地铁线路曲线段减振垫轨道板行车安全及减振性能研究

2022-07-20张生延

城市轨道交通研究 2022年7期

张生延

(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)， 710043，西安； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)， 710043，西安∥高级工程师)

对于列车运行过程中产生的振动与噪声问题，轨道板轨道结构的减振效果显著。文献[1]认为在一定范围内随着轨道板的厚度增加，钢轨竖向位移和轨道板竖向位移呈减小趋势。文献[2]研究了钢弹簧轨道板轨道不同参数变化对轨道结构的动力传递特性和隔振频率的影响。文献[3]分析了橡胶垫层厚度及弹性模量等参数对轨道板轨道动力特性的影响。文献[4]分析了轨道板板长等不同参数对轨道板振型和减振效果的影响。文献[5]分析了120 km/h速度条件下减振垫轨道板轨道的减振效果。文献[6]对短型轨道板轨道的减振性能进行了深入的研究。文献[7]通过对铺设道床的减振效果进行测试评价，为国内城市轨道交通工程减振技术的发展起到了指导性作用。

为了进一步研究列车通过曲线段减振垫道床的行车安全性及减振特性，本文以某地铁线路为研究对象，建立了车辆-轨道-隧道刚柔耦合模型，通过仿真计算得出不同工况下隧道及列车的振动响应。

1 工程概况

1.1 工程条件

本文研究的地铁曲线段均为地下线，曲线段所处地层的土层从上到下依次为素填土(厚度为2 m)、强风化层(厚度为6 m)、中风化层(厚度为6 m)和微风化层(厚度为25 m)。在轨道板与隧道壁间铺设减振垫，其轨道板主要采用USM1000W(减振垫刚度k=0.019 N/mm3)及USM2020(k=0.020 N/mm3)两种型号。此外，本文选取的车型为市域D型车，列车的最高运行速度分别取100 km/h和160 km/h两种情况，计算路线长度为300 m。

基于2种线路情况及不同的k值，本文选取了6种工况进行分析，如表1所示。

表1 进行减振垫轨道板测试的6种曲线段线路工况Tab.1 6 line conditions for vibration reduction track bed testing

1.2 模型介绍

本文通过有限元软件和多体动力学软件联合仿真建立了车辆-轨道-隧道耦合动力学模型，如图1所示。其中，轨道-隧道耦合模型主要由隧道本体、钢轨、扣件、轨道板及减振垫等组成。对各组件的说明如下：①隧道围岩的动弹性模量为22 000 MPa，密度为2 620 kg/m3，动泊松比为0.22，采用弹簧单元模拟并约束其末端；②轨道板、隧道本体采用实体单元模拟，轨道板间设置宽度为20 mm的板缝；③扣件采用三向弹簧阻尼单元模拟，扣件的间距为0.60 m；④减振垫采用弹簧阻尼单元满布于轨道板与隧道的基床间。

图1 车辆-轨道-隧道刚柔耦合模型Fig.1 Vehicle-track-tunnel rigid-flexible coupling model

1.3 振动响应输入的激振源

本模型采用美国六级谱反演的时程曲线作为振动响应输入的激振源，如图2所示。

图2 轨道不平顺谱样本Fig.2 Spectrum sample of orbital irregularity

1.4 动力学评价指标

1.4.1 平稳性要求

(1)

式中：

v——列车运行速度，km/h；

C——常数，取值如表2所示。

表2 不同列车运行平稳性等级下C的取值Tab.2 Values of constant C at different train running stability levels

根据TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》(以下简称“规范”)规定，当v达160 km/h时，车体的垂向振动加速度az≤1.0 m/s2，车体的横向振动加速度ay≤0.6 m/s2。

1.4.2 行车安全性要求

GB/T 5599—2019《机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》规定：静态轮重减载率限值取0.65，动态轮重减载率限值取0.80，脱轨系数限值取0.80。

