基于減振性能的市域鐵路彈性支承塊軌道剛度匹配研究*

謝 甜 趙坪銳 章元愛

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,610036,成都; 2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,610036,成都∥第一作者,碩士研究生)

為降低振動(dòng)對周邊環(huán)境的影響,從輪軌振動(dòng)的源頭采取措施是較為有效的一種措施,如在軌道系統(tǒng)的扣件、軌枕或道床等位置采取減振措施等[1]。

軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對軌道振動(dòng)頻域分布的影響具有明顯的差異,可根據(jù)激振頻率的分布特性以及減振參數(shù)對頻率的敏感特性進(jìn)行減振參數(shù)的合理匹配,以達(dá)到較好的減振效果[2]。本文建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算,研究不同扣件垂向剛度及彈性支承塊垂向剛度組合下彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng),進(jìn)而確定彈性支承塊軌道結(jié)構(gòu)中軌下剛度(即扣件垂向剛度)和塊下剛度的合理取值。

1 車輛-軌道耦合模型

車輛-軌道耦合模型是一種多剛體和柔性軌道相互作用的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

市域鐵路多采用CRH6型動(dòng)車組。該動(dòng)車組為8節(jié)編組,具有載客量大、列車起停頻率髙及快速乘降能力強(qiáng)等特點(diǎn),可在城際線路和既有客運(yùn)專線上運(yùn)行[3]。在車輛-軌道耦合模型中,CRH6型動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表1所示[3-4]。

表1 CRH6型動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

彈性支承塊式軌道由鋼軌、扣件、軌枕和枕下基礎(chǔ)構(gòu)成。在車輛-軌道耦合模型中:鋼軌被視為鐵木辛柯梁;扣件采用Bushing力元模擬;單個(gè)支承塊可視為一個(gè)剛體,具有4個(gè)自由度;采用彈簧阻尼元件連接軌枕和道床板;道床板為彈性薄板[5];利用彈簧阻尼元件實(shí)現(xiàn)彈性支承塊與下部基礎(chǔ)的連接。車輛-軌道耦合模型見圖1。

a) 模型縱向圖

車輛-軌道耦合模型中,鋼軌型號為CHN60N,道床板采用C40混凝土。彈性支承塊軌道各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 彈性支承塊軌道各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

在車輛-軌道耦合模型中,車輛與下部軌道結(jié)構(gòu)的相互作用通過輪軌間的耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn),其中輪軌接觸采用傳統(tǒng)的Hertz非線性彈性接觸模型來模擬。

在UM(多體動(dòng)力學(xué))仿真軟件中,準(zhǔn)確設(shè)置輪軌之間的相互作用關(guān)系,選擇美國六級軌道譜作為軌道不平順譜輸入,選擇Park求解方法,即可進(jìn)行彈性支承塊軌道減振的計(jì)算。車輛-軌道仿真模型如圖2所示。

圖2 車輛-軌道仿真模型

2 數(shù)據(jù)處理和評價(jià)方法

對振動(dòng)進(jìn)行評價(jià)時(shí),由于振動(dòng)有效值的變化范圍通常高達(dá)數(shù)百萬倍,這給振動(dòng)描述帶來不便,于是引入了振動(dòng)級(或稱振動(dòng)水平)的概念來替代有效值描述振動(dòng)大小,對于不同的物理量,振動(dòng)級可以為加速度級、速度級和位移級[6]。本文采用Z振級進(jìn)行評價(jià)。

評價(jià)環(huán)境振動(dòng)的物理量是加速度振級LVA,單位為dB,其計(jì)算式為:

式中:

a——垂向振動(dòng)加速度值;

a0——基準(zhǔn)加速度值,取10-6m/s2。

將LVA按 ISO 2361/1:1997《機(jī)械振動(dòng)與沖擊 人體處于全身振動(dòng)的評價(jià) 第1部分》中規(guī)定的全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)因子修正后即得到垂向振動(dòng)加速度級(以下簡稱“Z振級”),記作LV,單位為dB。

3 時(shí)域評價(jià)

圖3為列車分別通過彈性支承塊軌道道床段和無減振的普通整體道床段時(shí),鋼軌和道床板的垂向振動(dòng)加速度時(shí)域圖。由圖3可見,對于同一測點(diǎn)的時(shí)域加速度值,兩種道床(彈性支承塊軌道道床和普通整體道床)的變化趨勢基本相同,在時(shí)域內(nèi)不能對振動(dòng)結(jié)果準(zhǔn)確評價(jià)[7],因此要從頻域角度對剛度匹配進(jìn)行分析。

a) 彈性支承塊軌道鋼軌

4 剛度匹配分析

在不同軌下剛度和塊下剛度組合情況下,由車輛-軌道耦合模型仿真得到彈性支承塊軌道道床和整體道床的道床板動(dòng)力響應(yīng);對加速度時(shí)程進(jìn)行傅里葉變換[8],可得到兩種道床的頻響曲線;對振動(dòng)加速度的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行1/3倍頻程計(jì)算,可得到兩種道床的分頻振級曲線。

