都市快轨交通

	质量/kg	刚度/(kN/m)	阻尼/(kN・s/m)
梯形轨枕轨道	7.5	5.2	6.6
钢弹簧浮置板轨道	16.8	4.1	3.9

	质量/kg	刚度/(kN/m)	阻尼/(kN・s/m)
梯形轨枕轨道	7.5	5.2	6.6
钢弹簧浮置板轨道	16.8	4.1	3.9

北京地铁减振轨道钢轨波磨治理效果试验研究

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崔日新 ¹^,² , 石熠 ¹^,² , 李玉路 ³ , 王进 ⁴ , 李仲华 ¹^,²

都市快轨交通 | 快轨论坛 2024,37(6): 35-40

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北京地铁减振轨道钢轨波磨治理效果试验研究

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崔日新¹^,², 石熠¹^,², 李玉路³, 王进⁴, 李仲华¹^,²

作者信息

¹ 北京市轨道交通建设管理有限公司北京 100068

² 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室北京 100068

³ 中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心北京 100081

⁴ 北京城市快轨建设管理有限公司北京 100068

崔日新，女，博士，高级工程师，研究方向为轨道交通振动噪声控制，cuirixin_work@163.com

Experimental Study on Rail Corrugation Treatment for Vibration Reduction Tracks in Beijing Subway

Rixin CUI¹^,², Yi SHI¹^,², Yulu LI³, Jin WANG⁴, Zhonghua LI¹^,²

Affiliations

¹ Beijing MTR Construction Administration Co., Ltd. Beijing 100068

² Beijing Key Laboratory of Fully Automatic Operation and Safety Monitoring for Urban Rail Transit Beijing 100068

³ Urban Rail Transit Center China Academy of Railway Sciences Beijing 100081

⁴ Beijing Urban Rapid Transit Construction Administration Co., Ltd. Beijing 100068

doi: 10.3969/j.issn.1672-6073.2024.06.005

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摘要

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为验证钢轨阻尼装置对减振轨道钢轨波磨的治理效果,选取北京地铁梯形轨枕、钢弹簧浮置板两种减振轨道结构,对试验段添加钢轨阻尼装置前后的轨道及隧道振动、轨旁噪声特性进行测试对比,并对钢轨波磨的发展进行跟踪调查。结果表明:在梯形轨枕轨道上安装钢轨阻尼装置可在较宽频域范围内获得良好的减振降噪效果,可将钢轨振动与轨旁噪声分别降低9.7 dB、11 dB(A);在钢弹簧浮置板轨道上安装钢轨阻尼装置,可使其工作频率范围内的钢轨振动与轨旁噪声分别降低8.3dB、3dB(A)。长期跟踪测试表明:钢轨阻尼装置可使减振轨道钢轨波磨的发展速率延长一倍以上。

关键词

城市轨道交通 / 波磨 / 梯形轨枕轨道 / 钢弹簧浮置板轨道 / 阻尼装置 / 减振降噪

Abstract

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To verify the effects of rail damping devices in the rail corrugation treatment for vibration reduction tracks, rail damping devices were added to a laddertype sleeper track and a steelspring floating slab track, respectively, in this study. The vibration and trackside noise characteristics of the two vibrationreduction tracks were reported, and the development of rail corrugation was tracked. The results show that the rail damping devices installed on the laddertype sleeper track can achieve positive effects in vibration and noise reduction in a wide band range, which can reduce rail vibration and trackside noise by 9.7 dB and 11 dB (A), respectively. The rail damping devices installed on the steelspring floating slab track can reduce rail vibration and trackside noise by 8.3 dB and 3 dB (A), respectively, within their operational frequency range. Longterm tracking tests revealed that the installation of rail damping devices can at least halve the rate of rail corrugation development on vibration reduction tracks.

