浮置式梯形轨枕轨道减振器刚度对轨道动力特性影响分析

陈伯靖,周 建,李成辉

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

浮置式梯形轨枕轨道减振器刚度对轨道动力特性影响分析

陈伯靖,周 建,李成辉

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

浮置式梯形轨枕轨道相对于其他轨道系统有良好的减振降噪效果。现阶段对该种轨道形式的研究较少,利用有限元软件从谐响应方面分析浮置式梯形轨枕轨道的动力特性,并在此基础上,深入分析减振器刚度变化对系统动力特性的影响规律,以反映参数变化对浮置式梯形轨枕轨道减振性能的影响。分析结果显示,在该轨道系统中使用刚度小的减振器可提高其减振性能,提高行车舒适性及改善轨下结构受力特性。

浮置式梯形轨枕轨道;谐响应分析;位移;加速度

梯形轨枕是在纵向轨枕的基础上研制的一种新型轨枕,与传统轨枕相比,具有良好的减振性能,越来越受到各国铁路的关注[1,2]。浮置式梯形轨枕轨道是在纵枕轨道理论的基础上发展起来的[3]。它是将混凝土纵梁作为固定并连续支承钢轨的结构,在左右纵梁之间用钢管横向连接,组成“梯子式”的一体化结构[4,5]。防振支承装置将纵向轨枕进行间隔支承,承受作用于梯形轨枕的垂向力、纵向力及横向力[6],其结构形式如图1所示。

图1 浮置式梯形轨枕轨道

随着经济的快速发展,对现代轨道结构的平顺性、稳定性、可靠性、耐久性的要求越来越严格[7],不仅要求环境好、噪声和振动小,而且要求高架桥上的轨道质量轻、结构美观,在此方面,浮置式梯形轨枕轨道是非常理想的[8,9]。

从原理、应用、动力特性等方面,国内外学者分别对浮置板轨道和梯形轨枕轨道进行了大量研究并取得了一系列的成果,而对浮置式梯形轨枕轨道这一新型减振轨道结构研究较少[10]。在导致轨道破坏的诸多因素中,竖向动力作用起着主要作用,对浮置式梯形轨枕轨道的竖向振动进行谐响应分析[11],以研究减振器刚度变化对该种轨道形式的动力学特性的影响,从而优化轨道结构系统动力特性,指导实践。

1 计算模型的建立

浮置式梯形轨枕轨道谐响应分析的力学模型,如图2所示。

图2 浮置式梯形轨枕轨道力学模型

在建模过程中,钢轨采用梁单元进行模拟,扣件、减振器、路基等采用弹簧阻尼单元进行模拟,浮置板、梯形轨枕采用八节点六面体实体单元进行模拟。

梯形轨枕纵梁(单侧)长×宽×高为6.15 m× 0.46 m×0.175 m,弹性模量E=34.5 GPa,泊松比μ= 0.17,密度2 500 kg/m3;端部闭合梁长×宽×高为0.975m×0.2m×0.175m,密度2 500 kg/m3;连接钢管直径为0.08m,厚度7mm;钢轨采用60 kg/m轨,弹性模量E=210 GPa,泊松比μ=0.2,密度为7 800 kg/m3;浮置板尺寸长×宽×高为34.16 m×3 m×0.3 m,弹性模量E=31.0GPa,泊松比μ=0.17,密度2 500 kg/m3;扣件刚度为60 kN/mm,支承间距0.625m。

所建的有限元模型,在ANSYS有限元分析软件平台上,采用完全法进行谐响应分析求解,车体用简谐力F=F0eiωt表示,加在两股钢轨的中间,其中F0=100 kN为激振幅值,ω为圆频率,t为时间;计算的荷载步数为200步,即每10 Hz为一个步长。

图3 钢轨位移-频率曲线

图4 梯形轨枕位移-频率曲线

图5 浮置板位移-频率曲线

2 减振器刚度对动力特性影响

2.1 位移

在进行谐响应分析时,为了更好地确定浮置式梯形轨枕轨道各方面的参数对结构竖向振动特性的影响,减振器刚度分别取20、30、40 kN/mm,以便进行对比分析。计算结果中得到钢轨、梯形轨枕、浮置板的竖向位移-频率曲线,如图3～图5所示。

