基于耦合模态的浮置板轨道减震性能研究＊

赵珍祥

（杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100）

1 研究背景

城市轨道交通是国家的重要城市基础设施，具有运能大、准时性、速达性、舒适性、安全性、环保节能等优点[1]。随着中国经济、社会的快速发展，城市规模及人口数量的不断扩增，其在城市公共交通系统中的地位越来越重要，已然成为交通骨干[2]。截至2020年底，中国大陆地区累积有45 个城市开通城市轨道交通，运营线路达到7 978 km，当年新增1 242 km。

但是随之而来的是在实际运营过程中出现了一些问题，影响了轨道交通行业的健康发展[3]。首先，随着技术的不断发展，列车运行速度也随之不断提高；其次，城市人口不断增长，列车运行间隔也在不断缩短[4]。如此高速度、高频率的列车运行必然导致车辆与轨道之间的相互作用及影响更为频繁、更为剧烈，相应的越来越多的轨道结构部件出现了疲劳破坏、振动损伤等问题[5]。此外，列车运动振动所产生的振动及噪声会影响周围居住环境，甚至会对周边岩土体及建筑物造成二次振动伤害，严重影响居住安全[6]。究其根本是由轨道结构的振动所导致，因此研究轨道结构振动及其减振设计问题对于轨道交通技术发展具有重要意义。

2 研究现状及意义

目前，城市轨道交通减振措施主要从振动源头、传播途径和建筑物隔振方面入手，其中钢轨、扣件及轨下基础是减振降噪的首要优化对象[7]，主要包括以下几种：①重型钢轨和无缝线路。因其材料本身质量较大，能有效增强轨道的稳定性，减少养护维修工作量和降低车辆运行能耗，对减少列车的冲击载荷有较大帮助。②扣件减振措施。扣件不仅能有效固定钢轨，减少钢轨的纵向和横向位移，防止钢轨倾覆，还具有较好的弹性性能，起到较好的减振效果。常用的有科隆蛋减振器，可减少3～5 dB，改进型科隆蛋减振器，可减少7～8 dB 和新型减振弹性扣件。③轨下基础的减振措施。针对不同的减振需要，国内外对传统的碎石道床和整体道床进行了研究改进，设计了轨枕垫和道碴垫、弹性轨枕道床、弹性支承式轨道结构等多种减振型轨下基础。

浮置板轨道是一种较为成熟且有效的减振措施，由德国率先研制并投入使用。通过设置弹性体将轨道上部结构与基础隔离，使其处于悬浮状态，建立质量-弹簧的单自由度系统，利用整个道床在弹性体上进行惯性运动来隔离和衰减列车运行产生的振动[8]，具有减振降噪效果明显、轨道绝缘性能强、施工维修难度较大、造价较高等特点。

3 研究方案

3.1 研究方法

本研究项目采用资料调研、方法分析、数理统计和软件分析等技术手段研究轨道交通客流预测组合模型的应用。

资料调研：大量搜集有关目前使用的减振设备的工作原理及应用的文献资料，积极与相关单位沟通联系以获取相关设备使用数据。

方法分析：通过有针对性地分析搜集的大量数据和资料，整理出有用的研究思路、设计方法，对比分析各自适用性及优缺点等[9]。

软件统计：利用ANSYS、UM 等软件对轨道结构模型、辆-轨道-路基耦合模型的各种机制进行分析。

仿真实验：设计一款基于耦合模态的弹性阻尼减振装置，进行振动响应仿真实验等。

3.2 技术路线

技术路线如下：①对现有减振装置对比研究，选取相应设备进行改良设计；②利用ANSYS 建立轨道结构模型，进行UM 耦合模态设计与振动传递特性的影响机制分析[10]；③在①、②两项研究内容的基础上设计基于耦合模态的弹性阻尼减振装置，并对其进行仿真实验对比分析；④总结①、②、③的研究成果，对设计方案进行优化。

