢轨翼缘两侧各一个，采用高性能的弹性粘合剂粘结在翼缘板和迷宫阻尼板上，然后采用弹簧夹进行二次防护，使产品达到结构安全可靠的防护要求。

图2 WTMD结构示意图

钢轨WTMD由弹性元件、质量块和支承框架组成，质量块放置在支承框架的空腔中，弹性阻尼元件放置在质量块与支承框架之间。通过改变在钢轨垂向及横向的弹性元件的刚度和阻尼特性，就可以实现改变产品吸振频率及阻尼比的效果，这种调整，可以通过控制弹性元件的材质、数量、尺寸等实现。在实际应用中，沿钢轨横向设置的弹性元件和沿钢轨垂向设置的弹性元件可以单独控制其刚度及阻尼比特性，从而分别满足钢轨在垂向和横向振动控制的不同需求。

根据该产品的设计原理以及经过前期对重庆高架桥曲线段内钢轨过车振动数据测试，经过分析可以得到钢轨过车时的一阶主频率为540 Hz，二阶主频率为740 Hz，因此，只要将WTMD的固有频率调至相应的过车主频率即可，通过实验室振动台对不同型号的WTMD进行调频试验，如图3所示，可以得到301-15型号WTMD的一阶频率为518 Hz，二阶和三阶频率分别为700 Hz和759 Hz，与过车振动及噪声主频率相近，故选择该型号为最终型号，实验室调频测试如图4所示。

图3 301-15型WTMD固有频率频谱图

图4 实验室WTMD调频现场

3 WTMD的轨道线路动态特性研究

轨道线路结构的动态响应可以用频率响应函数来直接反应，频响函数分析能够反映轨道线路系统在频域范围内的固有特性。为保证测试数据的可重复性，在WTMD安装段和对比段分别选取5组扣件上方与扣件跨中位置，进行垂向与横向频响函数测试(图5)，每组选取3次可靠数据进行分析。

图5 试验段频响函数测试

测试结果如图6所示，可以得出：对比段钢轨垂向一阶pinned-pinned共振频率为 1 030 Hz。WTMD安装段的垂向一阶pinned-pinned频率为1 038 Hz，并且对应频响函数幅值相比于对比段降低约75%。

对比段钢轨横向一阶pinned-pinned共振频率为510 Hz。WTMD安装段的横向一阶 pinned- pinned 共振频率为420 Hz，其频响函数幅值较对比段降低约 43%。WTMD安装段将对比段在473 Hz处跨中和1 317 Hz 处扣件上方的横向共振峰消除。

(a) 垂向；(b) 横向

综上，在安装 WTMD 后使得钢轨横向与垂向频响函数曲线均变得较为“平顺”，即：在激励条件相同情况下，钢轨横向和垂向频响函数幅值均明显降低。这为治理由轮轨关系引起的波磨具有重大意义。

4 WTMD的降噪抑磨效果研究

4.1 降噪效果研究

为了评价钢轨阻尼器的降噪性能，分别在安装前后(钢轨均未打磨条件下)同一测点对车内噪声进行了测试。声传感器布置在第3节车厢中间位置中轴线上(B型车，6节编组)，高1.5 m，位置布置情况如图7所示。

图7 车厢内声传感器位置

为了研究WTMD的治理效果，选取10组车厢内噪声测试结果进行平均计算对比。如图8所示，WTMD安装后在500 Hz以上频带声压级均有较大程度降低，经过计算得到WTMD安装后车厢内噪声比安装前降低7.2 dBA。

图8 安装WTMD前后车厢内噪声等效A声级

4.2 抑磨效果研究

为了评价WTMD的抑磨效果，对钢轨进行了振动衰减率(Decay rate)测试，它能够直接体现出钢轨系统的阻尼特性及振动能量在纵向传递能力的指标，单位为 dB/m。如果振动衰减率在某一频率范围内较低，说明在该频带内钢轨系统的阻尼较小，即列车运行时产生的振动能量可能不会得到有效的吸收，沿钢轨纵向传播较远。钢轨振动衰减率的测试及计算参照国际标准 BS EN 15461:2008 +A1:2010[16]的要求。

图9 振动衰减率测试

(a) 垂向；(b) 横向

试验段钢轨振动衰减率分析结果如图10所示。可以得出：在250～5 000 Hz 频带范围内 WTMD 安装段垂向振动衰减率比对比段有明显提高，钢轨垂向振动衰减率在3 150 Hz 频带处提高最大，约是对比段的 28倍；同样，安装段横向振动衰减率在125～5 000 Hz 频带范围内较对比段均有明显提高，横向振动衰减率在1 250 Hz频带处提高最大，约是对比段的17倍。

4.3 跟踪测试

为研究 WTMD在安装后对高架桥曲线段钢轨波磨治理的效果，现对钢轨轨顶走形带粗糙度进行连续跟踪测试。WTMD安装后并在钢轨重新打磨后第 128 d，采用高精度波磨小车(m|rail Trolley: Rail Roughness Measuring Device，以下简称m|推车式钢轨波磨仪，如图11)对改造段内、外轨表面走形带粗糙度进行第一次测试，并在重新打磨后分别于 370 d和 433 d进行第2和3次测试。参照国际标准BS EN ISO 3095:2005，分析评价指标采用钢轨表面粗糙度级(Lr)[17]和移动波深幅值峰峰平均值(PPR)[18]。