2 设置减振垫轨道板前后的数据对比分析

2.1 行车安全性及平稳性分析

现有研究表明，减振垫的刚度越低，列车的行车安全性和平稳性越差[8]。本文以设置了减振垫(k=0.019 N/mm3)的工况3和工况6为例，判断各工况下列车的行车安全性及平稳性是否满足规范的要求。

2.1.1 车体振动加速度

图3为工况3和工况6下车体的垂向振动加速度时程曲线，本文均取加速度向上时为正值。图4为工况3和工况6下车体的横向振动加速度时程曲线，本文均取加速度向右时为正值。

图3 工况3和工况6下车体垂向振动加速度时程曲线对比Fig.3 Comparison of vehicle body vertical vibration acceleration time-history curves between under working conditions 3 and 6

图4 工况3和工况6下车体横向振动加速度时程曲线对比Fig.4 Comparison of vehicle body lateral vibration acceleration time-history curve between under working conditions 3 and 6

工况3下当v=100 km/h时，由图3～4可得到此时车体的最大垂向振动加速度、最大横向振动加速度分别为0.36 m/s2、0.44 m/s2。由式(1)计算可得，车体平均最大振动加速度为0.51 m/s2，满足规范要求。

工况6下当v=160 km/h时，由图3～4可得到此时车体的最大垂向振动加速度、最大横向振动加速度分别为0.94 m/s2、0.57 m/s2，可满足规范要求。

综上所述，工况3和工况6两种工况条件下列车的运行平稳性均满足规范要求。相比而言，工况2和工况5下列车平稳性更高。

2.1.2 行车安全性指标

图5为工况3和工况6下车辆第一轮对左右轮的脱轨系数时程曲线。图6为工况3和工况6下车辆第一轮对左右轮的轮重减载率时程曲线。由图5～6可知，两种工况下的脱轨系数最大值均小于0.80，轮重减载率均小于0.80，满足规范要求。

a) 工况3

2.2 减振垫轨道板的减振性能分析

2.2.1 不同刚度下减振垫的减振效果

图7为6种工况下列车通过隧道曲线段时隧道壁的垂向振动加速度时程曲线。

a) 时速100 km的3种工况

由图7可知：普通整体道床隧道壁的振动加速度幅值最大，即工况1和工况4条件下隧道壁垂向振动加速度最大，其最大值分别为0.30 m/s2、0.40 m/s2。

图8为经1/3倍频谱分析后得到的隧道壁加速度振级曲线(中心频率为1～80 Hz)。表3为不同刚度下轨道板轨道的减振效果情况对比。由图8和表3可知：采用USM1000W、USM2020两种型号的减振垫，其减振效果相当。对于采用了同一型号的减振垫，列车运行速度越大，减振垫轨道板轨道的减振效果越好。

a) 时速100 km的3种工况

表3 不同刚度下的轨道减振效果对比Tab.3 Comparison of track vibration reduction effects of track slabs with different stiffnesses

2.2.2 不同刚度减振垫的垂向位移

图9为6种工况下列车通过隧道曲线段时的钢轨位移时程曲线，取位移向上为正值。图10为6种工况下列车通过隧道曲线段时的轨道板垂向位移时程曲线，取位移向上为正值。

由图9～10可知：钢轨位移、轨道板垂向动位移随减振垫的刚度增大而减小。对于采用了同一型号的减振垫，列车的运行速度越大，钢轨位移、轨道板垂向动位移越大。例如，工况3下的钢轨位移、轨道板垂向动位移分别为2.01 mm、1.72 mm；工况6下的钢轨位移、轨道板垂向动位移分别为2.54 mm、1.85 mm。根据CJJ/T 191—2012《轨道板轨道技术规范》，轨道板轨道在列车额定荷载作用下的钢轨位移、轨道板垂向动位移不应大于 4 mm、3 mm，由此，6种工况下的钢轨位移、轨道板垂向动位移均满足规范要求。