劉長卿，祝文英，夏 丹，商衛(wèi)純，孫曉明

（1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；2.上海城市環(huán)境噪聲控制工程技術(shù)研究中心，上海 200233；3.寧波市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，浙江 寧波 315012）

城市軌道交通具有便捷、快速、準(zhǔn)時(shí)、節(jié)能的諸多優(yōu)勢(shì)，可以有效緩解地面交通擁堵。但同時(shí)列車引起的振動(dòng)及二次結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)周邊環(huán)境與適居條件的影響也為城市規(guī)劃及軌道交通設(shè)計(jì)帶來了新的問題。近年來，國內(nèi)外研究人員對(duì)軌道交通引起的振動(dòng)預(yù)測(cè)及減振措施進(jìn)行了大量研究[1-4]。在軌道交通減振措施中，減振扣件因其造價(jià)低、使用簡潔高效等優(yōu)點(diǎn)得以在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用[5]。但由于減振扣件增加了軌道彈性，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生變化，進(jìn)而影響到列車運(yùn)行安全與平穩(wěn)性。國內(nèi)已有關(guān)于軌道條件對(duì)列車平穩(wěn)性影響的相關(guān)研究。王開云、翟婉明等運(yùn)用車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論研究了軌道結(jié)構(gòu)各部件剛度以及線路不平順度等參數(shù)對(duì)列車平穩(wěn)性和舒適性的影響[6]。王平等基于車軌耦合動(dòng)力學(xué)理論，以既有提速線路為例，研究分析了軌道、扣件剛度變化對(duì)車體、轉(zhuǎn)向架振動(dòng)的影響[7]。張小華等對(duì)南京地鐵機(jī)場(chǎng)線的B型列車經(jīng)過安裝QY-2型減振扣件和ZX-2型普通扣件軌道結(jié)構(gòu)時(shí)的車體振動(dòng)加速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，比較列車通過安裝兩種扣件區(qū)域時(shí)車體振動(dòng)響應(yīng)，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了平穩(wěn)性指標(biāo)分析[8]。

上述研究分別從理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩個(gè)方面研究了相關(guān)減振扣件對(duì)列車運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。為了研究GH-1軌道交通新型減振扣件對(duì)列車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，本文參考國際鐵路聯(lián)盟規(guī)范《UIC518-2005鐵道車輛動(dòng)態(tài)性能-安全性-軌道疲勞-運(yùn)行特性的試驗(yàn)的認(rèn)證方法》[9]以及《GB5599-1985鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[10]提供的測(cè)試方法，分別對(duì)列車經(jīng)過安裝GH-1和DT系列某型號(hào)減振扣件軌道時(shí)列車車體和轉(zhuǎn)向架振動(dòng)加速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)比分析不同扣件對(duì)列車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。

1 軌道扣件介紹

測(cè)試用的DT某型號(hào)減振扣件結(jié)構(gòu)為無擋肩彈性分開式結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是通過鋼軌下的平式橡膠墊板和鐵墊板下的槽式橡膠墊板的雙重彈性沖擊來達(dá)到減振目的。該扣件豎向靜剛度為20 kN/mm～30 kN/mm，是目前國內(nèi)使用較多的基礎(chǔ)減振元件。

GH-1減振扣件結(jié)構(gòu)型式與DT扣件類似，主要由鑄鐵件、消聲墊、防短路器及安裝螺栓構(gòu)成。該系列產(chǎn)品節(jié)點(diǎn)靜剛度為10 kN/mm～40 kN/mm，動(dòng)靜比小于1。其主要減振元件為橡膠消聲墊，將材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，具有較高的靜剛度和較低的動(dòng)剛度，即“高靜低動(dòng)”的特點(diǎn)，在保證列車運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí)增強(qiáng)了減振效果。上線試驗(yàn)主要針對(duì)其消聲墊分別為26 mm和34 mm兩種厚度的GH-1扣件進(jìn)行測(cè)試。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試在同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院試驗(yàn)線上進(jìn)行。在測(cè)試地段分別安裝GH-1型減振扣件（消聲墊厚度為26 mm和34 mm兩種）和DT減振扣件，測(cè)試列車以不同速度通過安裝扣件區(qū)域時(shí)的車體和轉(zhuǎn)向架振動(dòng)加速度。具體測(cè)試內(nèi)容及工況如表1所示。

2.2 測(cè)試條件及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)線為直線地面線封閉線路，道床為C40混凝土整體道床，鋼軌為60 kg/m，軌枕采用埋入式長軌，混凝土面與長軌中心頂面平齊。列車為A型車2節(jié)編組，空車運(yùn)行。軌道扣件安裝區(qū)域長度近30 m。

表1 測(cè)試內(nèi)容及工況列表

兩種扣件的行車測(cè)試是在同一軌道區(qū)域進(jìn)行。在相應(yīng)的軌道區(qū)域首先安裝GH-1新型減振扣件，進(jìn)行行車測(cè)試，然后在相同軌道區(qū)域?qū)H-1新型減振扣件替換成DT扣件，進(jìn)行相同行車工況的測(cè)試。試驗(yàn)過程中，僅對(duì)減振扣件進(jìn)行了替換，其他條件不變。

