宋瑞,劉林芽,徐斌,曾開華
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鐵路橋上減振CRTS-Ⅲ型無砟軌道振動響應及車輛平穩(wěn)性分析
宋瑞1, 2,劉林芽2,徐斌1,曾開華1
(1. 南昌工程學院 土木與建筑工程學院,江西 南昌 330029; 2. 華東交通大學 鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心,江西 南昌 330013)
為了研究橋上減振CRTS-Ⅲ型無砟軌道對車體系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)振動影響,分析車輛的平穩(wěn)性指標,基于車輛、軌道系統(tǒng)二維模型,利用動柔度法分別計算車輛、軌道系統(tǒng)的動柔度,建立頻率域的車輛-軌道-橋梁耦合模型;計算車輛及軌道系統(tǒng)的振動加速度并分析其規(guī)律,計算不同軌道系統(tǒng)下車輛的平順性指標。研究結(jié)果表明:與常規(guī)CRTS-Ⅲ型軌道相比,采用橡膠減振墊剛度為0.018 N/m3的減振軌道系統(tǒng)下峰值輪軌力減小,車輪、轉(zhuǎn)向架振動加速度分別降低13.6%和52.6%,車體在1~20 Hz范圍內(nèi)振動變化不大;鋼軌、軌道板的振動加速度增大1.69和2.68倍,橋梁的振動加速度減少69.9%;車輛的平順性指標分別為2.70和2.61,車輛平穩(wěn)性指標降低4%。與常規(guī)CRTS-Ⅲ型無砟軌道相比,減振CRTS-Ⅲ型無砟軌道下車輛系統(tǒng)各構(gòu)件的振動加速度有不同程度的降低,軌道系統(tǒng)中,鋼軌和軌道的振動加速度增大,橋梁振動加速度降低。車輛的平穩(wěn)性指標降低,乘客的舒適性有一定程度提高。
鐵路橋梁;減振CRTS-Ⅲ型軌道;振動;平順性
隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展,無砟軌道技術(shù)已廣泛應用于我國的高速鐵路中。其中常用的CRTS-Ⅰ型和CRTS-Ⅱ型軌道系統(tǒng)是我國在充分吸收日本和德國技術(shù)的基礎上開發(fā)的,不具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)。CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng)是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的無砟軌道系統(tǒng),主要由鋼軌、扣件、混凝土軌道板、自密實混凝土、土工布、底座等結(jié)構(gòu)部件組成,目前已廣泛應用于鄭徐、京沈、商合杭等16條高速鐵路,是我國高鐵“走出去”采用的主要軌道形式。與常規(guī)CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng)相比,減振CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng)是在自密實混凝土和底座板板間采用橡膠減振墊層隔離,具有隔振效果好,成本低等特點。我國最早在成灌快速鐵路開展了一系列關于減振墊的研究。趙才友等[1]對鋪設橡膠減振墊區(qū)段和未鋪設減振區(qū)段的路基段和橋梁段進行仿真計算和現(xiàn)場實測,結(jié)果表明采用減振墊能有效降低橋梁結(jié)構(gòu)和地面的振動加速度,但軌道板和鋼軌的振動加速度有一定的增大。辛濤等[2]采用諧響應分析方法,探討減振墊設置在不同位置時對鋼軌、軌道板和路基導納的影響,采用車輛-軌道耦合方法,分析列車高速通過時軌道系統(tǒng)的動力影響。任娟娟等[3]以減振CRTS-Ⅲ型軌道為研究對象,建立二維軌道頻域分析模型研究其頻域內(nèi)振動傳遞特性,分析隔振效率并提出合適的軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)。周毅[4]分析10~1 000 MPa/m范圍內(nèi)不同減振墊剛度條件下鋼軌、軌道板、橋梁的加速度和位移,確定了扣件和減振墊層的合理剛度范圍。ZHAO等[5]針對成灌快速鐵路鋪設減振墊區(qū)段和未鋪設區(qū)段的列車車內(nèi)振動、噪聲,軌道系統(tǒng)中的鋼軌、軌道板、橋梁振動以及空間結(jié)構(gòu)噪聲開展系統(tǒng)對比測試研究,得到了很多重要結(jié)論。