陈卓，曾志平



弹性支承块式无砟轨道减振特性足尺模型对比试验

陈卓1, 2，曾志平3

(1. 中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；2. 中国铁道科学研究院，北京 100081；3. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 4100075)

基于中铁五院弹性支承块式无砟轨道优化改进设计成果(“改进型”LVT)以及蒙华铁路弹性支承块式无砟轨道(“传统型”LVT)设计图纸，在实验室分别制作“改进型”和“传统型”LVT的1: 1足尺试验模型，开展落轴冲击作用下，“改进型”和“传统型”LVT减振特性对比试验。研究结果表明：“改进型”和“传统型”LVT的钢轨加速度基本一致，而“改进型”LVT钢轨至支承块、底座板至地面的衰减率优于“传统型”LVT，“改进型”LVT减振效果可达4~5 dB；“改进型”LVT钢轨加速度第1和第2振动周期最大分别减少32.2%和30.0%，且第3周期加速度幅值不明显；“改进型”LVT整体弹性系数最大减小27.4%，而阻尼系数最大增大58.2%；“改进型”LVT支承块主要频率降低约6%，道床板、底座板以及地面主振频率降低约40%。试验结果可为“改进型”LVT的工程应用提供技术支撑。

重载铁路；弹性支承块式无砟轨道；减振特性；足尺模型；对比试验

重载铁路对于增加铁路货物运输能力、提高运输效益的效果非常显著[1−3]。目前，重载铁路一般以有砟轨道为主。随着通过总重及运量增加，有砟道砟粉化日趋严重，维修工作量急剧加大。由于隧道内轨道的维修非常困难，我国《铁路工程设计措施优化指导意见》提出，长度超过1 km的隧道和隧道群地段宜采用无砟轨道结构。相对于其他类型的无砟轨道，LVT减振性能良好，有利于降低轮轨冲击对隧道结构振动的影响，更适合铺设在重载铁路隧道内。既有弹性支承块系统容易产生过大变形甚至松动，致使线路轨距保持性能变差；弹性部件受力不均，易产生破损；弹性支承块系统比较复杂，施工运输和安装成本较高。基于此，中铁五院主持并组织相关单位针对既有隧道内重载铁路LVT，开展优化设计研究和产品试制。对支承块进行优化并设计了斜坡型支承块结构(图1)；提出了1种套靴一体化设计制造方案(图2)；优化支承块尺寸及埋深；进行轨道部件刚度合理匹配[4]。本文采用落轴试验方法，在足尺试验模型上进行“改进型”和“传统型”LVT[5−6]的振动特性对比试验，试验结果表明“改进型”LVT在振动响应方面取得了较为良好的效果，验证了设计，检验了施工工艺，为其现场铺设的可行性提供了技术保证。

图1 “改进型”支承块

图2 “改进型”靴套

1 试验模型概况

采用“改进型”与“传统型”LVT各1段进行对比试验。根据隧道内“改进型”与“传统型”LVT的设计图纸，本试验轨道模型长度按6.58 m(各含11对支承块)设计，配套采用弹条Ⅶ型重载扣件和60 kg/m钢轨，扣件间距0.6 m。足尺试验模型的设计图和实物图分别如图3和图4所示。

图3 足尺试验模型设计

图4 模型实物图(左-“传统型”、右-“改进型”)

2 试验方法

采用落轴试验法进行轨道结构振动特性对比试验[7−8]，该方法主要测试在落轴冲击作用下，钢轨、支承块、道床板、底座板和地面等结构部件的加速度和位移等动力响应[9−12]。试验过程中，将轮对(质量1.42 t)置于模型中部第6组扣件支点正上方，分别以5，10，15，20，25和30 mm等 6种落轴高度工况自由落体冲击钢轨，如图5所示。通过测试自钢轨至地面处各轨道部件的加速度，分析相邻部件振动传递和冲击衰减性能；轨道结构的振动参数，如弹性系数和阻尼系数，可以通过轮轨冲击作用时长及反弹回落时长计算得到。为探究轮轨冲击加速度沿线路竖向的衰减及传递规律，分别在钢轨顶面、支承块表面、道床板靴套周围表面、道床板边缘表面、道床板中心线表面、底座板边缘表面和地面布置加速度传感器，具体布置方式如图6所示。

