支撐形式對(duì)鋼彈簧浮置板軌道減振性能的影響-論文_圖文

1、V ol 35No.1Feb. 2015噪聲 與 振 動(dòng) 控 制 NOISE AND VIBRATION CONTROL 第 35卷 第 1期 2015年 2月文章編號(hào):1006-1355(201501-0038-04支撐形式對(duì)鋼彈簧浮置板軌道減振性能的影響金浩 1,劉維寧 2,趙磊 2,馬蒙 3,彭智勇 2(1. 紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院,浙江 紹興 312000;2. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 3. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081摘 要 :為了改善鋼彈簧浮置板軌道的減振性能, 以現(xiàn)有液壓彈簧阻尼器的布置形式為基礎(chǔ), 設(shè)計(jì)了一種全新的液

2、壓彈簧阻尼器布置形式。利用 ABAQUS 數(shù)值模擬軟件建立顯式計(jì)算有限元模型, 施加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的定點(diǎn)輪軌力。通過(guò) MATLAB 編程軟件; 分析兩種布置形式下, 軌道板和基底的振動(dòng)加速度時(shí)程、 三分之一倍頻程以及 Z 振級(jí)。結(jié)果表明 在列車輪軌力作用下, 現(xiàn)有鋼彈簧浮置板軌道的軌道板振動(dòng)幅值大于新型鋼彈簧浮置板軌道; 同時(shí), 基底振動(dòng)加速度 三分之一倍頻程和 Z 振級(jí)分析都證實(shí)了在低頻區(qū), 新型鋼彈簧浮置板軌道具有更好的減振效果。關(guān)鍵詞 :振動(dòng)與波; 鋼彈簧浮置板; 時(shí)程分析; Z 振級(jí) 中圖分類號(hào) :TB53; U231文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :ADOI 編碼:10.3969/j.issn.1006-13

3、35.2015.01.008Study on Vibration Reduction Characteristics of the Steel-spring Floating Slab Tracks Affected by Different Supporting FormsJIN Hao 1, LIU Wei-ning 2, ZHAOLei 2, MA Meng 3, PENG Zhi-yong 2(1.College of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing 312000, Zhejiang China; 2. School o

4、f Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;3. Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China Abstract :In order to improve vibration reduction ability of steel-spring floating slab tracks, a new supporting form with hydra

5、ulic spring dampers was proposed and studied. A finite element model with explicit algorithm was built using Abaqus software for the floating slab track. The in-situ tested rail-wheel contact force was applied to the model. The time history of vibration acceleration, 1/3octave and Z vibration level

6、of the floating slab and the foundation were analyzed by Matlab for original supporting form and the new supporting form respectively. Results show that:(1the vibration amplitude of the floating slab of the steel-spring floating slab track with original supporting form is higher than that of the sla

7、b track with the new supporting form; (2in low frequency range, the floating slab track with new supporting form has better vibration reduc-tion ability than that of the slab track with the original supporting form according to the analysis of the 1/3octave and Z vi-bration level of the foundation.K

8、ey words :vibration and wave ; steel-spring floating slab tracks ; time-history analysis ; Z vibration level近幾年, 隨著我國(guó)城市軌道交通的大量投入運(yùn) 營(yíng), 由輪軌耦合振動(dòng)引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題日益突 出。具有完善減振措施的鋼彈簧浮置板軌道, 相比 于其它軌道減振型式 1,2, 從進(jìn)入中國(guó)軌道交通市場(chǎng) 起, 在地鐵減振方面一直發(fā)揮著重要作用。目前, 對(duì)于鋼彈簧浮置板軌道的研究, 大致可歸 納為理論解析分析、 數(shù)值模擬分析 (自編程序或者商收稿日期 :2014-06-25基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科

9、學(xué)基金項(xiàng)目 (51278043作者簡(jiǎn)介 :金浩 (1986- , 男, 浙江諸暨人, 講師, 博士, 從事軌道振動(dòng)控制研究。(E-mail:zhujijinhao業(yè)軟件 以及測(cè)試分析 (實(shí)驗(yàn)室或者現(xiàn)場(chǎng) 。 2006年, 郭亞娟等 3利用 ANSYS 軟件, 建立了浮置板軌道系 統(tǒng)的有限元模型。采用 Newmark 時(shí)間積分方法, 模 擬了列車荷載作用下, 浮置板軌道結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響 應(yīng)。 2008年, 丁德云等 4應(yīng)用 MIDAS/GTS軟件, 對(duì) 浮置板軌道進(jìn)行了三維模態(tài)分析。 2009年, 谷愛(ài)軍 等 5建立了三維鋼彈簧浮置板軌道有限元模型, 針 對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)和激振頻率, 研究了該軌道結(jié)構(gòu)的