對于CRTS-Ⅱ型軌道系統(tǒng),軌道板和橋梁之間用CA砂漿填充,而對于常規(guī)型CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng),軌道板和橋梁之間用自密實混凝土填充,其彈性模量較CA砂漿大很多,常規(guī)型CRTS-Ⅲ軌道系統(tǒng)彈性波反射系數(shù)較小,其下部結(jié)構(gòu)振動問題比較突出。采用減振CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng)的目的主要是通過在自密實混凝土和橋梁之間增設一個橡膠減振墊,降低軌道系統(tǒng)下部結(jié)構(gòu)比如橋梁、地面等構(gòu)件的振動,減少橋梁結(jié)構(gòu)噪聲和地面振動對沿線居民的影響。大量的仿真及現(xiàn)場測試研究證明,采用減振墊能夠有效的降低橋梁結(jié)構(gòu)振動。采用減振型軌道系統(tǒng)對下部結(jié)構(gòu)有較多的研究,但針對車輛系統(tǒng)的振動影響研究不多,因此有必要進一步研究加設減振墊后車輛系統(tǒng)的動力性能。乘客的舒適性與車輛的振動直接相關,而評價舒適性的一個重要指標就是車輛的平穩(wěn)性,減振CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng)作為一種新型的軌道系統(tǒng),研究在該系統(tǒng)上的車輛運行平穩(wěn)性非常必要。對于車輛的平穩(wěn)性,學者們開展了系列研究[6?10],大都是根據(jù)我國現(xiàn)有規(guī)范進行平穩(wěn)性評價?,F(xiàn)有的研究重點關注車輛參數(shù)的改變對平穩(wěn)性的影響,Ha等[11]提出一種使用磁流變(MR)流體阻尼器來提高鐵路車輛乘坐質(zhì)量的半主動懸架系統(tǒng),仿真結(jié)果表明,采用半主動控制MR阻尼器的鐵路車輛車身的乘坐質(zhì)量是可行的。 Berta等[12]評估鐵路車輛懸架的彈性特性對車輛平穩(wěn)性的影響。車身垂直剛度對車輛乘坐質(zhì)量的影響,ZHOU等[13]建立包括車身柔性效應和所有垂直剛性模式的鐵路客車垂直模型,利用模型和協(xié)方差方法對車體平穩(wěn)性進行研究。Jason等[14]通過采用惰性裝置的被動懸架來提高單級懸掛的雙軸軌道車輛的乘坐質(zhì)量的可能性。本文以減振CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng)為研究對象,以常規(guī)CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng)為參照,基于車輛、軌道和橋梁二維模型,利用動柔度法分別計算車輛和軌道(包含橋梁)的動柔度,建立頻率域的車輛?軌道?橋梁耦合模型,計算車輪、轉(zhuǎn)向架、車體以及鋼軌、軌道板、橋梁的振動加速度并分析其規(guī)律。采用平穩(wěn)性理論分析減振CRTS-Ⅲ型軌道系統(tǒng)下車輛的平 穩(wěn)性。
以CRH3高速列車與客運專線高架箱梁為例,建立車輛?軌道?橋梁垂向耦合振動分析模型如圖1所示。車輛考慮為10自由度的多剛體系統(tǒng),鋼軌、橋梁分別用無限長的Timoshenko梁和簡支的Euler梁模擬,扣件系統(tǒng)和橋梁支座采用線性彈性阻尼單元模擬,輪軌接觸關系采用線性化的Hertz彈性接觸理論。
圖1 車軌橋系統(tǒng)模型示意圖
單節(jié)車輛模型的振動微分方程為
鋼軌被視為無限長Timoshenko梁,其動柔度函數(shù)為
β(1,2)表示在鋼軌上2處施加單位諧荷載在1處引起的位移。一跨橋梁上有若干個軌道板,其動柔度可以表示為
其中:1為一塊軌道板的兩端自由Euler梁動柔度,可采用模態(tài)疊加法計算,其動柔度可表示為
其中:W為Euler梁的第階振型函數(shù),則軌道板的運動方程可表示為
式中:W為簡支梁的第階振型函數(shù);為簡支梁第階振型的固有頻域;為簡支梁的計算模態(tài)數(shù);為激振的圓頻率。利用動柔度的定義和疊加原理,箱梁在頻域內(nèi)的振動位移為
式中:F為第個橋梁支座施加到橋梁上x處的支座反力。綜合式(3),(6)和(8)可以寫成矩陣形式