拟定的具体技术路线如图1 所示。

图1 技术路线图

3.3 技术关键及拟解决的途径

耦合模型的设计：构建轨道结构模型及耦合模型之前，首先需要熟悉建模原理及方案，掌握振动原理、因素、变化规律与特征。

弹性阻尼装置改良：通过查阅大量理论资料及实验模型，深入分析各种影响机制，进而确定较为合理的改良方案。

3.4 创新之处

通过研究轨道结构振动传递特性及控制措施，结合振动理论和波动理论，采用数值仿真和试验验证等研究手段，阐明了钢轨振动传递特性，揭示了钢轨波导特性，探究了钢弹簧浮置板轨道振动传递特性，探索了基于耦合模态的弹性阻尼减振装置控制措施及效果，进而在建设高效的城市轨道交通系统中发挥科学指导作用。

4 数值模拟分析

通过建立ANSYS 有限元轨道模型，对轨道系统进行了模态分析，分析了轨道系统固定频率受各不同结构参数的影响情况。轨道板模态如图2 所示，单块轨道板长5.6 m，分别取5、15、20 块轨道板建立了28 m、84 m、112 m 的模型进行分析，可以看出，同一阶数下固定频率会随着板长增加而降低，同一长度轨道板的固定频率会随着阶数增加而增加，其中112 m 的固定频率增幅较28 m、84 m 低，受影响较小，因此考虑采用长度112 m。

将轨道结构通过ANSYS 离散后，导入UM 软件中进行组装。建立起车辆-轨道耦合模型，进行仿真分析。绘制车速80 km/h 下传递损失随隔振器刚度变化曲线图，如图3 所示，在其他因素一定的条件下，隔振器刚度越大，振动级传递损失越小，相应的隔振效果就越差，综合考虑刚度过低也会增加位移与加速度等动力学指标，降低乘客乘坐舒适度，因此，建议刚度取值在20 kN/mm 左右。

图3 传递损失变化曲线图

5 仿真实验分析

此次分析设计了弹性阻尼减振装置，构建方式如图4 所示，在轨道下方安置设备安装板，在轨道两侧及两端均放入减振器，同时添加2 组惯性测量装置，测量轨道承受的车辆惯性。为了检测其可靠性，此次仿真实验设置了传统减振装置对比组，通过在仿真实验平台上测量车辆运行时的振动响应，对比分析减振效果及影响因素。该仿真实验平台设备参数如表1 所示。

表1 实验平台数据参数

图4 构架图

通过实验，振动响应曲线如图5 所示，其中振动装置1 为弹性阻尼减振装置设计组，振动装置2 为传统减振装置对比组。

图5 振动响应曲线

通过对比分析，加力等级在95～120 N 之间时，减振装置设计组与对比组的振动响应曲线较为接近，此时两者的减振效果基本一致；加力等级在120～160 N时，减振装置设计组振动响应曲线处于缓慢上升阶段且曲线平滑，减振装置对比组振动响应曲线出现了跳跃式上升并且伴有较为明显且剧烈的波动；加力等级在160～200 N 之间时，减振装置设计组振动响应曲线处于平稳阶段且曲线波动幅度较小，功率谱密度在1×10-2g2/Hz 以内变化，减振装置对比组振动响应曲线出现了跳跃式下降并且伴有较为明显且剧烈的波动，其功率谱密度下降到1×10-4g2/Hz 左右；加力等级在200 N 以上时，减振装置设计组振动响应曲线虽然出现了一个跳跃式波动，但其整体功率谱密度仍在1×10-2g2/Hz 以内变化，减振装置对比组振动响应曲线仍然处于明显且剧烈的波动，其功率谱密度下降1×10-4g2/Hz 左右。对比分析，可见所设计的弹性阻尼减振装置效果更好。

6 结论

通过设计基于耦合模态的弹性阻尼减振装置，说明浮置板轨道结构在减振降噪方面的效果是比较理想的。后期在设计中，还可考虑从扣件垫板弹性模量、扣件垫板阻尼损耗因子、隔振器布置数量、隔振器垂向刚度、隔振器阻尼损耗因子、浮置板板长和厚度等方面进行改良设计研究。