Key words

urban rail transit / rail corrugation / ladder-type sleeper track / steel-spring floating-slab track / damping device / vibration and noise reduction

引用本文

崔日新, 石熠, 李玉路, 王进, 李仲华. 北京地铁减振轨道钢轨波磨治理效果试验研究. 都市快轨交通, 2024 , 37 (6) : 35 -40 . DOI: 10.3969/j.issn.1672-6073.2024.06.005

Rixin CUI, Yi SHI, Yulu LI, Jin WANG, Zhonghua LI. Experimental Study on Rail Corrugation Treatment for Vibration Reduction Tracks in Beijing Subway[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2024 , 37 (6) : 35 -40 . DOI: 10.3969/j.issn.1672-6073.2024.06.005

正文

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0 引言

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城市轨道交通线网多穿越人口密集的城区, 受周边环境条件限制, 线路设计常采用小半径曲线线型。但由于曲线上轨道与车辆系统结构刚度、轮轨硬度及轮轨接触的合理匹配存在一定的难度 ^{[ 1 ]} ,导致钢轨波磨问题在曲线段发生率很高。减振区段发生钢轨波磨, 不仅会引起轮轨作用力增大、激发车内噪声、降低乘客舒适性, 还造成列车运行条件恶化, 严重时会导致原本满足减振需求的环境振动指标再次超标, 影响沿线居民的生活与健康。因此, 对减振区段钢轨波磨的治理展开研究,对建设乘客与沿线居民“双重满意” 的轨道交通具有重要意义。

自十九世纪末, 城市轨道交通钢轨波磨问题出现后, 各国对钢轨波磨成因及治理的研究一直延续至今。目前, 典型的钢轨波磨成因理论有轮轨共振理论、自激振动理论、磨耗功理论等, 而针对钢轨波磨治理的具体方法则较少。目前国内外经过实践的治理方法有钢轨打磨、改变车速、轮轨界面摩擦调节、更换扣件、安装钢轨阻尼装置等。

钢轨打磨是各国轨道交通波磨治理最常用的方法。目前, 打磨计划的制定与高效打磨设备的研发是限制其技术提升的关键 ^{[ 2 - 3 ]} 。列车行车速度是影响钢轨波磨特征的因素之一, 运行速度的改变可能会抑制波长依赖于该车速的波磨的发展, 但不一定能够消除波磨 ^{[ 4 ]} ; 轨顶摩擦控制装置通过对轮轨界面摩擦特性的管理,控制轮轨接触区的黏-滑振动,从而实现对钢轨波磨的抑制 ^{[ 5 ]} ; 根据工程类比 ^{[ 6 ]} 的分析可知,轨道扣件刚度是钢轨波磨的重要影响因素之一, 通过改变扣件刚度治理钢轨波磨的方法在国内外轨道交通中均有研究 ^{[ 7 - 9 ]} 。

除上述方法外, 在钢轨上安装阻尼装置亦逐渐成为钢轨波磨治理的有效选择。THOMPSON 提出的一种附加于钢轨轨腰的调谐阻尼装置, 可在较宽频率范围内实现钢轨振动衰减能力的提高, 为抑制钢轨波磨发展提供了一种可能 ^{[ 10 ]} ;此后,刘卫丰等人将类似的钢轨阻尼装置应用于北京地铁剪切型扣件轨道、 DTVI ${}_{2}$ 型扣件轨道的钢轨波磨治理 ^{[ 11 - 12 ]} ; 吴赛甲等人就钢轨谐振器对小半径曲线上钢轨波磨的治理进行了研究 ^{[ 13 ]} 。

目前,钢轨阻尼装置在普通非减振区段上治理钢轨波磨取得了良好的效果, 但其对道床类减振轨道钢轨波磨的治理效果尚待研究与验证。本文针对目前北京市城市轨道交通常用的两种道床类减振轨道, 即梯形轨枕轨道与钢弹簧浮置板轨道, 提出在道床类减振轨道上采用钢轨阻尼装置治理钢轨波磨的方案, 并对其治理效果开展了试验研究, 以期为减振轨道钢轨波磨的治理提供参考。