10、 動(dòng)力傳遞特性和隔振效率。 2011年, 丁德云等 6采 用 MIDAS/GTS軟件對(duì)鋼彈簧浮置板軌道進(jìn)行了動(dòng) 力特性研究。劉維寧等 7利用 “北京交通大學(xué)軌道 減振與振動(dòng)控制試驗(yàn)室” 進(jìn)行了鋼彈簧浮置板軌道第 1期 低頻特征測(cè)試, 研究了鋼彈簧浮置板軌道彈簧剛度 和支承間距等參數(shù)變化對(duì)低頻振動(dòng)的影響, 并比較 了鋼彈簧浮置板軌道和普通軌道的低頻減振效果。 2012年, 肖安鑫等 8通過(guò)不同鋼彈簧浮置板軌道地 段車內(nèi)噪聲的對(duì)比測(cè)試, 分析了鋼彈簧浮置板軌道 對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。韋紅亮等 9分別采用有限元和 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法, 從時(shí)頻域角度對(duì)高架鋼彈簧浮置板 軌道結(jié)構(gòu)的減振特性進(jìn)行了分析。 2013年

11、, 蔣崇達(dá) 等 10利用 ANSYS 軟件建立了鋼彈簧浮置板軌道系 統(tǒng)的雙層梁動(dòng)力學(xué)模型, 通過(guò)瞬態(tài)分析模擬了列車 移動(dòng)荷載通過(guò)鋼彈簧浮置板軌道時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)。在以上研究的基礎(chǔ)上, 本文探討了一種全新的 液壓彈簧阻尼器布置形式。通過(guò)時(shí)程分析、 1/3倍頻程分析以及 Z 振級(jí)分析, 比較了新型液壓彈簧阻尼 器布置形式對(duì)鋼彈簧浮置板軌道振動(dòng)特性的影響。1液壓彈簧阻尼器位置現(xiàn)有鋼彈簧浮置板 (以下簡(jiǎn)稱 SSFS-1 板長(zhǎng) 6.0m , 截面為 3.5m×0.45m , 液壓彈簧阻尼器設(shè)置在浮 置板兩側(cè), 相鄰間距 1.2m , 如圖 1所示。在現(xiàn)有液壓彈簧阻尼器布置形式的基礎(chǔ)上, 設(shè) 計(jì)了另

12、外一種液壓彈簧阻尼器布置形式。將圖 1(a 中的液壓彈簧阻尼器 #2、 #4、 #7、 #9去掉, 在對(duì)應(yīng) 橫斷面中部設(shè)置液壓彈簧阻尼器 #N2和 #N4。新型 液壓彈簧阻尼器布置形式的鋼彈簧浮置板軌道 (以 下簡(jiǎn)稱 SSFS-2 如圖 2 所示。(a SSFS-1平面圖 (b SSFS-1A-A 剖面圖圖 1SSFS-1 結(jié)構(gòu)尺寸及液壓彈簧阻尼器位置(a SSFS-2平面圖 (b SSFS-2A-A 剖面圖圖 2SSFS-2結(jié)構(gòu)尺寸及液壓彈簧阻尼器位置2數(shù)值模型為了提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量以及減少計(jì)算單元 數(shù), 將鋼軌截面簡(jiǎn)化為工字型截面。鋼軌長(zhǎng) 6.0m , 密度為 7850kg/m3, 彈性模

13、量為 2.14×1011N/m2, 泊松 比為 0.3。扣件和液壓彈簧阻尼器的位置如圖 1和圖 2所 示, 用線性彈簧進(jìn)行模擬?？奂Q向剛度 60MN/m, 液壓彈簧阻尼器豎向剛度選用 5.3MN/m4,6。浮置板的尺寸如圖 1和圖 2所示, 密度為 2500kg/m3, 彈性模量為 3.1×1010N/m2, 泊松比為 0.2?；?底尺寸 6.0m×5.0m×0.3m , 密度為 2600kg/m3, 彈性 模量為 3.6×1010N/m2, 泊松比為 0.167。典型的有限元模型 (SSFS-1 如圖 3所示。通 過(guò) 現(xiàn) 場(chǎng) 測(cè) 試 , 得

14、 到 定 點(diǎn) 輪 軌 力 (如 圖 4所 示 。為了模擬輪對(duì)同時(shí)施加荷載于左右鋼軌上, 將 測(cè)試得到的荷載同時(shí)施加在左右鋼軌中部, 如圖 3所示。在浮置板中部和基底邊緣處 (如圖 3所示 , 設(shè)置振動(dòng)加速度拾振點(diǎn)。考慮到主要關(guān)心頻率是 1Hz200Hz , 將拾振點(diǎn)采樣頻率設(shè)置為 500Hz (即采 樣點(diǎn)間隔時(shí)間 0.002s 。3結(jié)果分析3.1時(shí)程分析浮置板和基底拾振點(diǎn)采樣時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為 15s , 得支撐形式對(duì)鋼彈簧浮置板軌道減振性能的影響 39第 35卷噪 聲 與 振 動(dòng) 控 制 圖 3SSFS-1有限元模型 圖 4輪軌力時(shí)程 到 SSFS-1和 SSFS-2的浮置板振動(dòng)加速度時(shí)程和基 底振

