【word】 梯形轨枕的减振特征及论证

【word】 梯形轨枕的减振特征及论证 梯形轨枕的减振特征及论证 梯形轨枕的减振特征及论证 齐琳,夏禾.,任静 (1.北京泰思谊铁道技术有限公司,北京100044;2.北京交通大学土建学院,北京100081 3.北京城建设计研究总院有限公司技术部,北京100037) 摘要:轨道系统的减振理念,一般以改变质量一弹簧系统来实 现,而梯形轨枕轨道,不但利用这一理念特征,还利用提高轨道 刚度而减振的理念特征.通过车辆一轨道一构造物系统化减振 的论证,分析新减振理念的特征和必要性,并通过对模拟计算 和实际测试结果的分析,验证梯形减振轨枕开发理念的正确, 说明其减少维修量降低综合运营成本,有利减振降噪的极高使 用价值. 关键词:梯形轨枕;轨道刚度;复合轨道;冲击轮重;纵向刚 度;轨道不平顺 中图分类号:U231;U213.2文献标识码:A 2954(2007)10—0067—04 文章编号:1004— 1概述 ? 产品研究? 用率以及减少环境负荷上都具有重要意义,特别是在 城市轨道交通中具有极大的优势.轨道交通的便利给 人们的生活带来了极大的方便.但同时,其产生的振 动和噪声对环境的影响也随着人们生活水平的提高上 升成为一种不可忽视的问.在铁路交通中除需求减 振降噪的轨道系统外,还特别追求减少轨道系统的维 修管理成本和维修方便性,以保证交通通畅和安全. 浮置式弹性支撑的梯形减振轨枕轨道系统(以下简称 LTS轨枕)是由日本铁道综合技术研究所经过近15年 的研究开发,实践完善,已走向成熟的减振降噪,少维 护便维修,有利于减少车辆振动进而降低系统疲劳等 特性的革新性轨道系统技术. 轨道交通在任何国家的现代化建设,提高能源利2技术特征 收稿日期:2007—05—0l 作者简介:齐琳(1962,),女,教授级高级工程师,1997年毕业于日 本东京农工大学,博士. 弹性支撑的梯形减振轨枕轨道系统可以称之为板 式整体道床的第二代产品.梯形轨枕采用预制,其与 底座问的缓冲调整等原理与板式轨道基本相同.它具 30000个.目前安装良好,未出现因材料本身原因弓 起的损坏,更换. 5传统材料与复合材料的技术经济比较(表4) 表4传统材料与复合材料的技术经济比较 序号比较类别传统材料复合材料 l电气性能一般好 2使用寿命低好 3维护费用高低 木防护罩强度较低, 系统稳定性和长时间使用后材料本 4身性能有所下降;瓷较高可靠性 绝缘子易碎怕碰,系 统稳定和可靠性较低 5国产化一致 6施工难易程度复杂简单 复合材料本身可塑性强, 接触轨防护安没有将接触轨完全罩能根据设计需要制造成7 全性住,防护效果不理想各种断面,罩住大部分接 触轨,安全性较好 8运营维护经验一致 9制造成本高低 注:表中的传统材料指的是瓷质绝缘子,木质防护罩;复合材料指 的是玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂. 铁道设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2007(10) 6复合材料的优缺点 玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂质轻,绝缘,高强,吸 水率低,变形小,表面自洁性好,能够承受气候变化及空 气污染,适合户外使用;能够承受由开关操作或系统短 路引起的过电压,材料低烟,无卤,难燃,结构紧凑,抗冲 击,运输及安装安全,无破损,并且制造成本较低. 玻璃纤维本质上来说是一种石英砂材料,用玻璃 纤维增强树脂制造的绝缘支架及防护罩无法降解,即 使充分燃烧后埋在土里50年仍不能分解.