鋼彈簧浮置板軌道過渡段動力性能影響分析

任 樹 文

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

隨著我國城市軌道交通的迅速發展，其運營誘發的振動噪聲問題日益突出。當列車經過時，振動經軌道結構傳至下部基礎，敏感地區振動還會影響居民工作和生活。為解決列車引起的環境振動問題，大量軌道結構采用了浮置板軌道并起到了一定的減振效果。文獻[1]通過現場測試試驗，研究橋上無砟軌道鋪設橡膠減振墊的減振效果。文獻[2]針對減振墊厚度、彈性模量、扣件垂向剛度三項參數，研究了振動傳播規律，并提出了參數建議。文獻[3]～[9]對浮置板的動力性能進行研究。本文基于正交實驗的理論，建立三維有限元動力模型，采用移動輪對荷載進行動力仿真計算，獲得不同參數組合下的鋼軌和浮置板的動態位移和加速度，分析過渡段動力性能主要的影響因素。

2 浮置板軌道參數

選取浮置板的標準長度為25 m，扣件間距為0.625，彈簧間距為1.25 m，參考列車車輛的軸重16 t，移動荷載為單輪重力取值為80 kN。選取影響動力性能的五個主要的鋼彈簧浮置板軌道參數，包括彈簧加密布置方式、彈簧剛度、相鄰軌道型式、列車速度和浮置板厚度，來研究對過渡段動力性能的影響。此處的相鄰軌道型式，是將實際工程中普通無砟軌道、彈性軌枕、彈性支承塊、軌道減振器、梯形軌枕等，總結歸納成三種減振措施形式即無減振措施、中等減振措施和高級減振措施。列車速度考慮40 km/h，60 km/h和80 km/h。彈簧加密布置方式見圖1，主要的五個參數設置見表1。

表1 不同過渡段的參數設置

減振形式參數設置鋼彈簧浮置板浮置板厚度/m0.280.340.40扣件剛度/kN·m-135彈簧鋼度/kN·mm-15.36.98.5彈簧加密方式圖1a)圖1b)圖1c)非浮置板段扣件剛度/kN·mm-1102540

3 三維有限元模型

本文采用ANSYS有限元軟件進行模型仿真，采用板單元Shell163單元模擬浮置板道床，用Beam188單元模擬鋼軌，用Combine14單元模擬扣件，有限元模型圖見圖2。同時，在浮置板過渡段選取2個檢測點G1和F1，分布設置在鋼軌上和浮置板面上中部。

4 正交試驗

正交試驗法是研究多因素多水平的一種試驗方法，從眾多實驗中選取代表性的試驗進行分析，大大降低了實驗的樣本數。本文根據彈簧加密布置方式、彈簧剛度、相鄰軌道型式、列車速度和浮置板厚度等五個參數因素，在正交表中選取七因素三水平的正交表L1837進行分析，即將五個因素排完后，剩余的沒排的列是空列可以用來做誤差項。正交試驗樣本具體設置見表2，共有18種組合。

表2 正交設計表

4.1 固有頻率分析

利用 ANSYS 軟件，對浮置板結構進行三維的模態分析，得到不同參數下軌道的固有頻率，分析每個參數對鋼彈簧浮置板軌道結構固有頻率的影響規律。

對相關數據進行極差分析，將數值用圖3直觀表示。從總體趨勢可以看出：扣件剛度極差較小，可以作為次要因素，在進行減振降噪研究時，可不作為重要考慮的參數；隨著固有頻率的增大，彈簧的加密方式成為影響固有頻率的重要因素。因此要改變浮置板軌道的低階頻率首選調節浮置板厚度與彈簧的剛度，若要改變浮置板軌道的高階頻率首選調節彈簧的加密方式。

4.2 動力特性分析

選取車輛的軸重16 t，即移動荷載的單輪重力取值為80 kN，在有限元模型上考慮六節車廂進行加載，提取浮置板上的F1點，其加速度和位移時域曲線見圖4。通過時域曲線能夠明顯看出車輪走過的痕跡，其數值與其他文獻較為一致，驗證了模型的正確性，通過對不同試驗號進行加載，不同組合下的動力響應加速度和位移數值見表3。

表3 不同部位的振動響應

試驗號鋼軌位移/m加速度/m·s-2F浮置板位移/m加速度/m·s-210.003 65100.980.003 244.9220.001 6537.230.001 073.5230.001 6947.430.001 653.7940.003 6538.590.003 453.0050.022 3438.080.002 143.0060.002 22104.890.001 882.4270.003 9853.550.003 734.4880.002 56107.610.002 072.8790.002 4829.750.002 392.31100.002 4935.020.002 462.87110.002 9343.180.002 833.29120.002 08102.340.001 812.67130.002 49111.690.002 482.78140.002 7332.130.002 412.56150.002 3639.950.002 533.09160.003 5959.330.002 574.24170.002 74111.690.002 632.76180.002 3830.770.002 322.58

通過對鋼軌位置與浮置板位置的位移和加速度極差分析，見圖5,圖6，研究了鋼彈簧浮置板軌道與不同軌道過渡連接時，不同因素變化對系統動態行為的影響，探索在過渡段采取的措施。研究結果表明車輛通過過渡段時，列車的運行速度是影響鋼軌振動加速度數值最重要的因素，浮置板的厚度、彈簧的剛度、彈簧的加密方式、扣件剛度的影響較弱，但是彈簧剛度的變化對浮置板道床的影響較大，浮置板厚度、扣件剛度、列車的運行速度影響次之。

5 結語

通過以上的分析，可以得出以下結論：1)相對于浮置板的厚度、彈簧的剛度和扣件剛度等參數，彈簧的加密方式是影響過渡段固有頻率的最重要影響因素。2)當列車通過過渡段時，運營速度是最主要的影響鋼軌動力性能的因素，然而，彈簧的剛度是影響浮置板動力性能的主要因素。3)在設計過渡段時，應重點考慮彈簧的加密方式、彈簧的剛度這兩個主要因素。