王志強，王安斌，魏軍光，湯 瑋

（中船重工 第七二五研究所，洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南省減振降噪材料工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽471003）

新型組合式道床系統(tǒng)靜動態(tài)特性試驗研究

王志強，王安斌，魏軍光，湯 瑋

（中船重工 第七二五研究所，洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南省減振降噪材料工程技術(shù)研究中心,河南 洛陽471003）

對于一種新型組合式道床試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進行了靜動態(tài)試驗，研究組合式道床系統(tǒng)在承受大載荷作用下，鋼軌以及道床板結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律，并將靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果相互對比。在負(fù)載狀態(tài)下對該系統(tǒng)進行了動態(tài)錘擊試驗，驗證安裝諧振浮軌減振扣件及道床隔振墊組合道床系統(tǒng)的總體減振效果。靜態(tài)力學(xué)特性數(shù)據(jù)表明：諧振浮軌扣件及道床隔振墊組合式系統(tǒng)理論計算與實際實驗值基本一致；動態(tài)試驗結(jié)果得到該組合道床系統(tǒng)在實驗室等效軸載14 t～16 t條件下20 Hz～200 Hz頻率范圍，平均減振量可達到25 dB。

振動與波；道床系統(tǒng)；靜態(tài)特性；減振性能

國內(nèi)軌道交通主要采用的承軌臺式混凝土道床結(jié)構(gòu)，由于只有扣件彈性墊板一個緩沖減振環(huán)節(jié),而軌道整體剛度大,其減振效果并不理想。若在承軌臺下設(shè)置一層隔振墊例如彈性套靴軌枕結(jié)構(gòu),便能大大降低軌道整體支承剛度，顯著提高軌道的隔振性能。這種結(jié)構(gòu)已廣泛被瑞士、丹麥、英國、法國等國家采用，特別是在英法海峽隧道和我國長大秦嶺隧道內(nèi)得到了成功應(yīng)用，證實是具有優(yōu)越的減振降噪性能[3]。但是，國內(nèi)對帶有橡膠減振墊的無碴軌道結(jié)構(gòu)理論設(shè)計以及試驗研究尚屬于初步階段，相關(guān)研究文獻甚少可見。借鑒此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，自主研發(fā)了一種新型組合式道床系統(tǒng)來提高道床隔振效果。組合式道床系統(tǒng)設(shè)計中綜合運用了隔振以及動力吸振的減振機理及特性，將多種減振措施巧妙地融為一體，并通過調(diào)整不同耦合子系統(tǒng)之間空間上的剛度、質(zhì)量比例分配關(guān)系，實現(xiàn)振動能量在傳遞途徑中最佳的隔離、衰減效果。

本文以組合式道床系統(tǒng)為研究對象，通過試驗方法對該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進行了研究，比較了道床墊結(jié)構(gòu)的加入以及不同扣件類型選擇對鋼軌及道床板靜態(tài)位移變形大小的影響，并將試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果進行了對比驗證，最后驗證了組合道床系統(tǒng)的動態(tài)減振效果。

1 組合道床系統(tǒng)及試驗裝置

1.1 組合道床試驗系統(tǒng)

組合式道床試驗系統(tǒng)的總體布局如圖1所示，該系統(tǒng)主要由高性能減振扣件、混凝土道床板、非線性道床隔振墊及混凝土道床基礎(chǔ)等組成，其在幾何外形以及彈性體支撐上與現(xiàn)有鋼彈簧式以及承軌臺式結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別，稱該軌道結(jié)構(gòu)為組合式道床系統(tǒng)。

圖1 試驗結(jié)構(gòu)布置示意圖

組合式道床系統(tǒng)是澆筑一個U水泥槽，在槽內(nèi)放置鋪設(shè)道床隔振墊，并且密封于水泥槽內(nèi)，試驗系統(tǒng)的道床隔振墊能根據(jù)不同剛度設(shè)計更換，在道床墊上放置道床板，安裝鋼軌及高性能減振扣件，并且鋼軌的兩端與專門設(shè)計的阻尼箱連接從而避免鋼軌截面的振動波反射，以便模仿無限長的軌道系統(tǒng)。道床試驗段中部安置一個加力系統(tǒng)，以模擬列車的軸載及輪軌動態(tài)激勵。