随着地铁 线路增多各线所使用的复合材料绝缘支架及防护罩也 会越来越多,但是每种材料都是有其自身的使用寿命 的,当使用寿命一过,堆积下来的废弃复合材料制品该 如何处理?目前尚未有妥善的解决,而且也没有 根本解决途径,只有改变复合材料本身的材质或找到 另一种可替代的材料才能解决此问题. 参考文献: [1]于松伟.我国地铁接触轨技术发展综述与研发[J].都市快轨 交通,2004(2). [2]宝鸡器材厂.钢铝复合轨绝缘支撑及防护罩研制鉴定资料[z].宝 鸡:2004. 67 ? 产品研究?齐琳,夏禾,任静一梯形轨枕的减振特征及论证 有既能够发挥轨枕本来的特性,大幅度提高荷载的分 散能力,又可补充钢轨本身的刚性和质量的性能特点, 是一种能提高弯曲刚度和剪切刚度,实现了相当于减 少车辆簧下质量的较理想的整体减振系统. 其主要技术突破点如下: (1)将板式轨道的双向预应力结构改进成由单向 PC纵梁和钢管制的横向联接杆构成,从而取消横向预 应力,因而简化了制造工艺; (2)梯形轨枕和钢轨形成复合轨道,既改善了车 辆的动力学特性,也减轻了轨道的荷载; (3)将轨枕的连续弹性支撑改为弹性支墩.既提 高了减振降噪的性能,也减少了隐蔽工程,而且方便施 工和维护. 3设计理念 铁路系统的维护成本是限制其发展的因素之一. 在铁路交通发达的日本.维护成本平均占运营经费的 1/3.新干线轨道的维护成本是既有线的5倍,车辆的 维护成本是既有线车辆的3倍,即随着行车速度的提 高相关设备的维护状态就相应地要求提高.因此.将 车辆一轨道构造系统的动力学特性进行综合分析,探讨 主动解决问题的方法非常必要.借鉴铁路车辆的维护 成本是汽车的5倍,以及橡胶汽车轮与铁车轮系统的 冲击不同而带来了巨大的差别这一特征,设计开发了 浮置式梯形减振轨枕轨道系统.因此开发是以主动减 振的理念先行,也兼顾了固有的”衰减,吸收”减振理 念,应称之为”主动减振轨枕系统”.根据这一开发理 念,主要的理论支持或特征有以下三方面. 3.1轮轨动力学理论——主动减振 对于一般的轨道接头处发生的冲击轮重,Jenkins 的解析例如图1所示.最初的冲击峰值称为P力(作 用时问约1ms),第2个比较平缓的峰值称为P:力 (约15ms). 图1钢轨接头的冲击轮重 P受轨道的有效质量和赫兹接触刚度影响,而P: 主要受车辆轨道系统模型的簧下质量和轨道刚度的影 响.轨道接头处的冲击作用及其特征P及P:是一个 特例,一般的冲击轮重的作用时问是一个对应不规则 频率的从P到P:连续分布的函数.将其写成影响因 素的函数,可以用下式表示 P.c2aV,. / P:.c2aV,际 式中,2为轨道接头下降角度;V为行车速度; m为轨道的有效质量;m为簧下质量;K为赫兹接 触刚度;k他为轨道支撑刚度. 如果按上式对汽车和列车的冲击轮重作简单的比 较,列车车轮的k约为汽车橡胶轮的100倍,m也约 为橡胶轮的100倍,因此对P和P:的影响都是约l0 倍.可以看出改善车辆一轨道结构相互作用系统的冲 击轮重而减小结构振动关键是”合理轻量化”和”充分 必要的弹性”,即减少m和合理控制k他.为此,开发 满足了这一要求的梯形轨枕,如图2所示.其由预应 力混凝土纵梁和钢管连接件构成,形状似梯子的梯形 轨枕轨道,节约了材料.几种轨枕形式的单位质量比 较如表1所示,可以看出梯形减振轨枕是一种比板式 轨道轻.较PC横向轨枕重的合理轻量化的轨枕形式. 梯形轨枕单元长度6.25in 图2梯形轨枕 表1典型轨枕轨道单元质量 名称单元质量/(kg/in) 板式轨枕700 梯形减振轨枕500 PC轨枕420 又因Pc纵梁起到在钢轨之外的第2纵梁的作 用,钢轨和PC纵梁共同承载列车荷重,起到了轨道刚 度较大的”复合轨道”作用,提高了轨道的分散动载荷 性能,如图3所示.