彈性扣件軌道減振改造措施的動力性能分析

陳習之 李 威 朱劍月

(同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

0 引言

隨著軌道交通線路的長期運營，軌道結構所產生的振動和噪聲問題越來越突出。對城市軌道交通既有線路采用何種合理與有效的減振措施是地鐵運營管理部門急需解決的工程問題。通過對既有線路不同軌道結構的減振性能進行現場測試，根據比較分析試驗結果，提出彈性扣件軌道的基于鋼軌調諧質量系統的“線”“面”式減振措施。1)普通高彈性扣件軌道減振。彈性扣件軌道結構中，具有不同動力參數的彈性扣件的應用無疑是影響軌道結構減振性能的主要因素。2)“線”式減振。彈性扣件軌道結構中，可將“鋼軌”看作一條“線”，通過在鋼軌扣件處定距增加鋼軌調諧質量構成鋼軌調諧質量系統，改善彈性扣件軌道結構系統的減振性能［1，2］。3)“面”式減振。彈性扣件軌道結構中，可以在鋼軌上附加殼面質量，將鋼軌附加的質量構成面式結構，這種減振的措施稱為“面”式減振。通過落軸沖擊［3，4］有限元模型，模擬不同軌道結構的動力響應。

1 彈性扣件軌道三種改造模型及參數設計

車輪模型采用輻條式車輪使用Plane42單元進行模擬，網格劃分采用映射方式，四邊形網格形狀。車輪轂厚度a=0.062 7 m，直徑d=1.25 m，軸重1.2 t。車輪的落軸高度取20 mm，能夠較好的模擬車輪在軌道不平順狀態下彈起，被一系懸掛彈向軌道的沖擊荷載［5-7］。

1.1 高彈性扣件軌道結構

高彈性扣件軌道結構模型如圖1所示，通過改變扣件剛度研究動力性能的影響。基本參數如下:1)鋼軌采用60軌:質量m=60.64 kg/m、截面面積 A=77.45 cm2、彈性模量 E=210 GPa、泊松比μ=0.3、計算長度25 m;ANSYS模型中采用Solid45單元模擬鋼軌實體;2)扣件剛度取6 kN/mm，25 kN/mm，50 kN/mm，阻尼7.5e4N·s/m，運用Combin14單元模擬。

圖1 高彈性扣件軌道結構落軸沖擊模型圖

1.2 調諧質量“線”式結構

彈性扣件軌道“線”式結構落軸沖擊模型如圖2所示。在每個扣件的鋼軌處附加調諧質量塊，扣件垂向剛度分別取6 kN/mm，25 kN/mm與50 kN/mm，阻尼均為7.5e4N·s/m。質量單元分別取15 kg，30 kg與50 kg，質量單元和鋼軌的連接采用Combin14彈簧單元模擬，為保證質量單元的穩固連接，該處橡膠連接剛度取大值200e6kN/mm。

圖2 彈性扣件軌道“線”式結構落軸沖擊模型圖

1.3 調諧質量“面”式結構

彈性扣件軌道“面”式結構落軸沖擊模型如圖3所示，質量系統采用殼結構，板連續設置，兩軌中間板寬1.35 m，鋼軌兩端質量板各寬0.5 m，板厚120 mm，采用Shell63單元進行模擬;扣件剛度取6 kN/mm，25 kN/mm與50 kN/mm。質量單元和鋼軌的連接運用彈簧模擬，彈簧單元使用Combin14單元。同樣，為保證質量單元的穩固連接，鋼軌中間及兩邊的質量與鋼軌的鏈接用較大剛度的彈簧單元，橫向及垂向均進行固定連接，剛度設置為較大值200e6kN/mm。

圖3 彈性扣件軌道“面”式結構落軸沖擊模型圖

2 計算結果分析

2.1 高彈性扣件軌道減振結果

高彈性扣件軌道的落軸沖擊動力響應如圖4與圖5所示。各動力響應結果最大值列于表1，對其分析可知，在保持同一落高(20 mm)下，隨著扣件剛度由6 kN/mm至25 kN/mm再增至50 kN/mm時，鋼軌最大位移從1.225 mm至1.106 mm再到0.940 mm逐漸減小;而扣件支座反力隨著扣件剛度的增加而增加，相應的最大扣件支座反力分別為 44.534 kN，63.721 kN，84.472 kN。

圖4 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時鋼軌位移（一）

圖5 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時扣件支座反力（一）

表1 高彈性扣件軌道結構落軸沖擊動力響應結果

分析落軸沖擊動力響應結果可知(見圖6)，對于鋪設普通彈性扣件軌道結構的線路，較為經濟可行的既有線減振改造措施為降低扣件剛度，利用高彈性扣件，使得扣件支座反力隨之減小，從而降低傳遞至道床基礎的作用力，起到一定的軌道結構減振效果。但鋼軌位移將隨著扣件剛度的減小而增加，會對線路不平順與鋼軌磨耗產生一定程度的影響。

