地鐵軌下膠墊參數(shù)對(duì)軌道垂向振動(dòng)影響研究

黃乾興

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616)

軌下彈性墊板是無砟軌道結(jié)構(gòu)中重要的減振部件，在降低軌道結(jié)構(gòu)剛度、提高線路彈性、改善輪軌間作用力和降低動(dòng)態(tài)效應(yīng)方面起著重要作用[1]。地鐵車輛運(yùn)行速度的提高，會(huì)加劇動(dòng)態(tài)輪軌相互作用，加速膠墊老化，造成軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)惡化，不僅增大現(xiàn)場維修難度，甚至?xí)绊懥熊囘\(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。因此，研究地鐵軌下橡膠墊板老化后的剛度對(duì)軌道振動(dòng)的影響有十分重要的意義。

針對(duì)地鐵線路軌下膠墊動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響及敏感性問題，國內(nèi)學(xué)者曾做過大量的研究：練松良、劉衛(wèi)星等在室內(nèi)和現(xiàn)場對(duì)彈性橡膠墊板進(jìn)行減振效果試驗(yàn)[1]；劉加華等研究現(xiàn)有的軌道結(jié)構(gòu)模型，在相同載荷作用下，對(duì)比分析彈性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)、有砟軌道以及剛性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，并研究分析了軌下橡膠墊板剛度變化對(duì)剛性支承塊式軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的影響[2]。目前，多數(shù)的研究僅僅考慮單一變量對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)的影響，沒有對(duì)軌道結(jié)構(gòu)分層細(xì)化，對(duì)軌下彈性墊板阻尼影響的研究鳳毛麟角。本研究建立了更切實(shí)際的地鐵車輛-雙層軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型，通過調(diào)整軌下膠墊的不同剛度和阻尼參數(shù)，對(duì)比分析軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，利用敏感系數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)不同動(dòng)力參數(shù)的軌下墊片剛度敏感性作比較。

1 車輛-軌道理論方法

圖1 參考坐標(biāo)系

式中，rix/I、riy/I、riz/I分別表示坐標(biāo)系中三個(gè)方向上的位移矢量。

而對(duì)于剛體Pi的位移，可用6個(gè)自由度來描述，即用[6×1]位移矢量表示6個(gè)廣義坐標(biāo)。

Z=[rxiryirziαiβiγi]T。

ri/I=ri/I(Z)，AIi=AIi(Z) 。

2 軌道仿真模型

圖2所示即為本研究建立的軌道結(jié)構(gòu)模型，將軌道分為鋼軌、軌道板、道床三層。其中扣件和軌下膠墊簡化為彈簧阻尼單元。同樣，軌道板和道床間的接觸也可視為彈簧阻尼單元連接，用賦予彈簧剛度和阻尼的辦法，實(shí)現(xiàn)了既可通過調(diào)節(jié)軌下膠墊動(dòng)力學(xué)參數(shù)的方法來研究對(duì)軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，也可通過調(diào)節(jié)軌道板和道床間的接觸關(guān)系來研究對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響，同時(shí)使建立的軌道更符合實(shí)際工況。

圖2 雙層軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

表1為某型客車的主要參數(shù)。

表1 車輛-軌道系統(tǒng)主要參數(shù)

3 膠墊參數(shù)對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)性能的影響

3.1 輪軌垂向力響應(yīng)

由圖3(a)可知，在墊板剛度從30 MN/m增加到70 MN/m的過程中，輪軌垂向力從90.11 kN增大到106.69 kN，呈現(xiàn)增大的趨勢。由圖3(b)可得，墊板阻尼從60 kN·s/m增加到80 kN·s/m的過程中，輪軌垂向力由99.04 kN減小到89.77 kN，呈現(xiàn)出輪軌作用減弱的趨勢。因此，當(dāng)軌下膠墊出現(xiàn)老化現(xiàn)象時(shí)，會(huì)使得輪軌之間的作用力加劇，所以應(yīng)定期抽檢并及時(shí)更換老化的軌下彈性墊板。

(a) (b)

圖3剛度和阻尼對(duì)輪軌力的影響

3.2 鋼軌和軌道板垂向位移響應(yīng)