車體測(cè)點(diǎn)位于車廂地板，沿垂直于行車方向布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)（P1-P3），測(cè)試垂向（z向）和橫向（x向）加速度。轉(zhuǎn)向架測(cè)點(diǎn)（P4）安裝在構(gòu)架上，測(cè)試橫向（x向）加速度。測(cè)點(diǎn)位置及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1、圖2所示。

圖1 車體地板及轉(zhuǎn)向架測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 測(cè)試儀器

測(cè)試系統(tǒng)采用HEAD SQuadrigaII便攜式8通道數(shù)據(jù)采集儀、KISTLER-8766A50（3向）、KISTLER-8702B100T等IEPE型傳感器若干。

2.4 測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)于車體平穩(wěn)性，首先參考標(biāo)準(zhǔn)《UIC518-2005》中關(guān)于行車安全性評(píng)價(jià)的簡化方法，對(duì)列車經(jīng)過扣件安裝區(qū)時(shí)測(cè)得的車體地板橫向加速度進(jìn)行6 Hz低通濾波，對(duì)垂向加速度進(jìn)行0.4 Hz～4 Hz帶通濾波。再參考標(biāo)準(zhǔn)《GB5599-1985》對(duì)車體橫向和垂向加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算列車通過扣件安裝區(qū)時(shí)的車體平穩(wěn)性指標(biāo)W。

對(duì)于轉(zhuǎn)向架，參考標(biāo)準(zhǔn)《UIC518-2005》中關(guān)于行車安全性評(píng)價(jià)的簡化方法，對(duì)列車經(jīng)過扣件安裝區(qū)時(shí)測(cè)得的轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架橫向加速度進(jìn)行10 Hz低通濾波。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 車體測(cè)試結(jié)果

圖3、圖4為列車以兩種車速通過不同扣件安裝區(qū)時(shí)測(cè)點(diǎn)P1的振動(dòng)加速度FFT頻譜曲線（因篇幅有限僅列出P1點(diǎn)頻譜），其中點(diǎn)線為橫向振動(dòng)加速度，實(shí)線為垂向振動(dòng)加速度。

從頻譜圖可見：

(1)列車通過扣件安裝區(qū)時(shí)，車體垂向振動(dòng)加速度主要有兩個(gè)峰值頻域，第1個(gè)在10 Hz以下，第2個(gè)在140 Hz～150 Hz之間，而橫向振動(dòng)加速度僅有10 Hz以下一個(gè)峰值頻域，車體垂向振動(dòng)加速度遠(yuǎn)大于橫向振動(dòng)，說明車體垂向振動(dòng)占據(jù)了主導(dǎo)地位；

(2)50 km/h車速工況下，車體在不同扣件安裝區(qū)的垂向振動(dòng)加速度最大值位于10 Hz以下的頻域內(nèi)，而30 km/h車速工況下該最大值位于140 Hz～150 Hz頻域內(nèi)，說明較高的車速對(duì)影響列車穩(wěn)定性的10 Hz以下低頻振動(dòng)產(chǎn)生不利影響；

(3)從車體在不同扣件安裝區(qū)的振動(dòng)加速度對(duì)比可見，GH-1（26 mm）扣件對(duì)應(yīng)的車體振動(dòng)最小，而DT扣件對(duì)應(yīng)的車體振動(dòng)最大，表明GH-1扣件對(duì)車體振動(dòng)的不利影響更小。

參考《UIC518-2005》對(duì)測(cè)試所得的車體加速度進(jìn)行濾波處理，得到測(cè)試結(jié)果如下。

(1)列車通過扣件安裝區(qū)時(shí)，車體各測(cè)點(diǎn)橫向加速度峰值最大值如圖5、圖6所示。

圖3 車速為50 km/h時(shí)P1點(diǎn)的振動(dòng)頻譜

圖4 車速為30 km/h時(shí)P1點(diǎn)的振動(dòng)頻譜

圖5 車速為50 km/h時(shí)車體橫向振動(dòng)加速度最大值

圖6 車速為30 km/h時(shí)車體橫向振動(dòng)加速度最大值

由對(duì)比結(jié)果可見，兩種車速工況下，車廂振動(dòng)加速度均能滿足3 m/s2的安全性指標(biāo)。列車在通過安裝GH-1扣件區(qū)時(shí)車廂橫向振動(dòng)加速度峰值遠(yuǎn)小于通過安裝DT扣件區(qū)時(shí)的值，其峰值降低13%～33%，說明GH-1扣件對(duì)車體橫向穩(wěn)定性的不利影響更小。將GH-1兩種厚度的扣件相比，26 mm扣件在50 km/h車速工況下對(duì)應(yīng)的車體加速度較34 mm扣件更小，說明其對(duì)車體橫向穩(wěn)定性的不利影響更小。