式中:[]主要由鋼軌、軌道板、橋梁結(jié)構(gòu)的動柔度乘以復剛度形成;[]由待求解的鋼軌、軌道板、橋梁結(jié)構(gòu)的位移組成;{}為荷載矩陣。
由于車輪模型軸距和定距的存在,不同輪軌接觸點之間的激勵出現(xiàn)時間滯后關系,圖1模型中4個輪軌接觸點的不平順可表示為
式中:假定1=0,則2=2l/,3=2l/,4=2(l+ l)/為車輪之間的時間差。其中,為車速,l和l分別為車輪軸距和定距之半。
假設時域的軌道不平順為()=()e,則可得
綜合前述分析,利用頻域輪軌相互作用模型并采用線性Hertz接觸彈簧將車輛和軌道橋梁子系統(tǒng)進行耦合。以不平順作為系統(tǒng)振動的激勵源,假定車輪與軌道橋梁的相對位置不變,不平順則以一定速度在車輪與鋼軌之間移動,以此形成相對位移激勵。則動態(tài)輪軌作用力可表示為
將求出的輪軌作用力代入式(2)和式(9),即可求出車輛系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)頻率域動力響應。
選取高速鐵路32 m雙線預應力混凝土簡支箱梁,橋梁標準跨徑32 m,計算跨徑31.5 m,橋梁中心線處梁高3.05 m,梁底寬5.5 m梁頂寬13.4 m。箱梁、軌道板采用C50混凝土。分別采用常規(guī)CRTS- Ⅲ型板式無砟軌道和減振CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道模擬,其中常規(guī)CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道系統(tǒng)從上往下結(jié)構(gòu)依次為鋼軌、軌道板、自密實混凝土、土工布、底座板和橋梁,而減振型CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道系統(tǒng)從上往下依次為鋼軌、軌道板、自密實混凝土、橡膠減振墊、底座板和橋梁,即采用在自密實混凝土和底座板之間增加一層橡膠減振墊。鋼軌采用60 kg/m類型,扣件采用WJ-8型扣件系統(tǒng)。車輛以和諧號CRH3型動車為例,其參數(shù)如表1所示。軌道橋梁的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示[15]。
ISO3095:2005提供了具有較好平順性的車輪軌道不平順譜,其不平順幅值主要與波長有關,用式(13)表示為[16]:
表1 CRH3型動車的計算參數(shù)
表2 軌道橋梁的計算參數(shù)
輪軌力的大小和峰值頻率對車輛系統(tǒng)和軌道系統(tǒng)的響應有直接關聯(lián),因此首先需分析研究頻域輪軌力。利用上述公式采用MATALB編輯程序,其中車輛的運行速度為200 km/h,計算頻域輪軌力。圖2為常規(guī)型、減振型軌道系統(tǒng)下車輪1和車輪2的頻域輪軌力曲線,其中輪1指遠離跨中的車輪,輪2指靠近跨中的車輪。從圖2可以看出,常規(guī)型軌道系統(tǒng)下車輪1和2的峰值頻率分別為40 Hz和44 Hz,而減振型軌道系統(tǒng)的峰值頻率分別為72 Hz和65 Hz。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是車輛?鋼軌?軌道板?橋梁系統(tǒng)可以被假定為一個簡單的質(zhì)量?彈簧系統(tǒng),輪軌力峰值頻率對應系統(tǒng)共振頻率。改變軌道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),也相應地改變了系統(tǒng)的共振頻率,進而導致輪軌力的峰值頻率發(fā)生偏移。在同一軌道系統(tǒng)條件下,車輪1和車輪2的輪軌力峰值差別不大。而在不同軌道系統(tǒng)下的輪軌力,減振型軌道系統(tǒng)較常規(guī)型CRTS-軌道系統(tǒng)輪軌力峰值分別降低23%和25%,采用減振墊后輪軌力有所降低。
圖2 頻域輪軌力
選取鋼軌、軌道板以及橋梁3個垂向振動加速度動力學指標進行分析。振動點選取三者跨中對應部位,計算結(jié)果見圖3~5及表3所示。