1 现场试验组织

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为考察钢轨阻尼装置对道床类减振轨道钢轨波磨的治理效果, 选取北京地铁线上梯形轨枕轨道与钢弹簧浮置板轨道两段试验段, 分别测试安装钢轨阻尼装置前后轨道与隧道振动特性、轨旁噪声特性及钢轨波磨发展趋势。梯形轨枕试验段位于 $R ={650}\mathrm{\;m}$ 的曲线上, 长度为 ${133}\mathrm{\;m}$ ,采用 ${\mathrm{{DTVI}}}_{2}- \mathrm{T}$ 型扣件; 钢弹簧浮置板轨道试验段位于 $R ={995}\mathrm{\;m}$ 的曲线上,长度为 ${225}\mathrm{\;m}$ ,采用 ${\mathrm{{DTVI}}}_{2}$ 型扣件。采用波磨测量小车对测试区间梯形轨枕与钢弹簧浮置板轨道的钢轨粗糙度级进行测量, 如图 1 所示, 测试区间内梯形轨枕钢轨波磨的特征波长范围为 ${100}\sim {200}\mathrm{\;{mm}}$ ,结合运行车速 (约 ${63}\sim$ ${68}\mathrm{\;{km}}/\mathrm{h}$ ),其波磨特征频率为 ${87.5}\sim {175}\mathrm{\;{Hz}}$ ; 钢弹簧浮置板轨道的特征波长为 ${125}\mathrm{\;{mm}}$ 与 ${250}\mathrm{\;{mm}}$ ,其波磨特征频率为 ${75}\mathrm{\;{Hz}}$ 与 ${151}\mathrm{\;{Hz}}$ 。

试验段安装的钢轨阻尼装置由弹性体及包裹在弹性体内的质量块组成, 弹性体与质量块一起构成了阻尼性质量-弹簧减振系统, 可抑制轮轨相互作用能量在钢轨上的传播 ^{[ 10 - 12 ]} ,钢轨阻尼装置设计参数见表 1 。

试验段左右轨上均安装了钢轨阻尼装置, 安装前对钢轨进行了打磨作业, 现场安装效果如图 2 所示。

此次测试分为钢轨阻尼装置安装前与安装后两个阶段, 测试内容分为钢轨振动衰减率、行车条件下轨道与隧道壁振动及轨旁噪声响应、钢轨波磨发展跟踪调研 3 部分。其中, 钢轨振动衰减率的测点布设依据规范 BS EN 15461: 2008+A1: 2010 的要求 ^{[ 14 ]} ; 行车条件下轨道与隧道壁振动及轨旁噪声测试的测点布设如图 3 所示; 现场传感器布设如图 4 所示。本次测试中, 对钢轨波磨发展情况的跟踪调研持续半年以上。

2 治理效果分析

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2.1 振动控制效果

为考察钢轨阻尼装置对道床类减振轨道振动特性的提升效果, 对行车条件下安装钢轨阻尼装置前后两种减振轨道的钢轨、轨枕(道床)及隧道壁的振动加速度级(VAL)进行测试分析, 测试结果如图 5 所示。

图 5 (a)为梯形轨枕轨道安装钢轨阻尼装置前后轨道结构与隧道壁的振动加速度级。由图中可知, 梯形轨枕轨道的钢轨与梯形轨枕在以 ${100}\mathrm{\;{Hz}}$ 为中心频率的频带内出现了共振峰值, 这与测试得出的梯形轨枕轨道钢轨波磨特征频率 $\left({{87}\sim {174}\mathrm{\;{Hz}}}\right)$ 相吻合,由此可推知此处钢轨波磨极有可能是钢轨与梯形轨枕出现同向垂向共振而引发的, 而安装钢轨阻尼装置后可在较宽的频域范围内获得良好的减振效果, 可将钢轨、梯形轨枕的振动分别降低 ${9.7}\text{、}{14.8}\mathrm{\;{dB}}$ ,将隧道壁 $\mathrm{Z}$ 振级降低 ${1.08}\mathrm{\;{dB}}$ 。图 5 (b)为钢弹簧浮置板轨道安装钢轨阻尼装置前后轨道结构与隧道壁的振动特性对比。由图可知, 在钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨特征频率(75Hz)附近,钢轨与浮置板均存在较大幅度的振动峰值, 可推测这一频率下的钢轨波磨可能是浮置板轨道系统垂向共振引起的, 而另一特征频率下 $({151}\mathrm{\;{Hz}}$ 附近)的波磨则可能由其他因素导致。钢轨阻尼装置对钢弹簧浮置板结构 ${400}\mathrm{\;{Hz}}$ 及以上的振动具有显著的减振效果, 可将其工作频段范围内钢轨、浮置板的振动分别降低 ${8.3}\text{、}{12.9}\mathrm{\;{dB}}$ ,将隧道壁 $\mathrm{Z}$ 振级降低 ${0.7}\mathrm{\;{dB}}$ 。