压力分布计算结果如图4所示,也 说明了这一点. 图3弹性车轮和复合轨道——梯形轨道 根据日本铁道综合技术研究所涌井等人的研究结 68铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2007(10) 齐琳,夏禾,任静一梯形轨枕的减振特征及论证 5 10 5 10 赋15 髫. 轮重80kN轮重80kN 50060o70o80090o 线路方向坐.~/cm 轮重80kN轮重80kN JJ 50060070080o900 线路方向坐标/cm 道床压力/MPa 黼0.14,0.16 黼0.12,0.14 囊l0.10-0.12 黼0.08,0.10 黼0.06,0.08 黼0.04,0.06 皇8肌.02-00_02.04 图4梯形轨枕和横向轨枕在同样轮重下的压力分布 果,利用日本铁道综研开发的动态模拟程序DI- ASTARS进行模拟计算,结果如图5所示. Z 1恤ll 伯 量 30o 20o 10o 0 00.0o50.010.015 时间,s 图5防振材料的刚度对梯形轨枕轨道上的冲击轮重影响 从图5可以看出,轨道垂向刚性采用500kN/mm 时,与采用15kN/mm(相当于梯形轨枕现在采用的刚 度)的不同之处在于,后者P,成分可大幅度减轻.这 也证实了这种轨枕系统的构造和较小的弹簧刚度,将 有利于减少冲击力. 从控制传动噪声和冲击噪声角度,开发复合轨道 也是很有必要的.Vincent等人的研究表明,如果单纯 地考虑轨道噪声控制,那么轨道垫应该是刚性的,因为 可以缩短轨道噪声的有效放射长.但是,这种情况正 与上述减少冲击轮重的需求相反,对设备负荷,波状磨 耗等也极其不利.上述论证中,对冲击轮重,设备负 荷,波状磨耗等因素的控制是希望轨道垫降低刚度. 为了使这两种因素都有改善,达到”充分必要的刚 度”,借鉴复合梁的概念,开发成”复合轨道”,既能满 足降低轨道垫刚度的要求,也能具有复合梁的特性而 满足提高轨道刚度的要求,从而达到降低传动噪声和 冲击噪声的效果.这一理念及效果已经在13本应用了 梯形轨枕的钢桥减振降噪的检测中得到证实. 从13本铁道综合技术研究所奥田等人的研究试验 结果得到,梯形减振轨枕的设计,实现了主动减振的 铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2007(10) ? 产品研究? “复合轨枕”的效果.利用复合轨道的主动减振性能, 起到了相当于减少车辆簧下质量的作用,还利用纵向 刚度增加的特点,使受力更均匀.在结构形式上,按专 利开发者提供的刚度设计方法设计的纵向轨枕,提高 了整体的承受荷载能力.以图6所示模型进行模拟计 算,设计梯形轨枕的断面在图7的情况下,即使在时速 350km,通过有凹凸的焊缝时,梯形轨枕都具有相对 PC横向轨枕比较小的系统冲击力,较好的荷载能力, 弯曲强度和剪切强度也使系统受荷能力提高,可减少 维护成本. 图6梯形轨道构造模型(单位:m) 图7纵梁的设计断面要录(单位:mm) 梯形轨枕系统中产生的冲击力减小,有利于减振 降噪.在奥田等人的同一研究中,现场测试的结果充 分表明了这一特征.测试地点为一RC复线桥梁,同 时铺设有梯形轨枕和PC横向轨枕.对与构造物噪声 评价有正比关系的”振动速度强度”进行分析,如图8 所示可降低振动速度强度13dB.因此构造物噪声也 大幅度减少,(A特性)噪声降低9dB,在现场,对构造 物噪声几乎没有什么感觉.