1) 圖3為常規(guī)型、減振型軌道系統(tǒng)條件下鋼軌的頻率?加速度曲線。從圖中可以看出,常規(guī)型軌道系統(tǒng)條件下的峰值頻率主要在44 Hz和85 Hz,而減振型軌道系統(tǒng)條件下鋼軌的最大峰值頻率為65 Hz,常規(guī)型軌道系統(tǒng)下45 Hz和減振型軌道系統(tǒng)下65Hz位置處的峰值由于輪軌力峰值頻率導致。常規(guī)軌道系統(tǒng)加設減振墊后會削弱44 Hz和80 Hz位置處的加速度峰值,而在輪軌力峰值頻率位置其加速度迅速變大,其加速度峰值約為常規(guī)型加速度峰值的1.69倍;
2) 軌道板的垂向振動加速度與鋼軌具有相似的規(guī)律,常規(guī)型下軌道板在44 Hz和85 Hz位置處的峰值比較明顯,減振型軌道板的振動加速度在65 Hz位置最大,在44 Hz和85 Hz位置處其加速度峰值有一定的削弱,減振型軌道板其最大加速度峰值為常規(guī)型軌道板的2.68倍,減振型的軌道板垂向振動加速度大大高于常規(guī)型的軌道板;
3) 由于常規(guī)型的混凝土與底座之間采用土工布隔離,而減振型是在自密實混凝土與底座之間采用橡膠墊隔離,橡膠具有較好隔離振動能量傳遞的特性。從圖8可以看出,減振型軌道系統(tǒng)下橋梁在44 Hz和85 Hz位置處的加速度削減明顯,但是在65Hz位置其加速度并沒有放大,減振墊將65 Hz的輪軌力過濾,有效隔離了振動能量向橋梁構(gòu)件傳遞。采用減振型軌道系統(tǒng)的橋梁的振動加速度峰值較常規(guī)型軌道系統(tǒng)條件下橋梁加速度峰值降低69.9%,加速度平均值降低60.4%,這與文獻[1]中實測的橋面振動加速度平均值降低63.6%相近似。
圖3 鋼軌垂向振動加速度
圖4 軌道板垂向振動加速度
圖5 橋梁垂向振動加速度
選取車輪、轉(zhuǎn)向架、車體3個垂向振動加速度動力學指標進行分析。其中車輪取靠近跨中的車輪,計算結(jié)果見圖6~8及表3所示。
1) 由于車輪直接承受輪軌力的作用,其加速度峰值頻率與輪軌力峰值頻率吻合較好,在43 Hz和65 Hz附近存在最大加速度。常規(guī)型軌道系統(tǒng)下輪軌力較減振型軌道系統(tǒng)下輪軌力更大,其對應的車輪加速度峰值分別為5.01 m/s2和4.32 m/s2,減振型軌道系統(tǒng)下車輪振動加速度降低13.6%。
2) 采用減振型軌道系統(tǒng)導致轉(zhuǎn)向架峰值頻率向高頻方向偏移,其最大峰值頻率由45 Hz偏移至65 Hz。常規(guī)型、減振型軌道條件下的轉(zhuǎn)向架垂向加速度峰值分別為1.14 m/s2和0.54 m/s2,轉(zhuǎn)向架垂向加速度降低52.6%,采用減振型軌道板能有效的降低轉(zhuǎn)向架的垂向加速度。相對于車輪的加速度降低值,轉(zhuǎn)向架的降低值遠大于車輪,這是由于一系彈簧的隔離作用導致的。
3) 車體垂向加速度大小和對應的峰值頻率直接關系到乘客的舒適性,從圖8可以看出,常規(guī)型軌道板條件下的峰值頻率主要集中在20 Hz和45 Hz,減振型軌道系統(tǒng)下軌道板的峰值頻率在23 Hz,峰值頻率向高頻方向有輕微偏移。由于車體一系和二系彈簧的過濾作用,導致常規(guī)型軌道系統(tǒng)條件下車體在20 Hz和45 Hz其加速度峰值大小幾乎相當,而減振型軌道系統(tǒng)條件下車體在23 Hz頻率附近具有最大的加速度。
圖6 車輪垂向振動加速度
圖7 轉(zhuǎn)向架垂向振動加速度
表3 不同軌道系統(tǒng)最大加速度
圖8為1~100 Hz頻域范圍內(nèi)車體加速度曲線,反映車體的加速度的瞬時幅值和頻率關系,但是不能直接反映車體平穩(wěn)性,因此有必要對車輛的平穩(wěn)性進行研究。列車系統(tǒng)的平順性指標是反映車體的振動性能和乘坐舒適性的綜合指標?,F(xiàn)有評價車輛平穩(wěn)性的規(guī)范主要是《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》(GB5599-85),由于本文只計算豎向振動,因此只對豎向平穩(wěn)性進行評價,根據(jù)規(guī)范,客車運行平穩(wěn)性指標按以下公式計算。
其中:為振動加速度;()為與振動頻率相關的修正系數(shù),其取值與頻率范圍有關如表4所示。
圖8 車體垂向振動加速度
Fig. 8 Vertical vibration acceleration of vehicle body
表4 頻率修正系數(shù)
平穩(wěn)性指標適用于單一頻率的等幅振動,而實際上車輛的振動幅值大小不一,車體的振動需要按頻率分組,統(tǒng)計出每個頻率中不同加速度的平穩(wěn)性指標中。因此,總平穩(wěn)性性指標采用下式計算[17],即
