浮置式梯形軌枕軌道減振器剛度對軌道動力特性影響分析

陳伯靖,周 建,李成輝

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

浮置式梯形軌枕軌道減振器剛度對軌道動力特性影響分析

陳伯靖,周 建,李成輝

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

浮置式梯形軌枕軌道相對于其他軌道系統有良好的減振降噪效果?，F階段對該種軌道形式的研究較少,利用有限元軟件從諧響應方面分析浮置式梯形軌枕軌道的動力特性,并在此基礎上,深入分析減振器剛度變化對系統動力特性的影響規律,以反映參數變化對浮置式梯形軌枕軌道減振性能的影響。分析結果顯示,在該軌道系統中使用剛度小的減振器可提高其減振性能,提高行車舒適性及改善軌下結構受力特性。

浮置式梯形軌枕軌道;諧響應分析;位移;加速度

梯形軌枕是在縱向軌枕的基礎上研制的一種新型軌枕,與傳統軌枕相比,具有良好的減振性能,越來越受到各國鐵路的關注[1,2]。浮置式梯形軌枕軌道是在縱枕軌道理論的基礎上發展起來的[3]。它是將混凝土縱梁作為固定并連續支承鋼軌的結構,在左右縱梁之間用鋼管橫向連接,組成“梯子式”的一體化結構[4,5]。防振支承裝置將縱向軌枕進行間隔支承,承受作用于梯形軌枕的垂向力、縱向力及橫向力[6],其結構形式如圖1所示。

圖1 浮置式梯形軌枕軌道

隨著經濟的快速發展,對現代軌道結構的平順性、穩定性、可靠性、耐久性的要求越來越嚴格[7],不僅要求環境好、噪聲和振動小,而且要求高架橋上的軌道質量輕、結構美觀,在此方面,浮置式梯形軌枕軌道是非常理想的[8,9]。

從原理、應用、動力特性等方面,國內外學者分別對浮置板軌道和梯形軌枕軌道進行了大量研究并取得了一系列的成果,而對浮置式梯形軌枕軌道這一新型減振軌道結構研究較少[10]。在導致軌道破壞的諸多因素中,豎向動力作用起著主要作用,對浮置式梯形軌枕軌道的豎向振動進行諧響應分析[11],以研究減振器剛度變化對該種軌道形式的動力學特性的影響,從而優化軌道結構系統動力特性,指導實踐。

1 計算模型的建立

浮置式梯形軌枕軌道諧響應分析的力學模型,如圖2所示。

圖2 浮置式梯形軌枕軌道力學模型

在建模過程中,鋼軌采用梁單元進行模擬,扣件、減振器、路基等采用彈簧阻尼單元進行模擬,浮置板、梯形軌枕采用八節點六面體實體單元進行模擬。

梯形軌枕縱梁(單側)長×寬×高為6.15 m× 0.46 m×0.175 m,彈性模量E=34.5 GPa,泊松比μ= 0.17,密度2 500 kg/m3;端部閉合梁長×寬×高為0.975m×0.2m×0.175m,密度2 500 kg/m3;連接鋼管直徑為0.08m,厚度7mm;鋼軌采用60 kg/m軌,彈性模量E=210 GPa,泊松比μ=0.2,密度為7 800 kg/m3;浮置板尺寸長×寬×高為34.16 m×3 m×0.3 m,彈性模量E=31.0GPa,泊松比μ=0.17,密度2 500 kg/m3;扣件剛度為60 kN/mm,支承間距0.625m。

所建的有限元模型,在ANSYS有限元分析軟件平臺上,采用完全法進行諧響應分析求解,車體用簡諧力F=F0eiωt表示,加在兩股鋼軌的中間,其中F0=100 kN為激振幅值,ω為圓頻率,t為時間;計算的荷載步數為200步,即每10 Hz為一個步長。

圖3 鋼軌位移-頻率曲線

圖4 梯形軌枕位移-頻率曲線

圖5 浮置板位移-頻率曲線

2 減振器剛度對動力特性影響

2.1 位移

在進行諧響應分析時,為了更好地確定浮置式梯形軌枕軌道各方面的參數對結構豎向振動特性的影響,減振器剛度分別取20、30、40 kN/mm,以便進行對比分析。計算結果中得到鋼軌、梯形軌枕、浮置板的豎向位移-頻率曲線,如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5的位移響應曲線可以得出鋼軌、梯形軌枕、浮置板最大位移及對應的頻率如表1所示。