该成果荣获了13本音响协 会奖. { 舌 曼 寇 需 图8振动速度等级的测定结果 3.2质量一弹簧系统理论——吸收/衰减 梯形减振轨枕轨道系统的轨道(系统)刚度为15 kN/mm左右,在13本以及中国国内已有部分应用的也 是13本铁道综研主持开发的另一种减振轨枕D型轨 69 ? 产品研究?齐琳,夏禾,任静一梯形轨枕的减振特征及论证 枕,其轨道刚度为47kN/mm左右,普通板式整体道床 是104kN/mm左右,因此梯形轨枕有较小的轨道刚 度,同时与普通板式轨道相比,质量可降低22.3%. 在上节的论证中也说明了,梯形轨枕形式实现了轻量 级的”质量一弹簧减振系统”,也称之为”轻量化质量一 弹簧系统”.从表l可以看出,梯形轨枕系统是优越 于PC横向轨枕的”质量一弹簧减振系统”,但却不是仅 以质量一弹簧振动系统对振动能量吸收/衰减的原理而 实现减振的.轻量化质量一弹簧系统减少了系统冲击 轮重的影响,又通过梯形轨枕的纵向刚度实现了固体 振动传递的减少,提高了减振降噪效果. 3.3系统刚度理论——系统减振 轨道刚度对车辆振动传递有很大影响.在日本铁 道综研佐藤等人的研究中,50kg/m的轨道更换成60 kg/m的轨道后,实际测试的地盘振动水平VL—oa—z 为2.7dB.利用如图9所示的模型和Parseval的计算 方程式计算得到,在列车速度为100km/h时,60kg/m 的轨道要比50kg/m的轨道噪声降低2.82dB.这与 实测值2.7dB十分接近.高速车(车速为200km/h) 时,相当于降低2.33dB. 在轨道与梁之间形成了2 重梁;而对于整体道床,相当于在中间梁是没有刚性 的.如图10所示,在梯形轨枕的研究中,中间质量无 刚性时,在20Hz范围内的影响很大,可减少地面振动 3.8dB.图11是探讨在中间质量相同时,弹性系数与 梯形轨枕的支撑弹性系数一样的普通道床在20Hz范 围内的振动将增大5.1dB.图12是整体道床轨道与 梯形轨道的计算结果,从中看到在20Hz范围内,梯形 轨枕将降低10.4dB的地面振动影响. 在地面上采用梯形轨枕时,对地面振动的影响,用 改变计算模型系数来探讨,结果如图13所示.与桥上 的模拟结果相近,在20Hz范围内响应较大,使用梯形 0.2 图10中间梁刚性有无时的振动传递影响 图11中间梁弹性系数变化时振动传递影响 1.75 150 {1.25 . u 1 . .0 , 0 j 0.50 0.25 图12整体道床与梯形轨枕对振动传递影响 1.75 1.50 1.25 1.00 075 0.50 0.25 图13地面上的振动传递模拟结果 轨枕时相对降低地面振动5.9dB. 在日本正线试验中,对具有相对较好减振效果的 D型轨枕与梯形轨枕,安装同样的减振材料,观察通过 改变中间质量刚度产生的影响.试验结果表明,具有 中间质量刚度的梯形轨枕比横向的D型轨枕可减少7 dB振动. 从以上模拟和实测结果充分看出,由钢轨+梯形 轨枕纵梁构成的复合轨道系统,在实现了”合理轻量 化”的同时,还满足了充分的弹性和轨道刚度,因此具 有良好的系统减振性能. 综合上述开发理念,梯形轨枕具有主动减振的特 性,并在设计中充分地考虑和满足了设计理念的要求, 达到了减少车辆轨道系统维修成本,减振降噪的目的. 4结语 弹性支撑的梯形轨枕轨道结构(LTS轨枕),具有 既能够发挥轨枕本来的特性,大幅度提高荷载的分散 能力,又可补充钢轨本身的刚性和质量的性能特点,是 70铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2007(10) 梯形轨道减振性能研究 苏宇,刘维宁,孙晓静,丁德云,谢达文 (北京交通大学,北京100044) 摘要:结合北京交通大学地下轨道实验室的减振实验,从理 论推导与实验结果分析两个方面来研究梯形轨道的动力响应 特性及减振性能.