其中:1,2,…W為按頻率分解進行頻譜分析,根據(jù)每段頻率范圍內(nèi)的加速度幅值計算得到的各自平穩(wěn)性指標,經(jīng)過頻率加權(quán)得到車輛平穩(wěn)性指標。根據(jù)計算得到的平穩(wěn)性指標,采用表5對車輛的平穩(wěn)性等級進行評判。
表5 平穩(wěn)性評定
根據(jù)圖8中得到的車輛振動加速度頻率曲線,利用式(14)~(15)分別計算得到常規(guī)型和減振型軌道系統(tǒng)下車輛的平穩(wěn)性值分別為2.70和2.61,根據(jù)表5的數(shù)值進行平穩(wěn)性評定,2種軌道系統(tǒng)條件下車輛的平穩(wěn)性為良好。減振軌道系統(tǒng)條件下的平穩(wěn)性指標較常規(guī)型的平穩(wěn)性指標降低4%,這與文獻[5]中實測的豎向平穩(wěn)性指標降低6%近似吻合,表明采用減振型軌道系統(tǒng)平穩(wěn)性略有提高,乘客的舒適性也略有提高。結(jié)合圖8分析,2種不同軌道系統(tǒng)條件下,車輛在1~20 Hz范圍內(nèi)振動加速度幅值變化不大,而在30~50 Hz范圍內(nèi)具有較大不同。從表4計算公式可以看出,頻率修正系數(shù)隨頻率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在5.9 Hz處頻率修正系數(shù)最大,最大值達到11.31(11.49),而在20 Hz其頻率修正系數(shù)迅速的降低為1,表明平穩(wěn)性指標受車輛前20 Hz頻率范圍的振動幅值影響最大。從圖8可以看出,在20 Hz范圍內(nèi),不同軌道系統(tǒng)的車輛振動幅值變化不大,這也導致車輛的頻平穩(wěn)性變化較小,其值僅僅降低了4%,因此,在改變軌道系統(tǒng)對人的舒適度方面略有提高。
1) 采用橡膠減振墊剛度為0.018 N/m3的減振軌道系統(tǒng),鋼軌和軌道板的振動加速度峰值增大2.6和1.3倍,橋梁的振動峰值加速度降低69.9%。采用減振軌道系統(tǒng)增大了減振墊上層的鋼軌和軌道板的振動加速度,降低了減振墊下層的橋梁的振動加速度。
2) 采用橡膠減振墊剛度為0.018 N/m3的減振軌道系統(tǒng),車輪和轉(zhuǎn)向架的振動加速度峰值較常規(guī)型分別降低13.6%和52.6%。車體在1~20 Hz范圍內(nèi)振動加速度幅值變化不大,35~50 Hz范圍內(nèi)降低明顯。
3) 2種軌道系統(tǒng)條件下的車輛豎向平穩(wěn)性指標分別為2.70和2.61。減振型軌道系統(tǒng)條件下的豎向平穩(wěn)性指標較常規(guī)型的平穩(wěn)性指標降低4%,乘客的舒適性略有提高。
本文仿真模型僅僅考慮豎向振動,未考慮車輛的橫向振動,因此不能對車輛橫向的平穩(wěn)性進行分析。由于乘客的舒適性不光取決于豎向振動,橫向振動也是一個重要的評價指標。下一步將進一步完善車輛軌道耦合模型,使減振CRTIS-Ⅲ軌道系統(tǒng)下車體的平穩(wěn)性得到更準確的判斷。
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Vibration and ride quality analysis of CRTS-III ballastless track with anti-vibration structure on railway bridge
SONG Rui1, 2, LIU Linya2, XU Bing1, ZENG Kaihua1
(1. College of Civil Engineering and Architecture, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330029, China; 2. Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise Ministry of Education, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)