2.2 轨旁噪声

安装钢轨阻尼装置前后梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道的轨旁噪声测量结果如图 6 所示。由图 6 (a) 可知, 钢轨阻尼装置对梯形轨枕轨道辐射噪声有良好的控制效果, 可将测试频段范围内的轨旁噪声降低 ${11}\mathrm{\;{dB}}\left(\mathrm{A}\right)$ 。由图 6 (b)可知,钢轨阻尼装置对钢弹簧浮置板轨道 ${400}\mathrm{\;{Hz}}$ 及以上的噪声有衰减作用,可将其工作频率范围内的轨旁噪声降低 $3\mathrm{\;{dB}}\left(\mathrm{A}\right)$ 。

2.3 钢轨振动衰减率

钢轨振动衰减率是衡量振动沿钢轨纵向衰减能力的有效指标, 可以用来反映轨道系统阻尼的大小和噪声辐射能力 ^{[ 10 ]} 。通过对钢轨施加脉冲荷载,获取沿钢轨纵向布设的各测点处钢轨的频响函数, 并根据 BS EN 15461: 2008+A1: 2010 计算梯形轨枕轨道及钢弹簧浮置板轨道的垂向、横向钢轨振动衰减率,如图 7 ~ 8 所示。

由图 7 可知, 安装钢轨阻尼装置可有效提升梯形轨枕轨道在 ${200}\sim {2000}\mathrm{\;{Hz}}$ 内的垂向钢轨振动衰减率和测试全频段范围内的横向钢轨振动衰减率, 可使垂向、横向振动衰减率的最大增量分别达到 $2\mathrm{\;{dB}}/\mathrm{m}\left({{200}\mathrm{\;{Hz}}}\right)$ 与 ${4.2}\mathrm{\;{dB}}/\mathrm{m}\left({{80}\mathrm{\;{Hz}}}\right)$ 。图 8 中测试结果表明: 钢轨阻尼装置可大幅提升测试频段内除 ${200}\sim {300}\mathrm{\;{Hz}}$ 外的钢轨垂向振动衰减率, 使钢弹簧浮置板轨道的垂向、横向振动衰减率最大提高 ${6.3}\mathrm{\;{dB}}/\mathrm{m}\left({{630}\mathrm{\;{Hz}}}\right)$ 与 ${3.3}\mathrm{\;{dB}}/\mathrm{m}$ (500Hz)。可见,钢轨阻尼装置可有效提高道床类减振轨道的阻尼特性, 加强轮轨振动在钢轨中的衰减, 有利于控制钢轨波磨的发展, 减少轨道噪声的辐射与振动的传播。

2.4 波磨治理效果跟踪

为考察钢轨阻尼装置对梯形轨枕与钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨发展的抑制效果, 对安装钢轨阻尼装置半年后的钢轨磨耗情况进行了跟踪测试。测试采用 CAT 波磨测量小车对钢轨 ${30}\sim {100}\mathrm{\;{mm}}$ 波长波磨的移动矢高幅值峰-峰平均值(PPR)进行测量评判。为客观反映钢轨波磨的发展情况, 在评判时加入运营单位采用平直度尺对钢轨波磨波深的测量结果。经测试, 两种道床类减振措施钢轨波磨发展情况如图 9 所示。