图11 使用m|推车式钢轨波磨仪进行钢轨表面粗糙度测试

4.3.1 对比段钢轨走形带粗糙度分析

钢轨在重新打磨后第433 d，对比段内钢轨波磨情况如图12所示。内轨存在显著短波波磨，外轨有侧磨现象，与WTMD安装前的表现形态较为一致。

经计算，在 30～100 mm 分析窗长下，对比段内、外轨的PPR 超限率(限值为 10 μm)分别于开始测试时的51%和 1%增大为 98%和 17%，尤其内轨已远远超过标准[18]规定的容许超限率(5%)。钢轨表面在典型波长40 mm处超出 TSI 3095:2010 限值达28.35 dB；外轨表面在典型波长20 mm处超限达 9.46 dB(图13)。

(a) 内轨；(b) 外轨

图13 对比段内、外轨表面粗糙度级

4.3.2 安装段钢轨走形带粗糙度分析

钢轨重新打磨后第 433 d，WTMD安装段钢轨表面波磨如图14所示，内、外轨均无明显波磨。经计算，在 30～100 mm 分析窗长下，安装段内、外轨PPR 超限率(限值为10 μm)分别于开始测试时的 1%和 2% 增大为 4%和 3%，均在标准规定的容许超限率(5%)内。内轨走形带粗糙度级满足 TSI 3095:2010 限值要求(图15)。WTMD安装段在安装完并重新打磨后，经过433 d正常运行，钢轨走形带未出现波磨。

(a) 内轨；(b) 外轨

图15 安装段内、外轨面粗糙度级

由第 4.3.1节钢轨表面粗糙度分析可以得到，试验段内轨40 mm 和外轨20 mm 波长为最具代表性的典型波长，因此将对比段与安装段的内轨40 mm 和外轨20 mm特征波长对应的钢轨表面粗糙度级随时间变化进行对比，如图16所示。图中的第0天为试验段安装 WTMD 后并重新打磨当天，其数值是根据所得3次粗糙度级增长率的平均值推测得到。由图 16可得，对比段内轨 40 mm 特征波长的粗糙度级随运行时间增长较快，而外轨20 mm波长粗糙度级增长缓慢，内外轨特征波长处的粗糙度级在打磨后433 d时分别增长到了28 dB(40 mm)左右和3 dB(20 mm)左右。安装段与对比段为同一曲线段内，无论是内轨的40 mm特征波长还是外轨的20 mm特征波长，其相对应的粗糙度级增长均较慢，至重新打磨后的433 d，内外轨的两特征波长粗糙度级均在TSI 3095:2010限值以内。对比结果表明：安装WTMD后，有效抑制了该高架桥曲线试验段钢轨波磨的产生和发展。

图16 试验段内外轨 40 mm和20 mm 特征波长粗糙度级随时间变化对比

5 结论

1) 安装WTMD后，列车中间车厢内高1.5 m处噪声降低7.2 dBA。

2) 安装WTMD后，该改造段内钢轨的动力特性得到有效改善，消除或降低了频响函数曲线中与钢轨波磨及噪声主频率对应的频响函数峰值。同时，提高了钢轨在一定频带范围内的钢轨纵向振动衰减率。

3) 持续433 d的钢轨表面走形带粗糙度跟踪测试表明，在安装WTMD后，能有效抑制和治理该高架桥曲线试验区段的钢轨波磨问题。

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Experimental study on using WTMD to suppress rail corrugation and noise in Chongqing metro

LIN Li1, WU Qiang1, LI Huichao2, YIN Xuejun2, 3, LI Jie1, CHEN Changfu2,WU Bobo4

(1. The First Operating Company of Chongqing Rail Transit (Group) Co., Ltd., Operating A Company, Chongqing 401120, China; 2. Qingdao Create Environment Control Technology Co., Ltd., Qingdao 266101, China;3. Gerb (Qingdao) Vibration Control Co., Ltd., Qingdao 266108, China;4. Qingdao Branch of Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266023, China)

In order to study the effect of Wide-frequency Tuned Mass Damper (WTMD) on suppressing wave wear and reducing interior noise, based on WTMD design principles and frequency modulation methods, rail corrugation and noise were obtained through preliminary tests. The main frequency was used to determine the WTMD model, and the installation and field test of the curve section of the upward viaduct from Shuangbei to Shijingpo of Chongqing Metro Line 1 were carried out. The WTMD section was installed and not installed on the railsof the same radius (=545 m) WTMD section for comparative testing. The test results show that the dynamic characteristics of the rail can be improved after the WTMD is installed, and the noise is reduced by 7.2 dBA at 1.5meters in the cabin after the WTMD is installed; after installing WTMD, the damping characteristics of the rail in the frequency band of 250 to 5 000 Hz have been significantly improved, and the longitudinal vibration attenuation rate of the rail has been increased by approximately 28 times (3 150 Hz) and 17 times (1 250 Hz) in the vertical and lateral directions respectively; The characteristic wavelength of the rail corrugation is 40 mm. At the end of the 433-day tracking test, the surface roughness of the rail without WTMD installed exceeds the limit of TSI 3095:2010 by 28 dB. However, there is no obvious rail corrugation phenomenon in the WTMD section. Effectively inhibit the development of rail corrugation.

rail corrugation; rail vibration; noise; curve segment; wide-frequency tuned mass damper (WTMD)

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200528

TB532；TB533

A

1672 − 7029(2021)04 − 1017 − 08

2020−06−15

中科院青年基金资助项目(QNYC201819)

林莉(1968−)，女，重庆人，高级工程师，从事城市轨道交通工程研究；E−mail：892073004@qq.com

(编辑 阳丽霞)