結合圖表可得出如下結論:(1)減振器剛度由20 kN/mm增加到40 kN/mm的過程中,在低頻階段(0～400 Hz)時鋼軌、梯形軌枕、浮置板的位移峰值明顯增大,但當頻率大于400 Hz后對其位移的峰值沒有明顯影響;(2)浮置式梯形軌枕軌道中鋼軌、梯形軌枕、浮置板各自的最大變形都出現在40 Hz左右,即都是在外荷載頻率達到40 Hz左右時結構產生共振,三者達到最大位移點時的頻率相近;(3)浮置式梯形軌枕軌道自上而下鋼軌、梯形軌枕、浮置板三者的最大位移依次減小,而對其產生最大位移共振頻率也呈現上升趨勢。

表1 不同減振器剛度下鋼軌、梯形軌枕、浮置板最大位移及對應頻率

2.2 加速度

根據計算所得結果,利用加速度與位移的關系得到鋼軌、梯形軌枕、浮置板的加速度-頻率曲線,如圖6～圖8所示。

圖6 鋼軌加速度-頻率曲線

圖7 梯形軌枕加速度-頻率曲線

圖8 浮置板加速度-頻率曲線

從圖6～圖8的加速度響應曲線可得出鋼軌、梯形軌枕、浮置板的最大加速度及其對應的頻率,如表2所示。

表2 不同減振器剛度下鋼軌、梯形軌枕、浮置板最大加速度及對應頻率

結合圖表看出:(1)減振器剛度由20 kN/mm增加到40 kN/mm時,鋼軌的加速度整體呈現增大趨勢,而梯形軌枕及浮置板都是先增后減;(2)相對而言,減振器剛度變化對浮置板振動加速度的影響最大,對鋼軌加速度的影響最小;(3)減振器剛度的改變對產生最大加速度的頻率沒有影響。

3 結論

(1)低階固有振型要比高階對鋼軌、梯形軌枕、浮置板位移的影響大,低階振型對浮置式梯形軌枕軌道的動態特性起決定作用,故應避免外界荷載頻率過低,對鋼軌、梯形軌枕、浮置板基體造成損壞。

(2)高階固有振型要比低階對鋼軌、梯形軌枕、浮置板加速度的影響大,高階振型對浮置式梯形軌枕軌道的振動特性起決定作用,故應避免外界荷載頻率過高,從而降低鋼軌、梯形軌枕及浮置板的振動,提高乘車舒適度。

(3)減振器剛度變化對鋼軌、梯形軌枕及浮置板的振動影響分析說明:若能較好的控制低頻振動,減振器剛度減小,可減小輸入到基礎的能量,提高該軌道的隔振效果,有利于提高行車舒適性及改善軌下結構受力特性。就目前使用的減振器剛度范圍計算,減振器剛度的降低,可以使共振頻率降低,提高減振效果。采用浮置式梯形軌枕軌道時,可根據具體的行車條件,在不影響軌道結構整體穩定的條件下,采用剛度小的減振器。

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Effect Analysis on Dynam ic Properties Because of Damper Stiffness of Floating Ladder Sleeper Track

CHEN Bo-jing,ZHOU Jian,LICheng-hui
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Compared with other tracks,the Floating Ladder Sleeper Track has a better effecton vibration isolation and noise reduction.Nowadays,the researches of this kind of track are less engaged.So the dynamic properties of the Floating Ladder Sleeper Track are analyzed in this article,using the software of finite element from the aspect of the harmonic response.Based on it,further analyses were engaged for the effect of different damper stiffness on the system's dynamic properties so as to reflect the effect of parameter variation on the vibration isolation properties of the Floating Ladder Sleeper Track.The analysis results show that using the damper with small stiffness in the track system can raise its vibration isolation properties,can enhance the comfort level,and can improve the stress state of the structure that is beneath the rails.

Floating Ladder Sleeper Track;harmonic response analysis;displacement;acceleration

U213.3

:A

:1004- 2954(2013)01- 0005- 03

2012- 05- 14

陳伯靖(1974—),男,博士研究生。