該系統(tǒng)的關(guān)鍵特點之一在于道床板與混凝土支承層間加入一層具有層次釘柱結(jié)構(gòu)的道床隔振墊，并具有明顯的非線性剛度特征，道床隔振墊的剛度隨車輛載荷的增加而提高，保持正常列車運行的平穩(wěn)性和隔振效果，也保證不同軸載車輛包括重負(fù)載的工程車的軌道安全性。同時應(yīng)用高性能減振扣件。從整個道床系統(tǒng)的物理構(gòu)造上看，軌道與高彈性減振扣件、道床板與道床隔振墊形成了一種雙層質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)；通過隔振系統(tǒng)質(zhì)量、剛度合理分配，可達到降低載荷傳遞系數(shù)，隔離寬頻振動向基礎(chǔ)傳遞的目的。另一方面，利用橡膠材料本身的阻尼特性消耗部分軌道的振動能量及向周圍基礎(chǔ)及建筑的傳遞。

1.2 等效輪軌載荷系統(tǒng)

國內(nèi)外對類似組合式道床系統(tǒng)的軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)用較晚且對其理論及試驗研究并不多見，為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性，在實際工程應(yīng)用之前進行的力學(xué)性能測試試驗是必不可少的。一般來說，在車輛行駛狀態(tài)下進行動態(tài)測試試驗最能較好地模擬現(xiàn)場通車時軌下結(jié)構(gòu)動態(tài)狀態(tài)，但這對軌道長度及設(shè)施要求很高，試驗成本大幅度增加。因此，本文介紹的試驗系統(tǒng)按試驗?zāi)康姆謨刹糠郑?/p>

第一、對于軌道系統(tǒng)強度及變形位移模擬試驗，采用結(jié)構(gòu)動力的準(zhǔn)靜態(tài)試驗，即在試驗中不考慮質(zhì)體運動的慣性力，將動態(tài)載荷轉(zhuǎn)化為靜輪載來處理。實際列車在軌道上運行，由于輪軌之間的動力效應(yīng)，導(dǎo)致作用在輪軌上的動載荷要比靜輪載大，但可以通過輪載增值系數(shù)進行修正[5]。本試驗中靜輪載施加是通過具有工型梁幾何剖面的液壓壓力架來實現(xiàn)，其加載能力可達500 kN，壓力架頂端中心受集中載荷作用，集中力經(jīng)過壓力架底端與相連的等效車輪接觸面?zhèn)鬟f載荷。因此，鋼軌兩端各受一半的集中載荷，這樣就可以用來模擬單輪對作用下軌道結(jié)構(gòu)的受力變形，多輪對靜載荷下的變形可通過力的獨立作用原理疊加合成；

第二、對于軌道系統(tǒng)在軸載及動態(tài)載荷條件下振動響應(yīng)及減振效果模擬試驗，采用系統(tǒng)預(yù)載荷加動態(tài)激勵試驗，即在試驗中準(zhǔn)靜態(tài)條件下疊加動態(tài)激勵，將實際車輛運行狀態(tài)載荷轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)分量和動態(tài)分量同時加載激勵系統(tǒng)來處理。本試驗系統(tǒng)中的動態(tài)分量由專用激振器或激振錘實現(xiàn)。為了排除軌道動態(tài)振動響應(yīng)通過加載激勵系統(tǒng)向道床基礎(chǔ)的傳播及加載激勵系統(tǒng)對軌道的耦合及附加約束影響，準(zhǔn)靜態(tài)加載系統(tǒng)與加載架設(shè)計有解耦隔離裝置，圖2給出了加載系統(tǒng)原理，其隔振頻率遠遠小于試驗感興趣頻率范圍的下限，對道床及地面振動研究，本試驗系統(tǒng)的設(shè)計有效頻率范圍為5 Hz～1 000 Hz。通過液壓裝置提供一定的軸載然后作用在隔振彈簧上，通過壓力架上的模擬車輪裝置加載在鋼軌上，以實現(xiàn)模擬現(xiàn)場輪軌作用力來完成試驗研究。

