城市轨道交通道岔振动测试分析

城市轨道交通道岔振动测试分析

单涛涛

上海申通轨道交通检测认证有限公司上海201103

摘要：为研究城市轨道交通道岔振动特性，对某地铁线路上一典型高架道岔区进行振动测试，得到多组列车通过时道岔尖轨、导轨和辙叉处的钢轨及道床振动加速度。统计振动加速度的峰值，并对加速度信号进行谱分析。采用WK频率计权曲线对实测道床加速度进行Z振级计算，并与车速60km/h时普通轨道的道床振动进行对比。分析结果表明:列车以30km/h左右的车速通过道岔区段时，钢轨振动存在多个明显的冲击峰值，其主要频域成分在200Hz以上。道床振动时域峰值在2g左右，在50～100Hz频率范围内存在明显峰值，在20～50Hz频率范围内道岔区道床振动的Z振级较普通轨道道床振动大5～10dB。

关键词：道岔区振动；振动实测；Z振级

引言

道岔是城市轨道交通中必不可少的线路转换设备，同时也是轨道上的薄弱部分，其状态优劣影响着运营和行车安全[1]。道岔主要由转辙器（道岔尖轨）、导轨（连接部分）和辙叉及护轨三部分构成。其中，转辙器由两根尖轨和两根基本轨构成。城市轨道交通属于中等轴重且时速低于200km，采用固定式辙叉。在辙叉中，有害空间会使转向架通过时产生剧烈摇摆。列车过岔时，轮轨力的强大冲击作用会导致道岔出现磨损、裂纹等伤损，从而影响列车正常运行，有可能引发重大事故。因此，研究道岔伤损，对保障列车行车安全具有重要意义[2]。

列车过岔产生的振动信号蕴含了丰富的道岔伤损信息，对其进行测试和分析，是能够提取出有效伤损信息的重要前提[3]。随着测试技术的发展，轨道交通中振动测试越来越方便快捷。与应力应变测试相比，对轨道结构构件的振动加速度的测试具有布点快、易拆装、信号稳定性高等优点。目前，振动测试广泛地应用于结构健康监测、环境评价、轨道减振效果评估等各个领域。为了得到足够的有意义的振动数据，需要精密的测量仪器和周全细致的测试方案。对现场振动实测数据进行分析得出的结论能够印证计算机数值模拟方法的正确性，并为经验模型中参数的确定提供依据[4]。

本文通过对某地铁线路上一典型高架道岔区的振动实测，得到多组列车通过时道岔尖轨、导轨和辙叉处的钢轨及道床振动加速度，分析了振动的频率特性并进行了振级计算，为道岔伤损评价提供测试依据和参考。

1.测点布置和测试仪器

测点区段位于高架线路，混凝土箱形高架桥梁结构，轨道结构为整体道床、60kg/m钢轨、采用普通扣件形式、轨枕间距为600mm。车辆采用国标A型车，车辆定距15.7m，轴距2.5m，设计轴重160kN，车辆设计最大运行速度为80km/h。测试工况为空车AW0运行，车上仅2名司机及1名信号员。列车在车站清员出站后经道岔由直股进入侧股驶向车辆基地方向，此时获取道岔区各测点的振动加速度。

测点布置如图1所示，传感器布置以及测量的物理量分别如表1所列。

本次测试中采用的量程500g的传感器用于测试钢轨振动，量程10g的传感器用于测试道床振动。信号采集设备为24位动态信号采集系统，同时对钢轨和道床振动加速度进行采集。采样频率为16.384kHz，各测点同步采样，截取列车通过测点时的信号后通过MATLAB编程，实现信号的滤波及波形分析、振动加速度幅值统计、1/3倍频分析和Z振级分析。

2.时域峰值分析

任取一次典型列车通过时的加速度时程曲线作为代表，画出道岔测试断面的各测点的加速度时程曲线。以辙叉处振动为例，如图2所示。列车过岔时，钢轨振动信号有明显的冲击峰值，测试条件下最大冲击峰值在170g左右，道床的最大冲击加速度峰值在1.5~2g左右，1g为9.8m/s2。列车在通过一半车身后通常开始减速，以测点2为参考点，列车的第一节通过速度约为30.5km/h，列车平均通过速度约为27.8km/h。

