隨著城市軌道交通建設和運營的迅猛發(fā)展，城市軌道交通線路密度和旅客輸送量逐年增長。軌道交通帶來的振動和噪聲問題日益凸顯，近些年來對于此類問題的關注程度也逐漸提高。

 

在城市軌道交通中，軌枕類減振措施具有一定的參振質(zhì)量，能獲得較好的減振能力。既有軌枕式減振軌道的彈性減振部件設置在軌枕下方，通過彈性材料的壓縮變形實現(xiàn)減振，但矩形槽包套結(jié)構(gòu)導致在工程應用中出現(xiàn)了翻漿冒泥、部件老化以及難以更換等問題，制約了軌枕式減振能力的發(fā)揮和應用。

 

本文研究了一種新型彈性復合支撐長枕式減振軌道，對既有長枕式減振軌道的結(jié)構(gòu)形式進行了改進，提升了彈性長枕的減振能力，加強了軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為既有彈性軌枕式減振軌道的積水以及彈性墊層更換等難題提供了思路。

 

理論模型

車輛－軌道耦合動力學模型

本文的動力學計算模型采用文獻[6]中所提出的精細化車輛－軌道耦合動力學模型，建立完成的車輛系統(tǒng)動力學模型如圖 2.1 所示。

 

 

圖 2.1 車輛－軌道－基礎三維有限元耦合模型

 

橡膠彈性支撐墊板本構(gòu)模型

如圖 2.2 所示，通過橡膠試件拉伸試驗可以獲得材料的應力-應變曲線，考慮到軌枕振動過程中彈性減振部件的大變形，選取 Yeoh 本構(gòu)模型進行擬合。

 

 

圖 2.2 橡膠檢測試件及其拉伸試驗

 

(1) 枕下彈性壓縮減振墊本構(gòu)模型

根據(jù)橡膠拉伸試驗獲得的數(shù)據(jù)，結(jié)合最小二乘原理擬合出曲線參數(shù)，擬合得到的 Yeoh 模型應力－應變曲線如圖 2.3 所示。

 

 

圖 2.3 枕下墊板 Yeoh 模型擬合曲線

 

枕下壓縮支撐減振墊板橡膠本構(gòu)模型的擬合多項式系數(shù)如表 2.1 所列。

 

表 2.1 枕下墊板橡膠 Yeoh 本構(gòu)擬合系數(shù)

 

 

(2) 枕側(cè)彈性剪切減振墊本構(gòu)模型

同樣地，利用最小二乘原理擬亦可以擬合出枕側(cè)支撐墊板的 Yeoh 模型應力－應變擬合曲線如圖 2.4 所示。

 

 

圖 2.4 枕側(cè)面墊板 Yeoh 模型擬合曲線

 

枕側(cè)剪切支撐減振墊板橡膠本構(gòu)模型的擬合多項式系數(shù)如表 2.2 所列。

 

表 2.2 枕側(cè)墊板橡膠 Yeoh 本構(gòu)擬合系數(shù)

 

 

2.3 軌枕彈性支撐有限元模型

本文對比分析三種軌枕的彈性支撐方式，如圖所示 2.5 (a)為既有的彈性軌的枕下支撐，(b) 則為枕側(cè)支撐方式，(c) 為本文提出的彈性復合支撐式軌枕，枕下彈性墊板由彈性壓縮緩振吸能，而枕側(cè)彈性墊板則通過橡膠墊板的剪切變形達到減振作用。

 

 

 

 

 

不同軌枕支撐方案的系統(tǒng)動力學響應

支撐方式對軌枕振動響應的影響

圖 3.1 為不同支撐方式下的軌枕時域振動響應，其中圖 3.1 (a)為軌枕的垂向振動位移，(b)中也可以看出三種支撐方式下軌枕位移和振動加速度相當，即枕下、枕側(cè)和復合支撐方式下軌枕的垂向支撐剛度是大致相當?shù)摹?/span>

 

 

圖 3.1 不同支撐方式下的軌枕時域響應

 

