趙珍祥

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100）

1 研究背景

城市軌道交通是國家的重要城市基礎(chǔ)設(shè)施，具有運(yùn)能大、準(zhǔn)時性、速達(dá)性、舒適性、安全性、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著中國經(jīng)濟(jì)、社會的快速發(fā)展，城市規(guī)模及人口數(shù)量的不斷擴(kuò)增，其在城市公共交通系統(tǒng)中的地位越來越重要，已然成為交通骨干[2]。截至2020年底，中國大陸地區(qū)累積有45 個城市開通城市軌道交通，運(yùn)營線路達(dá)到7 978 km，當(dāng)年新增1 242 km。

但是隨之而來的是在實(shí)際運(yùn)營過程中出現(xiàn)了一些問題，影響了軌道交通行業(yè)的健康發(fā)展[3]。首先，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，列車運(yùn)行速度也隨之不斷提高；其次，城市人口不斷增長，列車運(yùn)行間隔也在不斷縮短[4]。如此高速度、高頻率的列車運(yùn)行必然導(dǎo)致車輛與軌道之間的相互作用及影響更為頻繁、更為劇烈，相應(yīng)的越來越多的軌道結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)了疲勞破壞、振動損傷等問題[5]。此外，列車運(yùn)動振動所產(chǎn)生的振動及噪聲會影響周圍居住環(huán)境，甚至?xí)χ苓厧r土體及建筑物造成二次振動傷害，嚴(yán)重影響居住安全[6]。究其根本是由軌道結(jié)構(gòu)的振動所導(dǎo)致，因此研究軌道結(jié)構(gòu)振動及其減振設(shè)計(jì)問題對于軌道交通技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

2 研究現(xiàn)狀及意義

目前，城市軌道交通減振措施主要從振動源頭、傳播途徑和建筑物隔振方面入手，其中鋼軌、扣件及軌下基礎(chǔ)是減振降噪的首要優(yōu)化對象[7]，主要包括以下幾種：①重型鋼軌和無縫線路。因其材料本身質(zhì)量較大，能有效增強(qiáng)軌道的穩(wěn)定性，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量和降低車輛運(yùn)行能耗，對減少列車的沖擊載荷有較大幫助。②扣件減振措施。扣件不僅能有效固定鋼軌，減少鋼軌的縱向和橫向位移，防止鋼軌傾覆，還具有較好的彈性性能，起到較好的減振效果。常用的有科隆蛋減振器，可減少3～5 dB，改進(jìn)型科隆蛋減振器，可減少7～8 dB 和新型減振彈性扣件。③軌下基礎(chǔ)的減振措施。針對不同的減振需要，國內(nèi)外對傳統(tǒng)的碎石道床和整體道床進(jìn)行了研究改進(jìn)，設(shè)計(jì)了軌枕墊和道碴墊、彈性軌枕道床、彈性支承式軌道結(jié)構(gòu)等多種減振型軌下基礎(chǔ)。

浮置板軌道是一種較為成熟且有效的減振措施，由德國率先研制并投入使用。通過設(shè)置彈性體將軌道上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離，使其處于懸浮狀態(tài)，建立質(zhì)量-彈簧的單自由度系統(tǒng)，利用整個道床在彈性體上進(jìn)行慣性運(yùn)動來隔離和衰減列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動[8]，具有減振降噪效果明顯、軌道絕緣性能強(qiáng)、施工維修難度較大、造價(jià)較高等特點(diǎn)。

3 研究方案

3.1 研究方法

本研究項(xiàng)目采用資料調(diào)研、方法分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和軟件分析等技術(shù)手段研究軌道交通客流預(yù)測組合模型的應(yīng)用。

資料調(diào)研：大量搜集有關(guān)目前使用的減振設(shè)備的工作原理及應(yīng)用的文獻(xiàn)資料，積極與相關(guān)單位溝通聯(lián)系以獲取相關(guān)設(shè)備使用數(shù)據(jù)。

方法分析：通過有針對性地分析搜集的大量數(shù)據(jù)和資料，整理出有用的研究思路、設(shè)計(jì)方法，對比分析各自適用性及優(yōu)缺點(diǎn)等[9]。

軟件統(tǒng)計(jì)：利用ANSYS、UM 等軟件對軌道結(jié)構(gòu)模型、輛-軌道-路基耦合模型的各種機(jī)制進(jìn)行分析。

仿真實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)一款基于耦合模態(tài)的彈性阻尼減振裝置，進(jìn)行振動響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)等。

3.2 技術(shù)路線

技術(shù)路線如下：①對現(xiàn)有減振裝置對比研究，選取相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行改良設(shè)計(jì)；②利用ANSYS 建立軌道結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行UM 耦合模態(tài)設(shè)計(jì)與振動傳遞特性的影響機(jī)制分析[10]；③在①、②兩項(xiàng)研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于耦合模態(tài)的彈性阻尼減振裝置，并對其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對比分析；④總結(jié)①、②、③的研究成果，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

擬定的具體技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3.3 技術(shù)關(guān)鍵及擬解決的途徑

