基于耦合模態(tài)的浮置板軌道減震性能研究＊

趙珍祥

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100）

1 研究背景

城市軌道交通是國(guó)家的重要城市基礎(chǔ)設(shè)施，具有運(yùn)能大、準(zhǔn)時(shí)性、速達(dá)性、舒適性、安全性、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模及人口數(shù)量的不斷擴(kuò)增，其在城市公共交通系統(tǒng)中的地位越來(lái)越重要，已然成為交通骨干[2]。截至2020年底，中國(guó)大陸地區(qū)累積有45 個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路達(dá)到7 978 km，當(dāng)年新增1 242 km。

但是隨之而來(lái)的是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，影響了軌道交通行業(yè)的健康發(fā)展[3]。首先，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行速度也隨之不斷提高；其次，城市人口不斷增長(zhǎng)，列車(chē)運(yùn)行間隔也在不斷縮短[4]。如此高速度、高頻率的列車(chē)運(yùn)行必然導(dǎo)致車(chē)輛與軌道之間的相互作用及影響更為頻繁、更為劇烈，相應(yīng)的越來(lái)越多的軌道結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)了疲勞破壞、振動(dòng)損傷等問(wèn)題[5]。此外，列車(chē)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)及噪聲會(huì)影響周?chē)幼…h(huán)境，甚至?xí)?duì)周邊巖土體及建筑物造成二次振動(dòng)傷害，嚴(yán)重影響居住安全[6]。究其根本是由軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)所導(dǎo)致，因此研究軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)及其減振設(shè)計(jì)問(wèn)題對(duì)于軌道交通技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

2 研究現(xiàn)狀及意義

目前，城市軌道交通減振措施主要從振動(dòng)源頭、傳播途徑和建筑物隔振方面入手，其中鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)是減振降噪的首要優(yōu)化對(duì)象[7]，主要包括以下幾種：①重型鋼軌和無(wú)縫線(xiàn)路。因其材料本身質(zhì)量較大，能有效增強(qiáng)軌道的穩(wěn)定性，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量和降低車(chē)輛運(yùn)行能耗，對(duì)減少列車(chē)的沖擊載荷有較大幫助。②扣件減振措施。扣件不僅能有效固定鋼軌，減少鋼軌的縱向和橫向位移，防止鋼軌傾覆，還具有較好的彈性性能，起到較好的減振效果。常用的有科隆蛋減振器，可減少3～5 dB，改進(jìn)型科隆蛋減振器，可減少7～8 dB 和新型減振彈性扣件。③軌下基礎(chǔ)的減振措施。針對(duì)不同的減振需要，國(guó)內(nèi)外對(duì)傳統(tǒng)的碎石道床和整體道床進(jìn)行了研究改進(jìn)，設(shè)計(jì)了軌枕墊和道碴墊、彈性軌枕道床、彈性支承式軌道結(jié)構(gòu)等多種減振型軌下基礎(chǔ)。

浮置板軌道是一種較為成熟且有效的減振措施，由德國(guó)率先研制并投入使用。通過(guò)設(shè)置彈性體將軌道上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離，使其處于懸浮狀態(tài)，建立質(zhì)量-彈簧的單自由度系統(tǒng)，利用整個(gè)道床在彈性體上進(jìn)行慣性運(yùn)動(dòng)來(lái)隔離和衰減列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)[8]，具有減振降噪效果明顯、軌道絕緣性能強(qiáng)、施工維修難度較大、造價(jià)較高等特點(diǎn)。

3 研究方案

3.1 研究方法

本研究項(xiàng)目采用資料調(diào)研、方法分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和軟件分析等技術(shù)手段研究軌道交通客流預(yù)測(cè)組合模型的應(yīng)用。

資料調(diào)研：大量搜集有關(guān)目前使用的減振設(shè)備的工作原理及應(yīng)用的文獻(xiàn)資料，積極與相關(guān)單位溝通聯(lián)系以獲取相關(guān)設(shè)備使用數(shù)據(jù)。

方法分析：通過(guò)有針對(duì)性地分析搜集的大量數(shù)據(jù)和資料，整理出有用的研究思路、設(shè)計(jì)方法，對(duì)比分析各自適用性及優(yōu)缺點(diǎn)等[9]。

軟件統(tǒng)計(jì)：利用ANSYS、UM 等軟件對(duì)軌道結(jié)構(gòu)模型、輛-軌道-路基耦合模型的各種機(jī)制進(jìn)行分析。

仿真實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)一款基于耦合模態(tài)的彈性阻尼減振裝置，進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)等。

3.2 技術(shù)路線(xiàn)

技術(shù)路線(xiàn)如下：①對(duì)現(xiàn)有減振裝置對(duì)比研究，選取相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行改良設(shè)計(jì)；②利用ANSYS 建立軌道結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行UM 耦合模態(tài)設(shè)計(jì)與振動(dòng)傳遞特性的影響機(jī)制分析[10]；③在①、②兩項(xiàng)研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于耦合模態(tài)的彈性阻尼減振裝置，并對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析；④總結(jié)①、②、③的研究成果，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

擬定的具體技術(shù)路線(xiàn)如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖

3.3 技術(shù)關(guān)鍵及擬解決的途徑

耦合模型的設(shè)計(jì)：構(gòu)建軌道結(jié)構(gòu)模型及耦合模型之前，首先需要熟悉建模原理及方案，掌握振動(dòng)原理、因素、變化規(guī)律與特征。

