DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.047

剪切型减振器扣件工作性能及改进

吴宗臻^{1, 2}，刘维宁¹，张厚贵¹

(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京，100044；

2. 中国铁道科学研究院 城市轨道交通中心，北京，100081)

摘要：剪切型减振器扣件减振性能良好，广泛应用于城市轨道交通线路，但在减振器扣件区段发生较为严重的钢轨异常波磨。在300 Hz频段减振器轨道振动加速度存在较大峰值带，发生轮轨强烈共振；在200~350 Hz频段，减振器扣件轨道系统的阻尼比很小，动刚度在300 Hz存在波谷。同时，振动加速度频域分布、行车速度和波磨特征波长具有高度相关性，所以，在300 Hz频段的轮轨共振是产生异常波磨的主要原因。针对此问题，提出通过安装调频钢轨阻尼器(TRD)的方案改善轨道动力特性，并进行安装前后的实验室动力特性测试。研究结果表明：安装TRD能够改善Ⅲ型减振器轨道的动力特性，调节频率，提高阻尼，降低工作频率，改善轨道的减振性能。本方案可以作为地铁线上整治异常波磨的有效方法。

关键词：地铁；剪切型减振器；减振性能；异常波磨；调频钢轨阻尼器

中图分类号：U213.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)09-3258-06

Performance and improvement of shear-type damper fastener

WU Zongzhen^{1, 2}, LIU Weining¹, ZHANG Hougui¹

(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;

2. Urban Rail Transit Center, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract: As a well-working fastener type, shear-type damper fastener is applied widely in metro lines. But serious rail corrugation happens at the shear-type damper fastener section on metro line. Energy aggregation phenomenon of rail acceleration vibration exists around 300 Hz; the damping ratio is as low as around 200-350 Hz and there exists wave trough at 300 Hz in the dynamic stiffness curve. Vibration characteristic frequency, vehicle speed and corrugation characteristic wavelengths are highly correlated. So the wheel-rail resonance at 300 Hz is the main reason of rail corrugation. A method of installing tuned rail damper (TRD) was presented to improve track dynamic characteristics and lab measurements were finished. The results show that installation of TRD can improve the dynamic characteristics of track system, adjust frequency, improve damping, reduce work frequency and improve vibration-reduced performance. This method is an effective way to solve the problem of rail corrugation on metro line.

Key words: metro; shear-type damper fastener; vibration-reduced performance; rail corrugation; tuned rail damper

城市轨道交通系统的快速发展在极大地缓解交通压力的同时，也产生了一系列的环境振动和二次噪声问题^[1]。为了减小地铁列车运行对周围环境的振动影响，不同减振级别的轨道减振产品^[2-4]得到了广泛应用。剪切型减振器扣件^[5]作为一种中等减振等级设备(常用型号包括Ⅲ型减振器、Ⅳ型减振器等)广泛应用于北京地铁各线减振区段^[6-7]。但是，随着近年来北京地铁新线开通运营，调查显示采用剪切型减振器扣件的区段产生了较严重且有规律的异常波磨现象^[8]。针对这一问题，亟需寻求相应的整治措施，寻求满足减振措施与波磨治理相平衡的应对方法。为此，本文作者首先在铺设剪切型减振器的运营线路上测试和分析其工作性能及模态特性，在此基础上提出采用安装调频钢轨阻尼器(TRD)的应对措施，并通过实验室试验对这一措施的效果进行测试评估。

1  剪切型减振器扣件振源测试

为了研究剪切型减振器扣件的各频段的减振性能，以Ⅲ型减振器为代表，选取北京地铁某线路对列车经过的振源加速度进行现场测试。加速度测点布置在钢轨、道床和隧道壁处，如图1所示。测试断面地铁列车行车速度为60 km/h。振动测试采用INV3018C型24位高精度数据采集仪以及Lance系列高精度压电式加速度传感器，数据采样及分析软件为Coinv DASP V10。对测试断面记录至少30次列车经过的加速度时程，从中选取至少6组效果较好的数据进行分析，并采用滤波处理。

图1  振源加速度测点布置

Fig. 1  Measurement points distribution

1.1  剪切型减振器减振性能分析

1/3倍频程谱能够很好地体现振动频率带宽的能量分布情况^[9]，根据1/3倍频程谱中各频带振动的能量分布，可以评价剪切型减振器在各频段的减振性能。

图2所示为Ⅲ型减振器轨道同一断面处的钢轨、道床、隧道壁测点的1/3倍频程谱。由图2可以看出：在0~1 000 Hz的整个频段内，钢轨和道床振动加速度级传递损失为30~40 dB，对地铁振动有较强的衰减作用。

图2  Ⅲ型减振器区段断面振动加速度1/3倍频程谱

Fig. 2  One-third octave band spectra of Ⅲ-type damper fastener

相对于普通DTⅦ2轨道的隧道壁加速度级插入损失可以用来评价减振轨道的减振性能^[10]，插入损失计算方法如下式所示：

               (1)