耦合模型的設(shè)計(jì)：構(gòu)建軌道結(jié)構(gòu)模型及耦合模型之前，首先需要熟悉建模原理及方案，掌握振動原理、因素、變化規(guī)律與特征。

彈性阻尼裝置改良：通過查閱大量理論資料及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停钊敕治龈鞣N影響機(jī)制，進(jìn)而確定較為合理的改良方案。

3.4 創(chuàng)新之處

通過研究軌道結(jié)構(gòu)振動傳遞特性及控制措施，結(jié)合振動理論和波動理論，采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證等研究手段，闡明了鋼軌振動傳遞特性，揭示了鋼軌波導(dǎo)特性，探究了鋼彈簧浮置板軌道振動傳遞特性，探索了基于耦合模態(tài)的彈性阻尼減振裝置控制措施及效果，進(jìn)而在建設(shè)高效的城市軌道交通系統(tǒng)中發(fā)揮科學(xué)指導(dǎo)作用。

4 數(shù)值模擬分析

通過建立ANSYS 有限元軌道模型，對軌道系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，分析了軌道系統(tǒng)固定頻率受各不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響情況。軌道板模態(tài)如圖2 所示，單塊軌道板長5.6 m，分別取5、15、20 塊軌道板建立了28 m、84 m、112 m 的模型進(jìn)行分析，可以看出，同一階數(shù)下固定頻率會隨著板長增加而降低，同一長度軌道板的固定頻率會隨著階數(shù)增加而增加，其中112 m 的固定頻率增幅較28 m、84 m 低，受影響較小，因此考慮采用長度112 m。

將軌道結(jié)構(gòu)通過ANSYS 離散后，導(dǎo)入U(xiǎn)M 軟件中進(jìn)行組裝。建立起車輛-軌道耦合模型，進(jìn)行仿真分析。繪制車速80 km/h 下傳遞損失隨隔振器剛度變化曲線圖，如圖3 所示，在其他因素一定的條件下，隔振器剛度越大，振動級傳遞損失越小，相應(yīng)的隔振效果就越差，綜合考慮剛度過低也會增加位移與加速度等動力學(xué)指標(biāo)，降低乘客乘坐舒適度，因此，建議剛度取值在20 kN/mm 左右。

圖3 傳遞損失變化曲線圖

5 仿真實(shí)驗(yàn)分析

此次分析設(shè)計(jì)了彈性阻尼減振裝置，構(gòu)建方式如圖4 所示，在軌道下方安置設(shè)備安裝板，在軌道兩側(cè)及兩端均放入減振器，同時添加2 組慣性測量裝置，測量軌道承受的車輛慣性。為了檢測其可靠性，此次仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置了傳統(tǒng)減振裝置對比組，通過在仿真實(shí)驗(yàn)平臺上測量車輛運(yùn)行時的振動響應(yīng)，對比分析減振效果及影響因素。該仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)參數(shù)

圖4 構(gòu)架圖

通過實(shí)驗(yàn)，振動響應(yīng)曲線如圖5 所示，其中振動裝置1 為彈性阻尼減振裝置設(shè)計(jì)組，振動裝置2 為傳統(tǒng)減振裝置對比組。

圖5 振動響應(yīng)曲線

通過對比分析，加力等級在95～120 N 之間時，減振裝置設(shè)計(jì)組與對比組的振動響應(yīng)曲線較為接近，此時兩者的減振效果基本一致；加力等級在120～160 N時，減振裝置設(shè)計(jì)組振動響應(yīng)曲線處于緩慢上升階段且曲線平滑，減振裝置對比組振動響應(yīng)曲線出現(xiàn)了跳躍式上升并且伴有較為明顯且劇烈的波動；加力等級在160～200 N 之間時，減振裝置設(shè)計(jì)組振動響應(yīng)曲線處于平穩(wěn)階段且曲線波動幅度較小，功率譜密度在1×10-2g2/Hz 以內(nèi)變化，減振裝置對比組振動響應(yīng)曲線出現(xiàn)了跳躍式下降并且伴有較為明顯且劇烈的波動，其功率譜密度下降到1×10-4g2/Hz 左右；加力等級在200 N 以上時，減振裝置設(shè)計(jì)組振動響應(yīng)曲線雖然出現(xiàn)了一個跳躍式波動，但其整體功率譜密度仍在1×10-2g2/Hz 以內(nèi)變化，減振裝置對比組振動響應(yīng)曲線仍然處于明顯且劇烈的波動，其功率譜密度下降1×10-4g2/Hz 左右。對比分析，可見所設(shè)計(jì)的彈性阻尼減振裝置效果更好。

6 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)基于耦合模態(tài)的彈性阻尼減振裝置，說明浮置板軌道結(jié)構(gòu)在減振降噪方面的效果是比較理想的。后期在設(shè)計(jì)中，還可考慮從扣件墊板彈性模量、扣件墊板阻尼損耗因子、隔振器布置數(shù)量、隔振器垂向剛度、隔振器阻尼損耗因子、浮置板板長和厚度等方面進(jìn)行改良設(shè)計(jì)研究。