圖6 扣件剛度對落軸沖擊結果的影響

2.2 調諧質量“線”式減振結果

鋼軌調諧質量為15 kg時，彈性扣件軌道“線”式結構落軸沖擊動力響應如圖7(鋼軌位移)與圖8(扣件支座反力)所示，相應落軸沖擊動力響應的最大值列于表2。分析彈性扣件軌道“線”式結構鋼軌調諧質量改變對落軸沖擊動力響應的影響可知(見圖9)，對于采用鋼軌調諧質量系統的彈性扣件軌道“線”式結構，當保持扣件剛度不變時，改變調諧質量的大小，鋼軌最大位移和支座反力等動力響應隨著鋼軌調諧質量的增加而減小，但變化幅度較小;而在鋼軌調諧質量一定時，彈性扣件軌道“線”式結構的鋼軌位移隨著扣件剛度的增加而減小，支座反力則隨著扣件剛度的增加而顯著增加。

結果分析表明，對于采用調諧質量系統的彈性扣件軌道“線”式結構，鋼軌上加入調諧質量能在一定程度上降低扣件支座反力，但在鋼軌調諧質量和扣件剛度共同作用時，扣件剛度對軌道結構產生的動力影響遠大于鋼軌調諧質量所產生的影響(見圖10)。因此，在改造地鐵既有線路減振性能時，增加鋼軌調諧質量，同時保持較低的扣件剛度值，會達到較好的軌道結構減振效果。相比之下，由于扣件剛度對整個軌道結構系統的減振特性影響較大，對于彈性扣件軌道“線”式減振結構，應確保扣件采用較低的剛度，從而能夠為軌道結構提供彈性與產生較好的減振性能。

圖7 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時鋼軌位移（二）

圖8 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時扣件支座反力（二）

圖9 調諧質量“線”式結構調諧質量對落軸沖擊動力響應的影響

圖10 調諧質量“線”式結構扣件剛度改變對落軸沖擊動力響應的影響

2.3 調諧質量“面”式減振結果

表2 調諧質量“線”式結構落軸沖擊動力響應

彈性扣件軌道“面”式結構(通過鋼軌之間及兩邊附加質量)的落軸沖擊動力響應如圖11與圖12所示，不同扣件剛度下各動力響應結果最大值列于表3。分析彈性扣件軌道“面”式結構落軸沖擊動力響應的影響可知(見圖13)，隨著扣件剛度的增加，鋼軌位移逐漸減小，而扣件支座反力逐漸增加，變化幅度較為明顯。

圖11 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時鋼軌位移（三）

圖12 扣件剛度為6 kN/mm，25 kN/mm時扣件支座反力（三）

圖13 彈性扣件軌道“面”式結構落軸沖擊鋼軌位移和支反力

對鋼軌上附加質量的彈性扣件軌道“面”式結構進行落軸沖擊計算模擬時，鋼軌位移和扣件支座反力的峰值出現時間比普通扣件軌道和基于調諧質量阻尼系統的彈性扣件軌道的峰值出現時間延遲0.2 s，說明鋼軌上附加質量后，延緩了整個軌道結構系統對于振動沖擊的響應。與彈性扣件軌道“點”式與“線”式結構相比，彈性扣件軌道“面”式結構在落軸沖擊作用下產生的鋼軌位移和扣件支座反力等動力響應均小于前述兩種模型。因此，彈性扣件軌道“面”式結構減小了扣件支座反力，降低了傳遞至道床基礎的作用力，具有較好的軌道結構減振性能;同時，對線路不平順與鋼軌磨耗的發展起到了一定的緩解作用。

表3 調諧質量“面”式結構落軸沖擊動力響應

3 結語

本文通過建立落軸沖擊有限元模型，計算分析了地鐵既有線彈性扣件軌道結構的動力響應，并對不同軌道結構的減振模型進行了動力性能對比。

對于彈性扣件軌道通過更換扣件的措施，將原有扣件換為高彈性扣件，較為經濟可行的既有線減振改造措施為采用高彈性扣件，降低傳遞至道床基礎的作用力，達到較好的軌道結構減振效果。對于采用調諧質量系統的彈性扣件軌道“線”式結構，在改造地鐵既有線路減振性能時，增加鋼軌調諧質量，同時保持較低的扣件剛度值，能夠使軌道結構產生較好的減振性能。與彈性扣件軌道“線”式結構相比，對鋼軌上附加質量的彈性扣件軌道“面”式結構由于減小了扣件支座反力，降低了傳遞至道床基礎的作用力，具有較好的軌道結構減振性能;通過對落軸沖擊動力響應的分析，對線路不平順與鋼軌磨耗的發展起到了一定的緩解作用。

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