彈性阻尼裝置改良：通過(guò)查閱大量理論資料及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停钊敕治龈鞣N影響機(jī)制，進(jìn)而確定較為合理的改良方案。

3.4 創(chuàng)新之處

通過(guò)研究軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞特性及控制措施，結(jié)合振動(dòng)理論和波動(dòng)理論，采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證等研究手段，闡明了鋼軌振動(dòng)傳遞特性，揭示了鋼軌波導(dǎo)特性，探究了鋼彈簧浮置板軌道振動(dòng)傳遞特性，探索了基于耦合模態(tài)的彈性阻尼減振裝置控制措施及效果，進(jìn)而在建設(shè)高效的城市軌道交通系統(tǒng)中發(fā)揮科學(xué)指導(dǎo)作用。

4 數(shù)值模擬分析

通過(guò)建立ANSYS 有限元軌道模型，對(duì)軌道系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，分析了軌道系統(tǒng)固定頻率受各不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響情況。軌道板模態(tài)如圖2 所示，單塊軌道板長(zhǎng)5.6 m，分別取5、15、20 塊軌道板建立了28 m、84 m、112 m 的模型進(jìn)行分析，可以看出，同一階數(shù)下固定頻率會(huì)隨著板長(zhǎng)增加而降低，同一長(zhǎng)度軌道板的固定頻率會(huì)隨著階數(shù)增加而增加，其中112 m 的固定頻率增幅較28 m、84 m 低，受影響較小，因此考慮采用長(zhǎng)度112 m。

將軌道結(jié)構(gòu)通過(guò)ANSYS 離散后，導(dǎo)入U(xiǎn)M 軟件中進(jìn)行組裝。建立起車(chē)輛-軌道耦合模型，進(jìn)行仿真分析。繪制車(chē)速80 km/h 下傳遞損失隨隔振器剛度變化曲線(xiàn)圖，如圖3 所示，在其他因素一定的條件下，隔振器剛度越大，振動(dòng)級(jí)傳遞損失越小，相應(yīng)的隔振效果就越差，綜合考慮剛度過(guò)低也會(huì)增加位移與加速度等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，降低乘客乘坐舒適度，因此，建議剛度取值在20 kN/mm 左右。

圖3 傳遞損失變化曲線(xiàn)圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)分析

此次分析設(shè)計(jì)了彈性阻尼減振裝置，構(gòu)建方式如圖4 所示，在軌道下方安置設(shè)備安裝板，在軌道兩側(cè)及兩端均放入減振器，同時(shí)添加2 組慣性測(cè)量裝置，測(cè)量軌道承受的車(chē)輛慣性。為了檢測(cè)其可靠性，此次仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置了傳統(tǒng)減振裝置對(duì)比組，通過(guò)在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上測(cè)量車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)比分析減振效果及影響因素。該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)參數(shù)

圖4 構(gòu)架圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5 所示，其中振動(dòng)裝置1 為彈性阻尼減振裝置設(shè)計(jì)組，振動(dòng)裝置2 為傳統(tǒng)減振裝置對(duì)比組。

圖5 振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)比分析，加力等級(jí)在95～120 N 之間時(shí)，減振裝置設(shè)計(jì)組與對(duì)比組的振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)較為接近，此時(shí)兩者的減振效果基本一致；加力等級(jí)在120～160 N時(shí)，減振裝置設(shè)計(jì)組振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)處于緩慢上升階段且曲線(xiàn)平滑，減振裝置對(duì)比組振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)出現(xiàn)了跳躍式上升并且伴有較為明顯且劇烈的波動(dòng)；加力等級(jí)在160～200 N 之間時(shí)，減振裝置設(shè)計(jì)組振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)處于平穩(wěn)階段且曲線(xiàn)波動(dòng)幅度較小，功率譜密度在1×10-2g2/Hz 以?xún)?nèi)變化，減振裝置對(duì)比組振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)出現(xiàn)了跳躍式下降并且伴有較為明顯且劇烈的波動(dòng)，其功率譜密度下降到1×10-4g2/Hz 左右；加力等級(jí)在200 N 以上時(shí)，減振裝置設(shè)計(jì)組振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)雖然出現(xiàn)了一個(gè)跳躍式波動(dòng)，但其整體功率譜密度仍在1×10-2g2/Hz 以?xún)?nèi)變化，減振裝置對(duì)比組振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)仍然處于明顯且劇烈的波動(dòng)，其功率譜密度下降1×10-4g2/Hz 左右。對(duì)比分析，可見(jiàn)所設(shè)計(jì)的彈性阻尼減振裝置效果更好。

6 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)基于耦合模態(tài)的彈性阻尼減振裝置，說(shuō)明浮置板軌道結(jié)構(gòu)在減振降噪方面的效果是比較理想的。后期在設(shè)計(jì)中，還可考慮從扣件墊板彈性模量、扣件墊板阻尼損耗因子、隔振器布置數(shù)量、隔振器垂向剛度、隔振器阻尼損耗因子、浮置板板長(zhǎng)和厚度等方面進(jìn)行改良設(shè)計(jì)研究。