实验结果表明梯形轨道具有良好的减振性 能.对28Hz以上频段引起的振动,减振效果可以达到40多 dB,可用于振动敏感区域的地铁隧道减振.为梯形轨道能够应 用于地铁隧道减振提供了一定的理论支持. 关键词:梯形轨道;理论推导;减振实验;地铁隧道 中图分类号:U231;U213,2文献标识码:A 文章编号:1004—2954(2007)10—0071—04 1概述 地铁是城市现代化的一种重要交通工具.由于具 有不占用地面空间,运量大,速度快,准时,方便等优 点,已经成为解决城市交通拥挤和减少噪声大气污染 的一种有效手段.但与此同时,地铁运营引起的振动 和噪声对环境的影响也越来越引起人们的重视.据有 关国家统计,除工厂,企业和建筑工程外,交通系统引 起的环境振动(主要是引起建筑物的振动)是公众反 映中最为强烈的…. 梯形轨枕轨道是一种新型的轨道系统,其轨枕是 由PC制的纵梁和钢管制的横向联接杆构成的,形似 扶梯(Ladder),因此称之为梯形轨枕,它是纵向轨枕的 一 种,具有既能够发挥轨枕的特性,大幅度提高荷重的 分散能力,又可补充钢轨本身的刚性和质量的性能特 点,可以说是轨枕的一种革新形式.特别是无碴整体 道床式梯形轨枕轨道,不但充分发挥了复合轨道高刚 性的特点,还使轨道构造具有充分的弹性.利用减振 收稿日期:2007—05一Ol 作者简介:苏宇(1983一),男,在读研究生. ? 产品研究? 材料等间隔支撑结构,使其浮于混凝土整体道床之上, 实现了轻量级质量弹簧系统的构想,达到了减少支撑 弹簧数量的目的.这种设计,还可在很大程度减小结 构噪音,成为一种”低噪声,低振动的轨道构造”. 笔者结合在北京交通大学地下轨道实验室的减振 实验,研究其减振原理,并对实验结果进行了分析,为 梯形轨道能够应用于地铁隧道减振提供了一定的理论 支持. 2梯形轨道的减振原理 按照减振隔振的原理,可以把梯形轨道看作为双 层减振器(图1).钢轨简化为质量为m.的质点,轨枕 简化为质量为m:的质点,扣件简化为刚度为k:,阻尼 为C:的弹簧,梯形轨道的减振材料简化为刚度为k., 阻尼为C.的弹簧. 图1梯形轨道减振器原理 根据结构动力学原理,可以写出该减振系统的动 力学方程,其动力学方程以矩阵方程的形式表示 MX+CX+KX=F(t)(1) 式中,M,C,K分别为系统的质量矩阵,阻尼矩阵 和刚度矩阵,均为方2×2方阵;F(t)为作用于m.的 外激振作用力,为2维列向量;X为2个自由度的位移 变量 一 种既能提高抗弯曲和剪切刚度,又能实现最适宜的 质量一弹簧系统.在同等减振性能及可靠性的轨枕系 统中其经济性较好,同时又具备最少维护需求的特点. 该结构在学术界称之为板式轨道的第二代产品,因为 LTS轨枕既保留了板式轨道的优点,又提高了经济性 和排水方便性及施工方便性等,可以说是一种较理想 的减振轨道系统.这一在日本已经成熟的技术在中国 的生产可行性和施工可行性都已经通过实际施工和生 产得到了验证,是一种以主动减振的理念开发的,适合 铁道标准设计RAILWAYSTANDARDDESIGN2007(10) 用于在减振要求为15dB的中级减振地段上,性价比 和维修方便性占有优势的21世纪革新性产品. 参考文献: [1]佐藤吉彦.轨道剐性地盘振勤}二及6亨劾果数值俩[Z].铁 道技衍遑合’/水厶(J—RALL2005):545—548. [2]涌井一.衙擎输重}:起因亨弓卓雨/轨道樽造系裸题.铁道鲶研 鞭告[R],2003,(17)9. [3]齐琳.弹性支撑的梯形减振轨枕轨道系统[Z].日本铁路综研梯 形轨枕推进会议资料,2006. 71