其中：L_IL为插入损失；I₁为普通DTⅦ2轨道的隧道壁振动加速度级；I₂为减振轨道(Ⅲ型减振器)的隧道壁振动加速度级。

图3所示为Ⅲ型减振器相对与普通DTⅥ2轨道的插入损失，量值大于0对应减振发挥作用的频段。从图3可以看出：Ⅲ型轨道减振器的工作频率在40 Hz以上，随着频率增加，其减振效果逐渐提高，最高达18 dB。这表明Ⅲ型减振器对振动的衰减效果显著，可以有效隔离振动向道床及隧道壁的传递，具有较好的减振特性。

1.2  振动加速度频谱分析

各测点的振动加速度频谱如图4~5所示。从图4~5可以看出：钢轨的振动响应谱带较宽，集中在0~1 000 Hz，道床振动加速度谱集中在0~800 Hz。Ⅲ型减振器轨道钢轨与道床的响应谱在300 Hz左右同时存在振动峰值，出现能量聚集现象。这说明此峰值是由车辆和轨道扣件系统共同作用产生后，由减振器传递到道床。

图6所示为是Ⅲ型减振器轨道和DTⅥ2扣件轨道的钢轨加速度频谱的对比。从图6可以看出：Ⅲ型减振器在该频段振动能量是DTⅥ2扣件的20倍以上，说明Ⅲ型减振器轨道区间的车辆与轨道结构在300 Hz频段发生了强烈的共振作用。

图3  Ⅲ型减振器隧道壁振动加速度级插入损失

Fig. 3  Insertion loss of tunnel vibration of Ⅲ-type damper fastener

图4  Ⅲ型减振器断面钢轨测点振动加速度频谱

Fig. 4  Rail acceleration spectrum of Ⅲ-type damper fastener

图5  Ⅲ型减振器断面道床测点振动加速度频谱

Fig. 5  Track bed acceleration spectrum of Ⅲ-type damper fastener

图6  钢轨振动加速度频谱对比

Fig. 6  Comparison of rail acceleration spectrum

2  剪切型减振器轨道系统模态测试

通过现场脉冲激励法模态测试得到了Ⅲ型减振器扣件轨道系统的阻尼比、动刚度等动力特性指标。

图7所示为为轨道系统的各阶模态阻尼比拟合曲线。由图7可以看出：Ⅲ型减振器扣件轨道系统的低阶阻尼比高，高阶阻尼比低。在200~350 Hz频段，其阻尼比基本在2%以下，说明轮轨在此频段产生的共振能量无法通过扣件系统的阻尼得到衰减，在地铁列车的激发下导致钢轨有脱离扣件系统的约束进行自由振动的趋势。这也是在波磨严重区段发现扣件松脱、断裂的原因。

图7  Ⅲ型减振器轨道系统阻尼比

Fig. 7  Damping ratio of Ⅲ-type damper fastener track system

图8所示为轨道系统的动刚度曲线。由图8可以看出：与传统的DTⅥ2轨道的光滑的动刚度曲线不同，Ⅲ型减振器轨道的动刚度随着频率的增加出现较大的波动。而且在300 Hz存在波谷，表明在此频段其动刚度较小，则在相同的振源激励下，此频段处振动量较大，而且此频段的阻尼比也较低，所以，该频段的振动能量较大而且不能得到有效衰减，形成了严重的波磨现象。

图8  Ⅲ型减振器轨道系统动刚度曲线

Fig. 8  Dynamic stiffness of Ⅲ-type damper fastener track system

3  剪切型减振器钢轨异常波磨原因分析

现场调查表明，Ⅲ型减振器区段的在300 Hz左右的轮轨共振现象引发了严重的钢轨异常波磨现象^[8]，如图9所示。

图9  钢轨异常波磨

Fig. 9  Rail corrugation

根据波磨产生的固定波长机理^[11]，共振频率、行车速度和波磨特征波长具有高度相关性：

                 (2)

其中：f为车轨共振频率；v为行车速度；λ为波磨特征波长。

钢轨异常波磨的特征波长为50~60 mm，该区段行车速度为60 km/h，根据式(2)得到的特征频率恰好处于300 Hz左右，与振源加速度测试的共振频段相符合，说明Ⅲ型减振器区段的轮轨接触共振是产生异常波磨的主要原因。

4  剪切型减振器区段异常波磨治理措施

4.1  调频钢轨阻尼器

针对轮轨共振型波磨，整治的思路为在不影响轨道减振量和行车安全的前提下，调节其频率及阻尼特性。因此，选择安装调频钢轨阻尼器(TRD)作为改进减振器扣件工作性能的方案，如图10所示。TRD是一种具有阻尼特性的质量-弹簧谐振系统，它的作用是可以加快振动波在钢轨中传播的衰减，降低钢轨振动的平均能量，抑制轮轨在200~300 Hz共振能量在钢轨上的传播，从而达到减缓波磨发展的目的。目前，TRD已经在国际多条线上用于减振降噪。