4.1 軌下剛度

保持其他參數(shù)不變,改變軌下剛度分析系統(tǒng)各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)。軌下剛度分析范圍為60～120 kN/mm,塊下膠墊剛度為50 kN/mm,兩種道床的分頻振級曲線如圖4所示。

a) 彈性支承塊道床板頻響曲線

由圖4可見:彈性支承塊道床板的振動(dòng)響應(yīng)主要集中在0～300 Hz范圍內(nèi);軌下剛度對道床板的振動(dòng)響應(yīng)在頻域上的分布基本沒有影響;道床板振動(dòng)響應(yīng)的峰值主要集中在中心頻率為50～60 Hz及115～125 Hz范圍內(nèi),其Z振級最大值為80.53 dB。

整體道床振動(dòng)響應(yīng)同樣主要集中在0～300 Hz范圍內(nèi),但軌下剛度對整體道床振動(dòng)的峰值頻率有較大影響,軌下剛度取40 kN/mm時(shí),Z振級峰值主要集中在中心頻率250～255 Hz范圍內(nèi),最大值為81.31 dB,軌下剛度取60、80 kN/mm時(shí),振動(dòng)響應(yīng)峰值主要集中在中心頻率135～145 Hz范圍內(nèi),最大值分別為82.83、86.52 dB;扣件垂向剛度為100、120 kN/mm時(shí),Z振級峰值主要集中在中心頻率65～70 Hz范圍內(nèi),最大值分別為87.31、87.5 dB。

4.2 塊下剛度分析

保持軌下剛度80 kN/mm不變,塊下剛度分別取50、80、110、140及170 kN/mm時(shí),兩種道床的分頻振級曲線如圖5所示。

a) 彈性支承塊道床板頻響曲線

由圖5可見,保持軌下剛度80 kN/mm不變,塊下剛度分別取50、80及110 kN/mm時(shí),道床板Z振級的峰值主要集中在中心頻率為55～65 Hz及115～125 Hz的范圍內(nèi),其Z振級最大值分別為78.52、79.03及79.31 dB。塊下剛度取140、170 kN/mm時(shí),道床板Z振級的峰值主要集中在中心頻率為120～125 Hz的范圍內(nèi),其Z振級最大值分別為82.0、82.5 dB。

4.3 Z振級

對不同軌下剛度和塊下剛度下兩種道床的1/3倍頻程計(jì)算數(shù)據(jù),乘以中心頻率對應(yīng)的全身振動(dòng)Z計(jì)權(quán)因子,計(jì)算得到彈性支承塊軌道板和普通整體道床的Z振級[9],如表3所示。

表3 彈性支承塊軌道板和普通整體道床Z振級

由表3可知,塊下剛度增大時(shí),彈性支承塊軌道道床板的Z振級隨之增大;軌下剛度增大時(shí),彈性支承塊軌道道床板的Z振級隨之增大,普通整體道床的Z振級也略有增大。由表3還可以看出,塊下剛度為80～110 kN/mm時(shí),彈性支承塊軌道道床板和普通整體道床的振級差比較大,最大為7.79 dB,說明列車荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)從彈性支承塊軌道傳遞到剛性基礎(chǔ)的過程衰減較大,減振效果較好。軌下剛度從40～120 kN/mm范圍內(nèi)變化時(shí),振級差從小到大再到小變化,軌下剛度在60～80 kN/mm時(shí)振級差較大,說明在此范圍內(nèi)減振效果比較好。

5 結(jié)語

本文建立車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型,對采用不同的扣件垂向剛度及彈性支承塊塊下垂向剛度組合下彈性支承塊軌道的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。對比分析彈性支承塊軌道和整體道床軌道頻域曲線,得出振動(dòng)響應(yīng)的主要頻率范圍、有效減振的頻率范圍或局部振動(dòng)放大的不利頻段。

對于市域鐵路彈性支承塊軌道,在列車運(yùn)行速度為160 km/h下,當(dāng)軌下剛度取值為60～80 kN/mm,塊下剛度取值為80～110 kN/mm時(shí),彈性支承塊軌道系統(tǒng)可達(dá)到較好的減振效果。最大減振效果值為7.79 dB。