由图 9 (a)可知,在钢轨阻尼装置安装前,梯形轨枕轨道的钢轨波磨波深在 11 个月内的增长量为 ${145\mu }\mathrm{m}$ , 增长率为 402.8%,月平均增长率约为 36.6%。钢轨阻尼装置安装后, 左股钢轨波磨 PPR 在 6 个月内的增长量为 ${11.6\mu }\mathrm{m}$ ,增长率为 ${34.7}\%$ ,月平均增长率约为 ${5.8}\%$ , 钢轨波磨的发展速率约降至安装前的 1/6 ；右股钢轨波磨PPR在 6 个月内的增长量为 ${3.0\mu }\mathrm{m}$ ,增长率为 ${12.9}\%$ , 月平均增长率约为 2.2%,钢轨波磨的发展速率约降至安装前的 1/17。

由图 9 (b)可知, 在钢轨阻尼装置安装前, 钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨波深在 8 个月内的增长量为 ${113\mu }\mathrm{m}$ , 增长率为 41.5%,月平均增长率约为 5.2%。钢轨阻尼装置安装后, 左股钢轨波磨 PPR 在 6 个月内的增长量为 ${9.3\mu }\mathrm{m}$ ,增长率为 ${13.2}\%$ ,月平均增长率约为 ${2.2}\%$ , 钢轨波磨的发展速率约降至安装前的 1/2 ；右股钢轨波磨PPR在 6 个月内的增长量为 ${3.9\mu }\mathrm{m}$ ,增长率为 ${14.5}\%$ , 月平均增长率约为 2.9%,钢轨波磨的发展速率约降至安装前的 1/2。

3 结论

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本文采用试验测试的方法, 研究了钢轨阻尼装置对道床减振类轨道钢轨波磨发展的抑制效果, 可为城市轨道交通减振段钢轨波磨的治理提供合理参考,具体结论如下:

1) 在梯形轨枕轨道上添加钢轨阻尼装置可有效提高钢轨对振动能量的衰减能力, 对波磨特征频率下钢轨与梯形轨枕的共振具有良好的抑制作用。本试验中,钢轨阻尼装置可将钢轨振动降低 ${9.7}\mathrm{\;{dB}}$ ,将钢轨波磨增长率降低至原来的 $1/6$ ,有效控制了梯形轨枕钢轨波磨的发展。

2) 本试验中, 钢轨阻尼装置对钢弹簧浮置板轨道系统振动噪声的有效衰减频率范围为 ${400}\mathrm{\;{Hz}}$ 及以上, 可将其工作频率范围内的钢轨振动降低 ${8.3}\mathrm{\;{dB}}$ 。跟踪测试表明, 安装钢轨阻尼装置可将钢轨波磨的发展速率降至未安装前的近 $1/2$ 。由于工作频率较高,钢轨阻尼装置并未能降低波磨特征频率下浮置板与钢轨的垂向共振幅值, 但钢轨阻尼装置的安装可有效提高浮置板轨道波磨特征频率附近的钢轨振动衰减率, 进而控制了钢轨波磨的发展。

基金

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北京市轨道交通建设管理有限公司双创基金项目(SCJJ2024006)
北京市基础设施投资有限公司科研项目(2022-10-06-01)

参考文献

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文献

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排序方式：

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2024年第37卷第6期

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doi: 10.3969/j.issn.1672-6073.2024.06.005

接收时间：2023-12-06
首发时间：2025-07-09

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收稿日期：2023-12-06
修回日期：2024-08-09

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北京市轨道交通建设管理有限公司双创基金项目(SCJJ2024006)

北京市基础设施投资有限公司科研项目(2022-10-06-01)

作者信息

¹ 北京市轨道交通建设管理有限公司北京 100068

² 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室北京 100068

³ 中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心北京 100081

⁴ 北京城市快轨建设管理有限公司北京 100068

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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