列车通过道岔区时各测点的时域最大值可在一定意义上反映该位置处的最大冲击。为方便对比，将各测试数据进行处理，分析频段范围为1~4000Hz，各测点峰值的样本平均值如表2所列。

*测点3位置处钢轨垂向测点信号异常，暂不做分析。

3.频域1/3倍频程分析

频域分析得到列车通过时各测点的振动加速度1/3倍频程（1~4000Hz，未计权）。不同位置处的振动频域特征略有差异，但总体规律基本一致。以辙叉处振动为例，由图3（a）可见，钢轨垂向振动在20Hz~200Hz范围内随频率的增加而呈增大趋势，通常在200Hz附近出现一个较为明显的峰值，在频率高于200Hz后，随频率的增大在很小的幅值范围内呈波动趋势，总体上有所增加。

辙叉处测点的道床垂向振动1/3倍频程如图3（b）所示，在频率低于50Hz时，振动随频率的增大而呈明显的增大趋势，在频率范围50~110Hz范围内呈现峰值。

(b)测点6（道床垂向）

图3列车通过时辙叉处振动的1/3倍频程统计曲线(未计权)

4.Z振级分析

人体对振动的感知与振动频率密切相关，不同频率成分对人体健康的影响程度不同。国际标准化组织ISO在1997年重新修订的ISO2631-1中，提出了新的计权WK曲线[4]。与标准ISO2631-1相对应的国内标准为《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第1部分一般要求》GB/T(13441.1-2007)[5]。

根据上述标准，对道床测点的测试样本计算Z振级，依据该规范WK曲线计权得到各次记录的Z振级统计值如表3所列。列车通过时在测点2处的道床加速度Z振级为85.7dB，测点4处为91.3dB，测点6处为91.2dB。区间内普通轨道区段车速60km/h时引起的道床振动Z振级为86dB。

将道岔区的道床垂向振动与车速为60km/h普通轨道的道床振动进行对比可知：道岔区与普通轨道道床振动随频率的变化关系基本一致，道岔区道床振动在10Hz以下以及50Hz以上的振动与普通轨道道床差异不大，在20~50Hz频率范围内，道岔区的道床振动加速度Z振级较普通轨道道床振动大5～10dB。

5.结论和展望

通过对某地铁线路一典型高架区间道岔区列车过岔时钢轨和道床振动的现场测试，采集到道岔尖轨、导轨和辙叉处的加速度记录，经统计分析、频域分析和Z振级计算，得到以下初步认识：

在测试条件下，列车以30km/h左右的车速通过道岔区段时，道岔区的钢轨振动存在多个明显的冲击峰值且该峰值相对较大。钢轨振动频域成分主要分布在200Hz以上范围。在测试条件下，道床振动时域峰值在2g左右，振动的频域特征主要表现为在50~100Hz频率范围内存在明显的峰值，在20~50Hz频率范围内道床振动加速度Z振级较普通轨道道床振动大5～10dB。

本次测试是对城市轨道交通道岔区段振动监测的一次初步探索，初步测试结果对测试方案中测点的布置、振动加速度传感器的选择、信号采集参数的设定等具有重要指导意义。后续测试中，测试对象应从标准单开道岔逐步拓展到对称道岔、菱形道岔等其它复杂道岔类型。除了对道岔区钢轨和道床本身进行振动测试和评价外，振动对转辙机设备的影响评价也要给予特别关注。

参考文献

[1]贾利民，王艳辉，程晓卿.高速铁路安全保障技术[M].北京：中国铁道出版社，2010：2-3.

[2]王平.高速铁路道岔设计理论与实践[M].成都：西南交通大学出版社，2011.

[3]陈虹屹.高速道岔振动数据修复与伤损识别研究[D].西南交通大学，2012.

[4]单涛涛，楼梦麟，蒋通，等地铁诱发地面振动传播衰减特性分析[J].防灾减灾工程学报，2013，33（4）：461-467.

[5]GB/T13441.1-2007,机械振动与冲击-人体暴露于全身振动的评价[S].