支撐方式對軌道基礎振動的影響

振動在軌道基礎中的空間傳播規(guī)律

對于振動在道床基礎的傳播分布狀態(tài)，可以通過道床基礎的振動加速度分布云圖來定性分析軌枕支撐方式對其振動傳遞的影響規(guī)律。圖 3.2 為軌枕中心橫斷面處道床基礎的振動加速度分布云圖，圖 3.2 (a)~圖 3.2 (c)分別為枕下支撐、枕側(cè)支撐和復合支撐方式下基礎的振動加速度分布云圖。

 

可以看出，枕側(cè)支撐方式振動能量主要傳向鋼軌兩側(cè)方向的基礎。復合支撐軌枕式減振軌道減振能力進一步提升，使得振動主要隔離在承軌臺附近，向道床基礎深度方向的傳遞很少。并且振動在基礎中的傳遞分布更加均勻，枕下、枕側(cè)彈性墊板對振動能量均有所分擔，避免了減振部位集中受載所致的疲勞壽命問題。

 

 

圖 3.2 不同支撐方式下振動加速度橫向傳遞云圖

 

軌道基礎振動響應對比

為了更準確地定量評估，對比分析不同支撐方式下道床測點的振動響應，以評價不同支撐方式對減振效果的影響規(guī)律。如圖 3.3 所示為道床上測點處的振動位移和振動加速度。(a) 所示的道床基礎振動位移中，復合支撐軌枕式軌道的振動位移較枕下支撐和枕側(cè)支撐軌枕式軌道分別下降了 67%、50%；從 (b) 所示的道床基礎振動加速度中看出，復合支撐軌枕式軌道的振動加速度幅值較枕下、枕側(cè)支撐方案分別降低了 75%、45%，減振效果明顯。

 

 

(a) 道床振動位移 (b) 道床振動加速度

圖 3.9 不同支撐方式下的道床基礎時域響應

 

試驗驗證

錘擊試驗是試驗模態(tài)測試中一種方法，對于結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)、系統(tǒng)傳遞規(guī)律等的研究均有重要意義[9]。圖 3.10 所示為搭建的對比試驗臺，從左至右依次為整體道床、剪切式減振軌道、復合支撐式減振軌道試驗臺。

 

 

圖 3.15 減振軌道試驗臺

 

此次減振對比試驗中用到的儀器設備如圖 3.16 所示，依次分別為 Coinv DASP 軟件測試平臺、測試力錘以及數(shù)據(jù)采集儀。

 

 

圖 3.16 試驗儀器

 

在軌枕、道床、地面等測點布置加速度傳感器如圖 3.17 所示,由力錘垂向敲擊鋼軌產(chǎn)生激勵，并在軌枕、道床及地面等處獲取振動響應。

 

如圖 3.18 所示，選擇力錘敲擊力在 1700N 左右的一組數(shù)據(jù)，分別對比軌枕、道床以及地面振動響應，時域振動響應分別見圖 3.19~圖 3.2 中。對比響應曲線可以發(fā)現(xiàn)：不論是在時域還是在頻域，整體式道床的軌枕振動響應最小，復合支撐軌枕式減振軌道次之，剪切式減振軌道的軌枕振動響應最大。而在道床上則表現(xiàn)為：道整體式道床最大，剪切支撐式道床次之，復合支撐式減振道床最小。

 

該結(jié)論與 3.1~3.2 中計算模型得到結(jié)果一致，表明本文提出的復合支撐軌枕式減振軌道的減振性能顯著。

 

 

圖 3.17 敲擊試驗測點空間布置

 

 

圖 3.18 錘擊力對比

 

 

圖 3.19 不同試驗臺軌枕振動響應對比

 

 

圖 3.20 不同試驗臺道床塊振動響應對比

 

結(jié)論

本文建立了不同軌枕支撐方式下的車輛－軌道精細化耦合動力學模型，對比研究了既有枕下支撐方式、枕側(cè)支撐方式和彈性復合支撐方式下，軌枕和道床基礎的振動響應。并通過整體式軌道和彈性復合支撐軌枕式軌道試驗臺的力錘敲擊試驗，驗證了軌枕彈性復合支撐方案在提升軌道減振效果和加強軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢。

 

資料來源：達索官方