圖2 加載系統(tǒng)原理

2 組合道床系統(tǒng)試驗

2.1 測點位置布置

任何課程改革的推進都必須有課程資源的支持，教師職后教育課程也不例外。準(zhǔn)確定位課程之后，重中之重就是課程資源的建設(shè)。在“研修一體”背景下，如何合理開發(fā)與利用有效的資源來提升研修的效能，是對每一位課程設(shè)計者提出的新挑戰(zhàn)。區(qū)域研修課程設(shè)計者在實踐中不斷探索，實現(xiàn)了課程內(nèi)容選擇從單一向綜合的轉(zhuǎn)化。

對于靜態(tài)測試道床板及鋼軌的變形使用12個通道位移傳感器，由于在軌道方向道床的對稱性，測點布置由道床中心向其中一個方向布點，6個（通道1到通道6）測量道床板的變形，依次相距625 mm，通道1位于加力截面即加力架正下方的道床位置，通道5和6測量的是相鄰道床板位置處。通道7至12測試鋼軌變形，通道7測量壓力架正下方兩個扣件中間的位移，通道8至12依次相距625 mm測量前后兩個扣件的中間位置鋼軌的變形。動態(tài)測試中在準(zhǔn)靜態(tài)加載的同時采用錘擊激振獲取振動響應(yīng)的測試方法，測量激振力的大小和不同位置的振動響應(yīng)，其振動響應(yīng)用加速度傳感器測試，位置在道床加力截面，垂直道床中心線，分別距離道床中心3 m、5 m、10 m，15 m、25 m等分布。

2.2 試驗工況

考慮城市軌道交通工程應(yīng)用中不同路段對減振量的要求不同，道床結(jié)構(gòu)或減振扣件的設(shè)計不同，組合道床結(jié)構(gòu)可與不同扣件類型及不同剛度道床隔振墊優(yōu)化組合使用，例如使用浮軌扣件以及單趾彈簧扣件，因此設(shè)置以下四種試驗工況：浮軌扣件無道床墊；浮軌扣件有道床墊；單趾彈簧扣件有道床墊；單趾彈簧扣件無道床墊。單趾彈簧扣件、浮軌扣件以及道床墊結(jié)構(gòu)如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 單趾彈簧扣件系統(tǒng)（PR）

圖4 浮軌扣件結(jié)構(gòu)圖（FRF）

圖5 道床減振墊(DCD+300)

3 組合式道床系統(tǒng)靜態(tài)特性分析

軌道結(jié)構(gòu)的安全性能是軌道設(shè)計需要首先考慮的關(guān)鍵問題，橡膠道床隔振墊引起的系統(tǒng)整體低剛度對軌道減振十分有利，同時也增加軌道整體下沉量。因此，道床隔振墊的低剛度必須保證車輛能夠在滿負(fù)載狀態(tài)下依然保持鋼軌在安全范圍內(nèi)的允許變形。我國地鐵車輛車載客量最大的A型車的車軸重為16 t，在廣州、上海等地鐵線路廣泛采用。為獲取最大軸載荷作用下軌道結(jié)構(gòu)的變形量，在軌道中心加載160 kN等效軸載荷，以便模擬現(xiàn)有等效軸載在質(zhì)量彈性系統(tǒng)下加壓在鋼軌上面同樣的載荷力，測量沿軌道方向不同位置道床板相對道床基礎(chǔ)的相對變形及鋼軌相對道床基礎(chǔ)的相對變形，在現(xiàn)場及試驗室內(nèi)溫度、濕度等因素影響很小。