图5 落轴冲击试验机

图6 加速度传感器布置

3 试验结果及分析

3.1 加速度幅值及衰减对比分析

根据测试数据，计算得出不同落轴高度下，“改进型”和“传统型”LVT的钢轨至地面等各轨道部件的平均加速度如表1所示，各部件相对于钢轨加速度的幅值比如表2所示；根据振动加速度级计算方法，得到“改进型”和“传统型”LVT地面振动加速度级如表3所示。从表1可以得出，“改进型”和“传统型”LVT各部件加速度随着落轴高度增加逐渐增大；同一落轴高度下，“改进型”和“传统型”LVT钢轨加速度幅值基本一致，但“改进型”LVT支承块和地面的加速度明显小于“传统型”LVT；落轴高度为30 mm时，“改进型”LVT支承块和地面加速度最大值分别为24.96和0.24，而“传统型”LVT支承块和地面加速度最大值分别为32.78和0.53，说明“改进型”LVT对于轮轨冲击力吸收效果更好。从表2可以看出，轮轨冲击作用下，“改进型”和“传统型”LVT支承块相对于钢轨加速度幅值比分别为0.208和0.249，地面相对于钢轨加速度幅值比分别为0.002和0.005，即“改进型”LVT加速度在钢轨至支承块、底座板至地面衰减率优于“传统型”LVT。从表3可看出，与相比“传统型”LVT，“改进型”LVT减振效果达4~5 dB。轮轨冲击作用下，“改进型”LVT道床板、地面所受的冲击影响优于“传统型”LVT。

表1 各位置平均加速度

表2 各部件相对于钢轨加速度幅值比

表3 地面振动加速度级

3.2 轮轨冲击衰减次数及衰减时间对比分析

通过不同落轴高度冲击试验，可测得轮轨冲击作用点钢轨加速度时程曲线，以落轴高度20 mm为例，测得“改进型”和“传统型”LVT钢轨加速度时程曲线如图7所示。10，20和30 mm落轴高度下前3个衰减周期时长如表4所示。从图7和表4可发现，轮轨冲击作用下，“改进型”和“传统型”LVT钢轨加速度经过3~4个周期衰减至零；与“传统型”LVT相比，“改进型”LVT第1和第2衰减周期、平均分别减少16.7%和16.5%，最大分别减少32.2%和30.0%，即“改进型”LVT衰减至同一水平加速度的时间历程更短；“改进型”LVT第3周期加速度幅值已不明显，即“改进型”LVT加速度总衰减时长更短。由此可见，轮轨冲击作用下“改进型”LVT衰减更为迅速。

3.3 弹性系数和阻尼系数对比分析

利用不同落轴高度的轮轨冲击时间测试结果，计算“改进型”和“传统型”LVT结构弹性系数K和阻尼系数C[1]，如表5所示。从中可以看出，“改进型”和“传统型”LVT的弹性系数分别为37.7~ 45.2 kN/mm和47.4~55.2 kN/mm，阻尼系数分别为277.5~324.9 kN∙s/m和205.4~281.9 kN∙s/m。与“传统型”LVT相比，“改进型”LVT整体弹性系数平均减少21.1%，最大减少27.4%，而阻尼系数平均增大16.7%，最大增大58.2%，说明“改进型”LVT对于衰减轮对冲击振动更为有利。

