弹性扣件轨道减振改造措施的动力性能分析

陈习之 李 威 朱剑月

(同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

0 引言

随着轨道交通线路的长期运营，轨道结构所产生的振动和噪声问题越来越突出。对城市轨道交通既有线路采用何种合理与有效的减振措施是地铁运营管理部门急需解决的工程问题。通过对既有线路不同轨道结构的减振性能进行现场测试，根据比较分析试验结果，提出弹性扣件轨道的基于钢轨调谐质量系统的“线”“面”式减振措施。1)普通高弹性扣件轨道减振。弹性扣件轨道结构中，具有不同动力参数的弹性扣件的应用无疑是影响轨道结构减振性能的主要因素。2)“线”式减振。弹性扣件轨道结构中，可将“钢轨”看作一条“线”，通过在钢轨扣件处定距增加钢轨调谐质量构成钢轨调谐质量系统，改善弹性扣件轨道结构系统的减振性能［1，2］。3)“面”式减振。弹性扣件轨道结构中，可以在钢轨上附加壳面质量，将钢轨附加的质量构成面式结构，这种减振的措施称为“面”式减振。通过落轴冲击［3，4］有限元模型，模拟不同轨道结构的动力响应。

1 弹性扣件轨道三种改造模型及参数设计

车轮模型采用辐条式车轮使用Plane42单元进行模拟，网格划分采用映射方式，四边形网格形状。车轮毂厚度a=0.062 7 m，直径d=1.25 m，轴重1.2 t。车轮的落轴高度取20 mm，能够较好的模拟车轮在轨道不平顺状态下弹起，被一系悬挂弹向轨道的冲击荷载［5-7］。

1.1 高弹性扣件轨道结构

高弹性扣件轨道结构模型如图1所示，通过改变扣件刚度研究动力性能的影响。基本参数如下:1)钢轨采用60轨:质量m=60.64 kg/m、截面面积 A=77.45 cm2、弹性模量 E=210 GPa、泊松比μ=0.3、计算长度25 m;ANSYS模型中采用Solid45单元模拟钢轨实体;2)扣件刚度取6 kN/mm，25 kN/mm，50 kN/mm，阻尼7.5e4N·s/m，运用Combin14单元模拟。

图1 高弹性扣件轨道结构落轴冲击模型图

1.2 调谐质量“线”式结构

弹性扣件轨道“线”式结构落轴冲击模型如图2所示。在每个扣件的钢轨处附加调谐质量块，扣件垂向刚度分别取6 kN/mm，25 kN/mm与50 kN/mm，阻尼均为7.5e4N·s/m。质量单元分别取15 kg，30 kg与50 kg，质量单元和钢轨的连接采用Combin14弹簧单元模拟，为保证质量单元的稳固连接，该处橡胶连接刚度取大值200e6kN/mm。

图2 弹性扣件轨道“线”式结构落轴冲击模型图

1.3 调谐质量“面”式结构

弹性扣件轨道“面”式结构落轴冲击模型如图3所示，质量系统采用壳结构，板连续设置，两轨中间板宽1.35 m，钢轨两端质量板各宽0.5 m，板厚120 mm，采用Shell63单元进行模拟;扣件刚度取6 kN/mm，25 kN/mm与50 kN/mm。质量单元和钢轨的连接运用弹簧模拟，弹簧单元使用Combin14单元。同样，为保证质量单元的稳固连接，钢轨中间及两边的质量与钢轨的链接用较大刚度的弹簧单元，横向及垂向均进行固定连接，刚度设置为较大值200e6kN/mm。

图3 弹性扣件轨道“面”式结构落轴冲击模型图

2 计算结果分析

2.1 高弹性扣件轨道减振结果

高弹性扣件轨道的落轴冲击动力响应如图4与图5所示。各动力响应结果最大值列于表1，对其分析可知，在保持同一落高(20 mm)下，随着扣件刚度由6 kN/mm至25 kN/mm再增至50 kN/mm时，钢轨最大位移从1.225 mm至1.106 mm再到0.940 mm逐渐减小;而扣件支座反力随着扣件刚度的增加而增加，相应的最大扣件支座反力分别为 44.534 kN，63.721 kN，84.472 kN。

图4 扣件刚度为6 kN/mm，25 kN/mm时钢轨位移（一）

图5 扣件刚度为6 kN/mm，25 kN/mm时扣件支座反力（一）

表1 高弹性扣件轨道结构落轴冲击动力响应结果

分析落轴冲击动力响应结果可知(见图6)，对于铺设普通弹性扣件轨道结构的线路，较为经济可行的既有线减振改造措施为降低扣件刚度，利用高弹性扣件，使得扣件支座反力随之减小，从而降低传递至道床基础的作用力，起到一定的轨道结构减振效果。但钢轨位移将随着扣件刚度的减小而增加，会对线路不平顺与钢轨磨耗产生一定程度的影响。

