任 樹 文

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

隨著我國城市軌道交通的迅速發(fā)展，其運(yùn)營誘發(fā)的振動噪聲問題日益突出。當(dāng)列車經(jīng)過時，振動經(jīng)軌道結(jié)構(gòu)傳至下部基礎(chǔ)，敏感地區(qū)振動還會影響居民工作和生活。為解決列車引起的環(huán)境振動問題，大量軌道結(jié)構(gòu)采用了浮置板軌道并起到了一定的減振效果。文獻(xiàn)[1]通過現(xiàn)場測試試驗(yàn)，研究橋上無砟軌道鋪設(shè)橡膠減振墊的減振效果。文獻(xiàn)[2]針對減振墊厚度、彈性模量、扣件垂向剛度三項(xiàng)參數(shù)，研究了振動傳播規(guī)律，并提出了參數(shù)建議。文獻(xiàn)[3]～[9]對浮置板的動力性能進(jìn)行研究。本文基于正交實(shí)驗(yàn)的理論，建立三維有限元動力模型，采用移動輪對荷載進(jìn)行動力仿真計算，獲得不同參數(shù)組合下的鋼軌和浮置板的動態(tài)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(shù)

選取浮置板的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，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(shí)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(jié)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(shù)設(shè)置見表1。

表1 不同過渡段的參數(shù)設(shè)置

減振形式參數(shù)設(shè)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(jìn)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(diǎn)G1和F1，分布設(shè)置在鋼軌上和浮置板面上中部。

4 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)法是研究多因素多水平的一種試驗(yàn)方法，從眾多實(shí)驗(yàn)中選取代表性的試驗(yàn)進(jìn)行分析，大大降低了實(shí)驗(yàn)的樣本數(shù)。本文根據(jù)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(shù)因素，在正交表中選取七因素三水平的正交表L1837進(jìn)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(xiàng)。正交試驗(yàn)樣本具體設(shè)置見表2，共有18種組合。

表2 正交設(shè)計表

4.1 固有頻率分析

利用 ANSYS 軟件，對浮置板結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維的模態(tài)分析，得到不同參數(shù)下軌道的固有頻率，分析每個參數(shù)對鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)固有頻率的影響規(guī)律。

對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，將數(shù)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(jìn)行減振降噪研究時，可不作為重要考慮的參數(shù)；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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(jié)車廂進(jìn)行加載，提取浮置板上的F1點(diǎn)，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(shù)值與其他文獻(xiàn)較為一致，驗(yàn)證了模型的正確性，通過對不同試驗(yàn)號進(jìn)行加載，不同組合下的動力響應(yīng)加速度和位移數(shù)值見表3。

表3 不同部位的振動響應(yīng)

試驗(yàn)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(tǒng)動態(tài)行為的影響，探索在過渡段采取的措施。研究結(jié)果表明車輛通過過渡段時，列車的運(yùn)行速度是影響鋼軌振動加速度數(shù)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(yùn)行速度影響次之。

5 結(jié)語

通過以上的分析，可以得出以下結(jié)論：1)相對于浮置板的厚度、彈簧的剛度和扣件剛度等參數(shù)，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(dāng)列車通過過渡段時，運(yùn)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(shè)計過渡段時，應(yīng)重點(diǎn)考慮彈簧的加密方式、彈簧的剛度這兩個主要因素。