從圖4(a)可知，鋼軌和軌道板垂向位移在橡膠墊片的剛度由30 MN/m增加到70 MN/m過程中，分別減小了30%和49%；由圖4(b)可得出，在橡膠墊片的阻尼從60 kN·s/m增加到80 kN·s/m的過程中，鋼軌和軌道板垂向位移分別減小了7%和6%。

(a) (b)

圖4剛度和阻尼對(duì)軌道位移影響

膠墊剛度隨著老化增大時(shí)，鋼軌變形變小，容易造成膠墊的壓潰失效現(xiàn)象以及軌下部件的累積彈性變形，增加現(xiàn)場維修工作量[3]。

3.3 鋼軌和軌道板垂向加速度響應(yīng)

由圖5(a)(b)和圖6(a)(b)可知，在橡膠墊板剛度從30 MN/m增加到70 MN/m過程中，鋼軌加速度相應(yīng)從36.89g減小到11.88g，軌道板加速度由10.56g增加到37.22g。隨著橡膠墊片的阻尼由60 kN·s/m增加到80 kN·s/m，鋼軌加速度由23.22g減小到20.39g，軌道板加速度由22.6g減小到19.27g。

(a) (b)

圖5剛度和阻尼對(duì)鋼軌加速度的影響

(a) (b)

圖6剛度和阻尼對(duì)軌道板加速度影響

膠墊的剛度對(duì)鋼軌和軌道板的振動(dòng)影響正好相反，較大剛度的膠墊會(huì)對(duì)鋼軌振動(dòng)有一定的抑制作用，從而將振動(dòng)能量傳遞到軌道板上，使得軌道板的振動(dòng)加強(qiáng)[4]。因此，選用高彈性的膠墊對(duì)降低軌道整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)有很明顯的效果。而墊片的阻尼失效導(dǎo)致鋼軌和軌道板的加速度顯著增大，振動(dòng)劇烈，因此，定期抽查并及時(shí)更換阻尼失效、破壞的墊片對(duì)降低軌道振動(dòng)有十分重要的作用。

4 動(dòng)力參數(shù)敏感性分析

對(duì)軌道動(dòng)力參數(shù)的變化進(jìn)行定量描述，將動(dòng)力參數(shù)變化率與剛度比值變化率之比定義為動(dòng)力參數(shù)的敏感系數(shù)XD，即部件的剛度由k1變化至k2，由此引起的某一動(dòng)力參數(shù)D從D1變化至D2，即

不同動(dòng)力參數(shù)對(duì)膠墊剛度的敏感性差異較大，不同剛度下，所對(duì)應(yīng)的敏感系數(shù)也有差異。敏感系數(shù)也有正負(fù)之分，當(dāng)k增大使D增大時(shí)，敏感系數(shù)為正，反之為負(fù)。通過表2計(jì)算可知，對(duì)軌下墊片剛度敏感的動(dòng)力參數(shù)順序?yàn)檐壍腊寮铀俣?、鋼軌加速度、軌道板位移、鋼軌位移、輪軌力。本研究所建模型的?jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[5]計(jì)算結(jié)果是一致的。

表2 敏感系數(shù)

5 結(jié)論

(1)減小軌下膠墊的剛度，輪軌相互作用力總體呈現(xiàn)減小的趨勢；但剛度較大的膠墊能減小軌道間的相對(duì)位移，即有減弱軌道振動(dòng)的作用；鋼軌加速度也逐漸減小，而軌道板加速度明顯增大。由此可知，對(duì)于地鐵線路而言，低剛度的膠墊有利于降低軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

(2)采取較大阻尼的膠墊可以減緩輪軌間的作用力。同時(shí)，膠墊阻尼的增大使得鋼軌和軌道板的垂向振動(dòng)響應(yīng)減弱。因此盡量采用大阻尼的膠墊有利于減小輪軌間作用力并降低軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，從而延長軌道的使用壽命。

(3)采用動(dòng)力敏感系數(shù)分析方法，軌下墊片剛度敏感的動(dòng)力參數(shù)順序?yàn)檐壍腊宕瓜蚣铀俣?、鋼軌垂向加速度、軌道板垂向位移、鋼軌垂向位移、輪軌力?/p>