圖6 道床板及鋼軌位移變形曲線

圖6中給出了在160 kN靜載力作用下不同試驗工況下鋼軌及道床板受力變形沿中心線距離變化曲線，并同時給出了理論計算結(jié)果作為對照。理論計算模型的建立及扣件剛度對道床減振的影響可參照文獻[6～8]，其中浮軌扣件動剛度為8 kN/mm，單趾彈簧扣件動剛度大約為60 kN/mm，道床隔振墊面剛度為0.02 N/mm3。

從靜態(tài)試驗及理論計算結(jié)果對比曲線可以看出：計算值與試驗值變化趨勢以及大小基本一致，誤差在工程誤差范圍內(nèi)，驗證了試驗?zāi)M系統(tǒng)的可靠性；另外，鋼軌以及道床板位移變形主要集中在距施力點4—5個扣件軌道長度范圍，超出此范圍外位移變化量很小，可以近似忽略；從道床隔振墊加入前后結(jié)構(gòu)位移變化來看，道床隔振墊提高了系統(tǒng)整體彈性，增加了鋼軌及道床的位移變形，由于道床隔振墊的引入，鋼軌、道床板位移的增加量在1 mm左右，道床板結(jié)構(gòu)本身受力變形很小。

從總體上說，鋼軌變形量最大為浮軌扣件加有道床隔振墊組合，變形量為3.1 mm，其它不同工況最大變形量見表1。在其它條件相同情況下，有道床隔振墊組合要比無道床隔振墊組合變形量大，浮軌扣件組合變形量大于單趾彈簧扣件組合。這表明降低扣件剛度使作用到道床的最大受力下降，有利于保護道床板及承軌臺。

表1 不同工況下鋼軌及道床板相對道床基礎(chǔ)的最大變形

4 組合道床系統(tǒng)減振效果測試及分析

道床基礎(chǔ)的減振效果是整個組合道床系統(tǒng)實用的關(guān)鍵，為評估道床系統(tǒng)的減振效果，對不同的道床系統(tǒng)進行有載模擬及動態(tài)激勵試驗。道床系統(tǒng)的扣件類型選擇為浮軌扣件及單趾彈簧扣件，軸輪載取16 t，錘激一側(cè)對應(yīng)加載位置的鋼軌，也可以錘激一側(cè)的模擬輪的頂部。道床系統(tǒng)的減振效果可采用平均振級落差來評估，其計算公式為

式中a1(fi)、a2(fi)分別表示道床系統(tǒng)改變工況前、后某頻率下測點傳遞函數(shù)響應(yīng)即單位動態(tài)激勵力下的加速度級，fi為頻率。

圖7 加速度傳感器的布置示意圖

試驗中傳感器的布置如圖7所示，在距離道床中心線1.38 m、3 m、5 m、10 m、15 m、25 m處布置垂向加速度傳感器，在空載和施加軸載為16噸時做錘擊測試。在每一條鋼軌上安裝24套扣件，并且調(diào)整好軌道狀態(tài)的正常狀態(tài)。

圖8給出了采用浮軌扣件時道床隔振墊結(jié)構(gòu)加入前后，地面各處振點傳遞函數(shù)響應(yīng)隨距離變化曲線，分別對比在距離中心線處1.38 m、3 m、5 m、10 m、15 m、25 m處的傳遞函數(shù)，可以看出：未加入道床墊時，僅靠扣件本身減振，低頻段振動峰值依然明顯，加入道床墊后，橡膠墊高阻尼作用明顯降低了結(jié)構(gòu)共振峰值。在大于30 Hz以上頻段，結(jié)構(gòu)響應(yīng)總體上呈逐漸遞減趨勢。

圖8 路基振動響應(yīng)減少量隨距離變化曲線

在圖8中地面振動相應(yīng)隨著距離變化曲線圖形，以比較有無道床墊的基礎(chǔ)上諧振式浮軌扣件的減振效果。從圖中可以看出在40 Hz以上變化最為明顯。有道床墊的浮軌扣件在此區(qū)間振動增加的系統(tǒng)共振頻率顯著降低至20 Hz以下，減振效果有了明顯的改善，單頻率減振值最高可達42 dB，這就證明在有道床墊的基礎(chǔ)上，組合式浮軌扣件減振效果明顯。