(2)列車通過扣件安裝區(qū)時(shí)，車體各測(cè)點(diǎn)垂向加速度峰值最大值如圖7、圖8所示。

圖7 車速為50 km/h時(shí)車體垂向振動(dòng)加速度最大值

圖8 車速為30 km/h時(shí)車體垂向振動(dòng)加速度最大值

由對(duì)比結(jié)果可見，兩種車速工況下，車廂振動(dòng)加速度均能滿足3 m/s2的安全性指標(biāo)。列車以50 km/h車速通過GH-1扣件安裝區(qū)時(shí)僅P3測(cè)點(diǎn)測(cè)得的26 mm墊板對(duì)應(yīng)的車體加速度高于DT扣件，P1、P2點(diǎn)位測(cè)得的車體加速度均低于DT扣件，說明該車速工況下GH-1扣件對(duì)車體垂向穩(wěn)定性的不利影響較小。而列車以30 km/h通過扣件安裝區(qū)時(shí)，不同扣件對(duì)應(yīng)的車體垂向加速度各有高低。

參考標(biāo)準(zhǔn)《GB5599-1985》對(duì)車體橫向和垂向加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算列車通過不同扣件安裝區(qū)時(shí)的車體平穩(wěn)性指標(biāo)W，按如下公式計(jì)算。

式中Wi為單頻平穩(wěn)性指標(biāo)，Ai為振動(dòng)加速度，fi為振動(dòng)頻率，F(xiàn)(fi)為頻率修正系數(shù)（參見標(biāo)準(zhǔn)），W為不同頻率合成后的平穩(wěn)性指標(biāo)。

計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。

表2 車速為50 km/h時(shí)不同扣件區(qū)車體平穩(wěn)性指標(biāo)W

表3 車速為30 km/h時(shí)不同扣件區(qū)車體平穩(wěn)性指標(biāo)W

可見，車體在3種扣件區(qū)的平穩(wěn)性指標(biāo)均能達(dá)到1級(jí)（優(yōu)）標(biāo)準(zhǔn)（W＜2.5），且GH-1扣件區(qū)整體平穩(wěn)性更優(yōu)，可以很好保證列車平穩(wěn)運(yùn)行。

3.2 轉(zhuǎn)向架測(cè)試結(jié)果

列車分別以50 km/h和30 km/h的車速通過不同的扣件安裝區(qū)。參考《UIC518-2005》建議的方法對(duì)測(cè)試所得的轉(zhuǎn)向架橫向加速度進(jìn)行10 Hz低通濾波處理，得到轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度最大值

由測(cè)試結(jié)果可見，兩種車速工況下轉(zhuǎn)向架橫向加速度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10.66 m/s2限值。列車通過GH-1(26 mm)扣件安裝區(qū)時(shí)，轉(zhuǎn)向架的橫向振動(dòng)最小，說明其對(duì)列車運(yùn)行安全性的不利影響最小，DT扣件次之，GH-1(34 mm)扣件最大。這說明GH-1扣件通過橡膠材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了扣件“高靜低動(dòng)”的特點(diǎn)，使得GH-1(26 mm)扣件具備了較大的橫向靜剛度，保證了列車運(yùn)行時(shí)較好的橫向穩(wěn)定性，優(yōu)于DT扣件。但GH-1(34 mm)扣件的橫向穩(wěn)定性較差，這是由于橡膠承載面尺寸不變的情況下，增加其厚度將導(dǎo)致其橫向剛度下降[11]，進(jìn)而對(duì)列車橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。因此，在橡膠墊的聲學(xué)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意控制橡膠厚度與承載面尺寸的比例，以保證在提高其減振效果的同時(shí)具備足夠的橫向靜剛度。

4 結(jié)語

(1)列車經(jīng)過減振扣件安裝區(qū)時(shí)，車體垂向振動(dòng)加速度遠(yuǎn)大于橫向振動(dòng)加速度，較高的車速對(duì)影響列車穩(wěn)定性的10 Hz以下低頻振動(dòng)產(chǎn)生不利影響。

(2)列車通過安裝GH-1減振扣件軌道時(shí)，車體橫向振動(dòng)加速度相比于DT扣件有13%～33%的降低，垂向振動(dòng)加速度在50 km/h車速工況下低于DT扣件，而在30 km/h車速下各有高低，車體在GH-1扣件安裝區(qū)的運(yùn)行平穩(wěn)性整體表現(xiàn)更優(yōu)；

(3)列車通過安裝GH-1(26 mm)減振扣件軌道時(shí)，轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度相比于DT扣件有33%～43%的降低，而列車通過安裝GH-1(34 mm)減振扣件軌道時(shí)，轉(zhuǎn)向架橫向振動(dòng)加速度略高于DT扣件。因此在橡膠墊的聲學(xué)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意控制橡膠厚度與承載面尺寸的比例，以保證在提高其減振效果的同時(shí)具備足夠的橫向靜剛度；

(4)GH-1減振扣件能夠滿足安全性和平穩(wěn)性的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)列車穩(wěn)定性不利影響較小，在有效降低周邊振動(dòng)的同時(shí)可以保證列車平穩(wěn)安全地運(yùn)行。

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