In order to study the vibration effect of the vibration attenuation CRTS- III ballastless track system on the car body system and the track system, and to analyze the vehicle stability index, based on the two dimensional model of vehicle and track system, the dynamic flexibility of vehicle and track system was calculated by the dynamic flexibility method, and the vehicle and track coupling model of the frequency domain was established, and the vehicle and the rail were calculated. Vibration acceleration of the track system was analyzed, and its ride quality was calculated. The results show that compared with the conventional CRTS-III type track, the peak wheel-rail force of the damping rail system with the vibration-absorbing pad stiffness of 0.018 N/m3is reduced, and the vibration acceleration of the wheel and bogie is reduced by 13.6% and 52.6% respectively. The vibration of the car body in the 1~20 Hz range is not significant; the vibration acceleration of rails and track plates increases by 1.69 and 2.68 times, the vibration acceleration of the bridge decreases by 69.9%; the ride comfort indexes of vehicles are 2.70 and 2.61, respectively. The stability index decreases by 4%. Comparing with the conventional CRTS-III ballastless track system, the vibration acceleration of each subsystem of the vehicle is reduced in varying degrees under the condition of vibration damping CRTS-III ballastless track system. Vibration acceleration of rail and track increases and the vibration acceleration of the bridge decreases. The ride quality index of vehicles is reduced, and the comfort of passengers is improved to a certain extent.
railway bridge; vibration attenuation CRTS- III type track system; vibration; ride quality
10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.001
U213.2+44
A
1672 ? 7029(2019)04 ? 0835 ? 08
2018?05?16
江西省教育廳科技項目(GJJ170984);國家自然科學基金資助項目(51578238,51569016,51769016)
劉林芽(1973?),男,江西樟樹人,教授,博士,從事鐵路環(huán)境振動與噪聲研究;E?mail:lly1949@163.com
(編輯 陽麗霞)