(a)“改进型”LVT；(b)“传统型”LVT

3.4 振动频域特征对比分析

通过分析轨道结构各部件的振动频谱图，可得到轨道各部件振动主频及其沿竖向从钢轨至地面的传递规律，从而获得“改进型”和“传统型”LVT在频域方面减振性能的差异。根据测试频谱图，分析落轴高度10，20和30 mm对应的轨道结构各部件主频如表6所示。从中可以看出，轮轨冲击作用下，“改进型”和“传统型”LVT钢轨主振频率分别为570.7~575.3 Hz和570.7~619.5 Hz，支承块主振频率分别为236.5~245.7 Hz和242.6~ 267.0 Hz，道床板主振频率分别为140.4~144.9 Hz和244.1~254.8 Hz，底座板主振频率分别为141.9~ 148.0 Hz和206.0~212.1 Hz，地面主振频率分别为65.4~74.8 Hz和100.7~109.9 Hz。与“传统型”LVT相比，“改进型”LVT钢轨主振频率基本一致，支承块主要频率略有降低(约6%)，而道床板、底座板以及地面的主振频率大幅降低(约40%)。由此可见，轮轨冲击作用下，“改进型”LVT能够有效降低支承块下结构的振动频率，减小对块下部件及隧道周围环境的影响。

表4 不同落轴高度下衰减周期

表5 “改进型”和“传统型”LVT弹性系数和阻尼系数

表6 不同落轴高度的轨道结构各部分主频

4 结论

1) 2种轨道的钢轨加速度基本一致，而“改进型”LVT的支承块表面、地面加速度幅值及地面振动加速度级小于“传统型”LVT，可明显减小轮轨冲击发生时对地基基础的振动影响；与“传统型”LVT相比，“改进型”LVT振动换算加速度级幅值衰减可达4~5 dB。即“改进型”LVT在吸收轮轨冲击方面效果优于“传统型”LVT。

2)“改进型”和“传统型”LVT的钢轨加速度经过3~4个周期幅值衰减至零，“改进型”LVT在钢轨加速度衰减至同一水平加速度时，时间历程以及总衰减时长更短；2种轨道的弹性系数基本相同，但“改进型”LVT的阻尼系数更大。即“改进型”LVT对于快速衰减轮轨冲击速度、减少振动叠加方面优于“传统型”LVT。

3) 轮轨冲击作用下，“改进型”LVT的道床板、底座板和地面的振动频率均明显小于“传统型”。即“改进型”LVT轮轨冲击振动高频成分向地面传递更少，有利于减小对轨道仰拱、衬砌等结构的振动影响。

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Comparative experimental study on vibration reduction characteristics of low vibration track by full-scale model

CHEN Zhuo1, 2, ZENG Zhiping3

(1. China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd, Beijing 102600, China; 2. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the present research results and design drawings of the low vibration track (LVT), the full-scale test models of the improved and traditional LVTs were established. A comparative experimental study on the vibration reduction characteristics of the improved and traditional LVTs was carried out under the impact action of drop axis. The results show that: The accelerations of the rails for improved and traditional LVTs are basically the same, while the attenuation rate from the rail to the support block as well as from the base plate to the ground of the improved LVT is better than that of the traditional LVT, and the damping effect of improved LVT can reach 4~5 dB; Compared with traditional LVT, the first and second vibration cycles of the rail acceleration of improved LVT decrease by 32.2% and 30.0%, respectively, and the amplitude of the third period acceleration of improved LVT is not obvious; The maximum elastic modulus of the improved LVT model decreases by 27.4%, while the maximum damping coefficient increases by 58.2%; The main frequency of the improved support block is reduced by about 6%, while the main frequency of the ballast board, base board and ground is reduced by about 40%. The test results provide a technical support for the project application of improved LVT.

heavy haul railway; low vibration track; vibration reduction characteristics; full scale model; comparative experiment

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.009

U213

A

1672 − 7029(2019)01 − 0065 − 06

2018−01−06

中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目(13-C63)；煤炭联合基金重点资助项目(U1361204)

陈卓(1979−)，女，河南南阳人，博士研究生，高级工程师，从事铁路工程结构设计与研究；E−mail：61134963@qq.com

(编辑 涂鹏)