考慮到道床結(jié)構(gòu)及隔振效果的不同將在不同位置引起的振動級不同，從而影響到振動傳感器測得信號的質(zhì)量。對較遠的測試點，因距離產(chǎn)生的衰減效果，特別是高頻段更明顯，另外脈沖錘激勵力有限，在加上對高減振性能道床系統(tǒng)的引入，在遠距的振動響應(yīng)的信噪比下降，測試結(jié)果誤差增加；因此，本次試驗選取距離鋼軌中心線3 m的測點數(shù)據(jù)用于不同道床結(jié)構(gòu)減振效果對比。如表2所示，在不同的組合式道床系統(tǒng)，相對于單趾彈簧扣件無道床隔振墊的系統(tǒng)的對比結(jié)果，在有道床隔振墊基礎(chǔ)上，在軸載16 t時，單趾彈簧扣件系統(tǒng)平均振級落差為15 dB、浮軌扣件減振為25 dB，浮軌扣件無道床隔振墊時平均振級落差為14 dB。

表2 組合式道床的減振效果（平均減振量）

雖然該值不是實際線路運行條件下的減振值，但是由于軌道激勵信號為寬頻譜，激勵隨機性強，通過比較傳遞函數(shù)響應(yīng)振級差的方式對道床系統(tǒng)進行減振效果評估是科學(xué)可行的，依然能反映出不同道床系統(tǒng)的減振性能。另外，對浮軌扣件的減振效果也和實際線路運營條件下的測試[9]對比得到一致的結(jié)果，證明了試驗方法的有效性。

表2也列出了沒有軸載時不同工況的測試結(jié)果，可以看出道床隔振墊的非線性剛度很明顯，無軸載時的剛度很低反應(yīng)出高的隔振效果，同時也反映了準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗的重要性。但對于浮軌扣件，由于安裝后在無預(yù)載荷條件下鋼軌與扣件側(cè)面彈性塊接觸面還沒有完全吻合，扣件的阻尼等特性未能體現(xiàn)。而浮軌扣件加道床隔振墊組合在無軸載時反映出更低的隔振剛度非線性特性。

道床減振效果的評價需要滿足環(huán)評要求的評價方法，參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10070[10]及國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631[11]分析頻段主要在80 Hz以下。但對于住建部標(biāo)JGJ/T170[12]，其分析頻率對建筑物振動為4 Hz～200 Hz，對二次輻射噪聲為16 Hz～200 Hz，根據(jù)城市軌道交通地面振動的特點，主要低頻振動的峰值一般在20 Hz～100 Hz。由于本道床試驗?zāi)M加載系統(tǒng)中為了降低激勵系統(tǒng)車輪的動能，降低了模擬車輪的等效質(zhì)量，試驗系統(tǒng)的車輪等效質(zhì)量是實際車輛的1/2～1/3，從而響應(yīng)頻率比實際線路高20%～30%，按照國家標(biāo)準(zhǔn)BG 10070的規(guī)定，選取的頻率段在1 Hz～80 Hz，按照本實驗條件，在原來的基礎(chǔ)上基本等效在20 Hz～200 Hz之間。結(jié)合道床系統(tǒng)隔振特性及實際應(yīng)用效果，本文的減振效果評估計算中采用等效頻段20 Hz～200 Hz基本上反映了實際情況及環(huán)保要求范圍。另外標(biāo)準(zhǔn)[10―12]中關(guān)于地面振動采用Z振級評價環(huán)境振動水平，對于本試驗研究相對減振效果不變。