图10  调频钢轨阻尼器示意图

Fig. 10  Diagram of tuned rail damper

4.2  实验室动力特性测试

根据提出的整治方案在北京交通大学“轨道减振综合实验平台”进行实验，选取一段Ⅲ型减振器轨道安装调频钢轨阻尼器，如图11所示，与未安装TRD的Ⅲ型减振器轨道进行动力特性锤击实验对比研究。

振动沿钢轨纵向传递的特性直接影响钢轨振动控制的程度，国内暂无指标评价，所以，选用欧洲规范BS EN 15461:2008+A1:2010^[12]推荐的指标钢轨振动衰减率(D_R)进行评价。各中心频率点处的D_R计算式为

            (3)

其中：n为锤击点的编号；A(x_n)为第n个锤击点锤击时第0点处的响应；△x_n为第n个锤击点到第0点的距离。

图11  安装有TRD的Ⅲ型减振器轨道

Fig. 11  Ⅲ-type damper fastener track system with TRD

钢轨振动衰减率D_R反映了钢轨振动沿钢轨纵向传递的变化率，以dB/m为单位，在1/3倍频程上描述钢轨振动的衰减特性。

整治措施在改变轨道系统频率和阻尼特性的同时，还不能降低减振扣件的减振性能。所以针对安装TRD前后的Ⅲ型减振器轨道，用与普通DTⅥ2扣件轨道的1/3倍频程下的振动加速度级插入损失来评价其减振性能。

4.3  动力测试结果分析

图12所示为安装TRD前后的Ⅲ型减振器轨道的振动加速度频响函数的测试结果对比。由图12可以看出：Ⅲ型减振器轨道在300 Hz左右存在频响峰值，而该频段也正是异常波磨发生的轮轨共振频段。该频段的较高频响峰值说明Ⅲ型减振器在该频段的阻尼较小，控制振动的能力较弱，这与线上振源测试的结果相符。而安装TRD后，轨道系统的频响函数峰值降低且向低频移动，整体曲线更加平滑，尤其是300 Hz处的峰值也已经移开。因此，安装TRD可以改善Ⅲ型减振器轨道的动力特性，有效避开300 Hz的轮轨共振的频段，延缓异常波磨的发展。

图13所示为安装TRD前后的Ⅲ型减振器轨道的钢轨振动衰减率的对比结果。由图13可以看出：在160~4 000 Hz全频带内衰减率都有很大提高，尤其是在300 Hz左右的频段，提升量很大，达到0.7 dB/m，比未安装时提升了7倍，表明安装TRD对控制钢轨振动有显著的效果。

图12  安装TRD前后Ⅲ型减振器轨道振动加速度频响函数

Fig. 12  Acceleration spectrum of Ⅲ-type damper fastener track with and without TRD

图13  安装TRD前后Ⅲ型减振器轨道钢轨振动衰减率对比

Fig. 13  Rail decay rate of Ⅲ-type damper fastener track with and without TRD

另外，安装TRD改善了轨道系统的动力特性，但也不能过多地影响到固有的减振性能。图14所示为安装TRD前后Ⅲ型减振器轨道系统的道床测点的振动加速度级插入损失量。由图14可以看出：在60~80 Hz处的极小值点明显前移，反映出安装TRD后的Ⅲ型减振器轨道系统的自振频率降低。在Ⅲ型减振器工作频段，安装TRD后的插入损失曲线基本都在安装前的曲线上部，说明安装TRD可以提高轨道系统的减振量。

整个实验室测试结果表明：安装TRD改善了Ⅲ型减振器轨道的动力特性，调节了频率和阻尼特性，并且改善了轨道的减振性能。由于实验室测试仅有24 m长钢轨，仅用于定性分析，本改进措施的定量分析有待线上实验研究。

图14  安装TRD前后Ⅲ型减振器轨道振动加速度级插入损失量

Fig. 14  Insertion loss of Ⅲ-type damper fastener track with and without TRD

5  结论

1) III型减振器减振效果较好，但在300 Hz频段动刚度和阻尼比小，能量在该频段发生集中现象。轮轨共振是引起钢轨异常波磨的主要原因。

2) 针对异常波磨，提出通过安装调频钢轨阻尼器(TRD)来改善其工作性能。安装TRD能够改善Ⅲ型减振器轨道的动力特性，调节频率，提高阻尼，降低工作频率，改善轨道的减振性能。本方案可以作为地铁线上整治异常波磨的有效方法。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2015-10-14；修回日期：2015-12-25

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51278043，51378001) (Projects((51278043, 51378001) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：吴宗臻，博士，从事城市轨道交通减振措施及环境振动预测研究；E-mail: wzzlogos@hotmail.com