从图3～图5的位移响应曲线可以得出钢轨、梯形轨枕、浮置板最大位移及对应的频率如表1所示。

结合图表可得出如下结论:(1)减振器刚度由20 kN/mm增加到40 kN/mm的过程中,在低频阶段(0～400 Hz)时钢轨、梯形轨枕、浮置板的位移峰值明显增大,但当频率大于400 Hz后对其位移的峰值没有明显影响;(2)浮置式梯形轨枕轨道中钢轨、梯形轨枕、浮置板各自的最大变形都出现在40 Hz左右,即都是在外荷载频率达到40 Hz左右时结构产生共振,三者达到最大位移点时的频率相近;(3)浮置式梯形轨枕轨道自上而下钢轨、梯形轨枕、浮置板三者的最大位移依次减小,而对其产生最大位移共振频率也呈现上升趋势。

表1 不同减振器刚度下钢轨、梯形轨枕、浮置板最大位移及对应频率

2.2 加速度

根据计算所得结果,利用加速度与位移的关系得到钢轨、梯形轨枕、浮置板的加速度-频率曲线,如图6～图8所示。

图6 钢轨加速度-频率曲线

图7 梯形轨枕加速度-频率曲线

图8 浮置板加速度-频率曲线

从图6～图8的加速度响应曲线可得出钢轨、梯形轨枕、浮置板的最大加速度及其对应的频率,如表2所示。

表2 不同减振器刚度下钢轨、梯形轨枕、浮置板最大加速度及对应频率

结合图表看出:(1)减振器刚度由20 kN/mm增加到40 kN/mm时,钢轨的加速度整体呈现增大趋势,而梯形轨枕及浮置板都是先增后减;(2)相对而言,减振器刚度变化对浮置板振动加速度的影响最大,对钢轨加速度的影响最小;(3)减振器刚度的改变对产生最大加速度的频率没有影响。

3 结论

(1)低阶固有振型要比高阶对钢轨、梯形轨枕、浮置板位移的影响大,低阶振型对浮置式梯形轨枕轨道的动态特性起决定作用,故应避免外界荷载频率过低,对钢轨、梯形轨枕、浮置板基体造成损坏。

(2)高阶固有振型要比低阶对钢轨、梯形轨枕、浮置板加速度的影响大,高阶振型对浮置式梯形轨枕轨道的振动特性起决定作用,故应避免外界荷载频率过高,从而降低钢轨、梯形轨枕及浮置板的振动,提高乘车舒适度。

(3)减振器刚度变化对钢轨、梯形轨枕及浮置板的振动影响分析说明:若能较好的控制低频振动,减振器刚度减小,可减小输入到基础的能量,提高该轨道的隔振效果,有利于提高行车舒适性及改善轨下结构受力特性。就目前使用的减振器刚度范围计算,减振器刚度的降低,可以使共振频率降低,提高减振效果。采用浮置式梯形轨枕轨道时,可根据具体的行车条件,在不影响轨道结构整体稳定的条件下,采用刚度小的减振器。

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Effect Analysis on Dynam ic Properties Because of Damper Stiffness of Floating Ladder Sleeper Track

CHEN Bo-jing,ZHOU Jian,LICheng-hui
(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Compared with other tracks,the Floating Ladder Sleeper Track has a better effecton vibration isolation and noise reduction.Nowadays,the researches of this kind of track are less engaged.So the dynamic properties of the Floating Ladder Sleeper Track are analyzed in this article,using the software of finite element from the aspect of the harmonic response.Based on it,further analyses were engaged for the effect of different damper stiffness on the system's dynamic properties so as to reflect the effect of parameter variation on the vibration isolation properties of the Floating Ladder Sleeper Track.The analysis results show that using the damper with small stiffness in the track system can raise its vibration isolation properties,can enhance the comfort level,and can improve the stress state of the structure that is beneath the rails.

Floating Ladder Sleeper Track;harmonic response analysis;displacement;acceleration

U213.3

:A

:1004- 2954(2013)01- 0005- 03

2012- 05- 14

陈伯靖(1974—),男,博士研究生。