5 結(jié)語

通過對組合式道床試驗系統(tǒng)靜態(tài)和動試驗及不同組合的對比分析，可得出以下結(jié)論：

（1）軌道特性準(zhǔn)靜態(tài)實驗室試驗與理論計算和在線檢測結(jié)果一致，證明模擬試驗系統(tǒng)用于不同試驗條件及其性能比較的可靠性；

（2）從道床系統(tǒng)安裝道床隔振墊前后軌道結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測試結(jié)果可以看出道床隔振墊提高了系統(tǒng)整體彈性，增加了鋼軌及道床的位移變形，降低軌道對道床基礎(chǔ)的載荷幅值。另外道床減振墊具有明顯的非線性剛度特征，在大載荷作用下，軌道結(jié)構(gòu)位移變形依然保持良好的穩(wěn)定性及可靠的安全性；

（3）研究不同剛度扣件系統(tǒng)對道床板的影響表明降低扣件剛度使作用到道床的最大受力下降，有利于保護道床板及承軌臺；

（4）浮軌扣件與道床隔振墊組合，軌道變形量滿足軌道安全要求；

（5）相對于普通單趾彈簧扣件整體道床系統(tǒng)，在實驗室等效軸載16 t條件下20 Hz～200 Hz頻率范圍，道床隔振墊單項平均減振量為15 dB；

（6）相對于普通單趾彈簧扣件整體道床系統(tǒng)，在實驗室等效軸載16 t條件下20 Hz～200 Hz頻率范圍，浮軌扣件單項平均減振量為14 dB；

（7）動態(tài)試驗結(jié)果表明浮軌扣件與道床隔振墊組合的組合道床系統(tǒng)在實驗室等效軸載16 t條件下20 Hz～200 Hz頻率范圍，相對普通道床其平均減振量可達到25 dB。

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Experimental Study on Static and Dynamics Characteristic of a New Combined Slab Track System

WANG Zhi-qiang,WANG An-bin,WEI Jun-guang,TANG Wei

(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)

A new type of combined slab track system w ith good performance and low vibration is introduced and the method for vibration reduction evaluation of this system is presented.The new track system is optimized w ith resilient base plates on a floating slab panel using a continuous elastic mat.Dynam ic excitation can be applied by using an exciter over the pre-loading.Track deflection and vibration can be measured at different positions to demonstrate the vibration performance w ith different track structures.Results obtained from this process are compared w ith those of simulation.This study describes the testing methods used to investigate static and dynam ic behavior of the new system.The deflection of rails and slab components of the new type of the track system under heavy loads are studied.Results of the static test are compared w ith those of theoretical analysis and the results agree well.To investigate the vibration reduction performance,the dynam ic hammering excitation tests are also carried out to the system under the loading conditions between 14 tones and 16 tones.Results of the tests show that the vibration level can be reduced by 25 dB in average in the frequency range from 20 Hz to 200 Hz.

vibration and wave;slab track system;static characteristics;capacity of vibration reduction

1006-1355(2014)04-0109-06

TB53；U211.3 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：A DOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.024

無碴軌道結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于高速鐵路客運專線及城市軌道交通的建設(shè)，列車在運行狀態(tài)下引起的軌道系統(tǒng)振動與噪聲問題引起了眾多學(xué)者廣泛的關(guān)注與興趣[1―4]。對軌道振動及噪聲的控制通常可以從三個方面考慮：振動噪聲源、傳遞路徑以及振動噪聲接受點。然而，大部分工程實踐證明，對軌道交通中結(jié)構(gòu)振動及其產(chǎn)生的噪聲從振源進行控制是降低振動噪聲最直接、最有效的手段。從振源角度進行控制主要包括兩種措施：一方面是降低輪軌之間的接觸不平順，提高鋼軌安裝的平整性，增加鋼軌表面的光滑性以及減少輪軌波磨等措施；另一方面采用新型減振軌道結(jié)構(gòu)形式，如鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)或者在道床基礎(chǔ)與道床板之間加入道床隔振墊及采用高性能隔振扣件來降低軌道振動向基礎(chǔ)的傳播。

2013-03-06

王志強（1986-），河南息縣人，碩士，目前從事減振降噪材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)振動噪聲分析。

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