图6 扣件刚度对落轴冲击结果的影响

2.2 调谐质量“线”式减振结果

钢轨调谐质量为15 kg时，弹性扣件轨道“线”式结构落轴冲击动力响应如图7(钢轨位移)与图8(扣件支座反力)所示，相应落轴冲击动力响应的最大值列于表2。分析弹性扣件轨道“线”式结构钢轨调谐质量改变对落轴冲击动力响应的影响可知(见图9)，对于采用钢轨调谐质量系统的弹性扣件轨道“线”式结构，当保持扣件刚度不变时，改变调谐质量的大小，钢轨最大位移和支座反力等动力响应随着钢轨调谐质量的增加而减小，但变化幅度较小;而在钢轨调谐质量一定时，弹性扣件轨道“线”式结构的钢轨位移随着扣件刚度的增加而减小，支座反力则随着扣件刚度的增加而显著增加。

结果分析表明，对于采用调谐质量系统的弹性扣件轨道“线”式结构，钢轨上加入调谐质量能在一定程度上降低扣件支座反力，但在钢轨调谐质量和扣件刚度共同作用时，扣件刚度对轨道结构产生的动力影响远大于钢轨调谐质量所产生的影响(见图10)。因此，在改造地铁既有线路减振性能时，增加钢轨调谐质量，同时保持较低的扣件刚度值，会达到较好的轨道结构减振效果。相比之下，由于扣件刚度对整个轨道结构系统的减振特性影响较大，对于弹性扣件轨道“线”式减振结构，应确保扣件采用较低的刚度，从而能够为轨道结构提供弹性与产生较好的减振性能。

图7 扣件刚度为6 kN/mm，25 kN/mm时钢轨位移（二）

图8 扣件刚度为6 kN/mm，25 kN/mm时扣件支座反力（二）

图9 调谐质量“线”式结构调谐质量对落轴冲击动力响应的影响

图10 调谐质量“线”式结构扣件刚度改变对落轴冲击动力响应的影响

2.3 调谐质量“面”式减振结果

表2 调谐质量“线”式结构落轴冲击动力响应

弹性扣件轨道“面”式结构(通过钢轨之间及两边附加质量)的落轴冲击动力响应如图11与图12所示，不同扣件刚度下各动力响应结果最大值列于表3。分析弹性扣件轨道“面”式结构落轴冲击动力响应的影响可知(见图13)，随着扣件刚度的增加，钢轨位移逐渐减小，而扣件支座反力逐渐增加，变化幅度较为明显。

图11 扣件刚度为6 kN/mm，25 kN/mm时钢轨位移（三）

图12 扣件刚度为6 kN/mm，25 kN/mm时扣件支座反力（三）

图13 弹性扣件轨道“面”式结构落轴冲击钢轨位移和支反力

对钢轨上附加质量的弹性扣件轨道“面”式结构进行落轴冲击计算模拟时，钢轨位移和扣件支座反力的峰值出现时间比普通扣件轨道和基于调谐质量阻尼系统的弹性扣件轨道的峰值出现时间延迟0.2 s，说明钢轨上附加质量后，延缓了整个轨道结构系统对于振动冲击的响应。与弹性扣件轨道“点”式与“线”式结构相比，弹性扣件轨道“面”式结构在落轴冲击作用下产生的钢轨位移和扣件支座反力等动力响应均小于前述两种模型。因此，弹性扣件轨道“面”式结构减小了扣件支座反力，降低了传递至道床基础的作用力，具有较好的轨道结构减振性能;同时，对线路不平顺与钢轨磨耗的发展起到了一定的缓解作用。

表3 调谐质量“面”式结构落轴冲击动力响应

3 结语

本文通过建立落轴冲击有限元模型，计算分析了地铁既有线弹性扣件轨道结构的动力响应，并对不同轨道结构的减振模型进行了动力性能对比。

对于弹性扣件轨道通过更换扣件的措施，将原有扣件换为高弹性扣件，较为经济可行的既有线减振改造措施为采用高弹性扣件，降低传递至道床基础的作用力，达到较好的轨道结构减振效果。对于采用调谐质量系统的弹性扣件轨道“线”式结构，在改造地铁既有线路减振性能时，增加钢轨调谐质量，同时保持较低的扣件刚度值，能够使轨道结构产生较好的减振性能。与弹性扣件轨道“线”式结构相比，对钢轨上附加质量的弹性扣件轨道“面”式结构由于减小了扣件支座反力，降低了传递至道床基础的作用力，具有较好的轨道结构减振性能;通过对落轴冲击动力响应的分析，对线路不平顺与钢轨磨耗的发展起到了一定的缓解作用。

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