行車速度對浮置板軌道結構振動的影響

摘 要：為了分析行車速度對浮置板軌道結構振動的影響，通過建立車輛-浮置板軌道垂向耦合動力分析模型，得到了不同行車速度下浮置板軌道的動力特性。分析結果表明：隨著速度增加，鋼軌和浮置板垂向位移略微增長，鋼軌和浮置板垂向加速度增長較快。

關鍵詞：浮置板軌道；振動特性；輪軌耦合；行車速度

目前，國內(nèi)部分地鐵的設計最高行車速度已達120km/h，如深圳地鐵11號線以及上海地鐵16號線等[1]，因此，有必要分析車輛由低速到該速度下對軌道結構動力特性的影響。但是，國內(nèi)學者對地鐵車輛運行速度的研究多集中100km/h以下。楊新文等人[2]建立車輛-梯形軌枕軌道模型，討論分析了系統(tǒng)振動與列車運行速度的關系；王漢民[3]建立單輪附有簧上質量與浮置板軌道作用模型，分析了結構在時速30～90km/h范圍內(nèi)的振動特性。文章依據(jù)動力學原理，建立了車輛-浮置板軌道結構垂向耦合模型，分析了地鐵列車不同運行速度對浮置板軌道動力特性的影響，以期為地鐵列車提速或浮置板軌道新線設計提供理論參考。

1 車輛-浮置板軌道垂向耦合動力分析模型

車輛-浮置板軌道耦合振動系統(tǒng)由車輛、浮置板軌道和輪軌耦合三個子系統(tǒng)構成。由于結構具有對稱性，取一半結構進行建模。車輛-浮置板軌道垂向耦合動力學模型如圖1所示。

車輛子系統(tǒng)：采用整車模型，車輛子系統(tǒng)簡化為具有一、二系懸掛的輪對、轉向架構架、車體構成的剛體系統(tǒng)，忽略子系統(tǒng)的彈性變形，并假定轉向架構架左右對稱，車體前后左右對稱。在模型中，考慮轉向架、車體的浮沉和點頭自由度，以及車輪的浮沉自由度，所以全車模型共有10個自由度。采用剛體單元模擬車體和轉向架，采用彈簧阻尼單元conbin14模擬一、二系懸掛，輪對用質量單元來模擬。

浮置板軌道子系統(tǒng)：采用BEAM3單元來模擬浮置板和鋼軌，鋼軌以兩相鄰扣件的距離為一個單元進行劃分；浮置板軌道的扣件和鋼彈簧支座用彈簧阻尼單元COMBIN14來模擬。在模型中，為消除邊界效應的影響，建立的模型長度為96m。

輪軌耦合子系統(tǒng)：軌道子系統(tǒng)和車輛子系統(tǒng)之間的耦合作用，通過輪軌關系來實現(xiàn)，輪軌垂向作用力由赫茲非線性彈性接觸理論來確定。

2 計算參數(shù)

地鐵列車：相關參數(shù)參照深圳地鐵A型車。

鋼軌：60.64kg/m；泊松比0.3；彈性模量210Gpa；鋼軌容重7960kN/m3。

扣件：間距0.625m；剛度50kN/mm；阻尼50kN·s/m。

浮置板：密度2500kg/m3；彈性模量35Gpa；泊松比0.2；厚度0.4 m；寬度3m。

鋼彈簧；支承間距1.25m；剛度10kN/mm；阻尼75kN·s/m。

3 行車速度對浮置板軌道結構振動的影響

浮置板軌道對輪軌系統(tǒng)動力響應有重要的影響。因此，研究浮置板軌道的振動特性與行車速度的相關性具有重要的現(xiàn)實意義。文章采用位移接觸法實現(xiàn)車輛在鋼軌上的移動。在計算時，假定軌道完全平順。考慮計算機運算速度，選取了一節(jié)車廂通過軌道的情況。

保持其它參數(shù)不變，對不同行車速度下（40km/h、60km/h、80km/h、100km/h、120km/h）浮置板軌道結構的振動特性進行分析。鋼軌和浮置板垂向位移與加速度隨行車速度的變化規(guī)律分別如圖2、圖3所示。

圖2反映了鋼軌和浮置板垂向位移最大值隨車速的變化趨勢。由圖2可知，隨著行車速度的提高，鋼軌和浮置板垂向位移均呈略微增長趨勢。其中，當速度由40km/h增加到120km/h時，鋼軌垂向位移由2.953mm增加到2.996mm，增長了1.46%；當速度由40km/h增加到80km/h時，浮置板垂向位移沒有變化，均為2.518mm，當速度由80km/h增加到120km/h時，鋼軌垂向位移由2.518mm增加到2.55mm，增長了1.27%。

圖3反映了鋼軌和浮置板垂向加速度最大值隨車速的變化趨勢。由圖3可知，隨著行車速度的提高，鋼軌和浮置板軌道的振動程度增加。其中，鋼軌加速度的增長明顯，當速度由40km/h增加到120km/h時，鋼軌垂向加速度由4.012m/s2增加到29.12m/s2；浮置板垂向加速度的增速小于鋼軌加速度的增速，當速度由40km/h增加到120km/h時，浮置板垂向加速度由0.4m/s2增加到1.445m/s2。

4 結束語

通過對浮置板軌道結構在不同行車速度下的動力響應進行分析，可以得到以下結論：

（1）時速在40～80km/h范圍內(nèi)時，鋼軌位移變化不大，浮置板位移沒有變化；時速在80～120km/h范圍內(nèi)時，鋼軌和浮置板垂向位移均有少量增加。

（2）隨著行車速度的增加，鋼軌和浮置板垂向加速度增長明顯，并且鋼軌垂向加速度的增長趨勢快于浮置板加速度的增長趨勢。

參考文獻

[1]楊文茂.120km/h地鐵減振墊浮置板動力學特性分析及減振墊剛度取值研究[J].鐵道標準設計，2009，58（11）：28-32.

[2]楊新文，和振興.梯形軌枕軌道振動特性研究[J].振動工程學報，2012，25（4）：388-393.

[3]王漢民.城市軌道交通浮置板軌道振動特性研究及對鄰近建筑物的影響[D].北京：北京交通大學，2009.

作者簡介：李貴闊（1986，8-），男，山東鄆城人，在讀碩士研究生，研究方向：軌道減振。