15、動(dòng)加速度時(shí)程, 如圖 5和圖 6所示。比較 SSFS-1和 SSFS-2的浮置板振動(dòng)加速度時(shí) 程, 得到:(1 SSFS-1的浮置板振動(dòng)加速度最大值為 178m/s2, SSFS-2的浮置板振動(dòng)加速度最大值為 101m/s2;(2 以時(shí)間歷程 7.5s 為參考線, 發(fā)現(xiàn) SSFS-1的 浮置板振動(dòng)加速度衰減比 SSFS-2快。比較 SSFS-1和 SSFS-2的基底振動(dòng)加速度時(shí)程, 得到:SSFS-1的基底振動(dòng)加速度最大值為 0.022m/s 2, SSFS-2的基底振動(dòng)加速度最大值為 0.025m/s2。 3.21/3倍頻程分析將測(cè)試得到的時(shí)程數(shù)據(jù), 利用 MATLAB 軟件,進(jìn)行 FFT

16、變換, 得到 SSFS-1和 SSFS-2的浮置板和基 底振動(dòng)加速度頻譜。然后通過(guò)頻域數(shù)據(jù)處理方法, 得到 1/3倍頻程, 如圖 7和圖 8所示。比較 SSFS-1和 SSFS-2的浮置板振動(dòng)加速度 1/3倍頻程, 得到:SSFS-1的浮置板振動(dòng)加速度最大值 發(fā)生在中心頻率 40Hz 頻段, 對(duì)應(yīng)幅值為 138.9dB ; SSFS-2的浮置板振動(dòng)加速度最大值也發(fā)生在中心 頻率 40Hz 頻段, 對(duì)應(yīng)幅值為 137dB 。比較 SSFS-1和 SSFS-2的基底振動(dòng)加速度 1/3倍頻程, 得到:(1 對(duì)于浮置板的自振頻率, 從圖 8(a 和圖 8(b 可以看出, SSFS-2的 1階自振頻率低

17、于 SSFS-1的一階自振頻率;(2 圖 8(c 為 SSFS-1和 SSFS-2的基底振動(dòng)加 速度 1/3倍頻程比較, 從圖上可以看出, SSFS-1和 SSFS-2的基底振動(dòng)加速度在 25Hz以上相差不大, (a SSFS-1(b SSFS-2圖 5浮置板振動(dòng)加速度時(shí)程 (a SSFS-1(b SSFS-2圖 6基底振動(dòng)加速度時(shí)程40第 1期 主要差別在 1Hz 25Hz 低頻區(qū)。 1Hz 25Hz 低頻 區(qū), SSFS-2的基底振動(dòng)加速度級(jí)普遍小于 SSFS-1。 3.3Z 振級(jí)分析分析基底振動(dòng)加速度 Z 振級(jí), 分析頻段取 1Hz 80Hz , 采用 ISO 2631-1:1997計(jì)權(quán)

18、網(wǎng)絡(luò), 如表 1所示。得到:1Hz 80Hz 頻段, SSFS-1的 Z 振級(jí)為 57.1dB , SSFS-2的 Z 振級(jí)為 56.4dB 。4結(jié) 語(yǔ)本文在現(xiàn)有液壓彈簧阻尼器布置形式基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一種全新的液壓彈簧阻尼器布置形式。通過(guò) 時(shí)程分析、 1/3倍頻程分析以及 Z 振級(jí)分析, 得出如 下結(jié)論:表 1ISO 2631-1:1997計(jì)權(quán)因子中心頻率11.251.622.53.15456.38計(jì)權(quán)因子 /dB 6.33 6.29 6.12 5.49 4.01 1.9 0.290.330.460.31中心頻率1012.516202531.540506380計(jì)權(quán)因子 /dB 0.1 0.89

19、 2.28 3.93 5.8 7.86 10.05 12.19 14.61 17.56(1 列車輪軌力作用下, 現(xiàn)有鋼彈簧浮置板軌 道的軌道板振動(dòng)幅值大于新型鋼彈簧浮置板軌道;(2 基底振動(dòng)加速度 1/3倍頻程和 Z 振級(jí)都表 明, 在低頻區(qū), 新型鋼彈簧浮置板軌道具有更好的減 振效果。參考文獻(xiàn):1金浩, 劉維寧, 王文斌 . 梯式軌枕軌道模態(tài)試驗(yàn)分析 J.工程力學(xué) 工程力學(xué), , 2013, 30(3:459-463.2金 浩, 劉維寧 . 蟻群算法耦合 LS-DYNA 梯式軌枕軌道動(dòng)力特性優(yōu)化 J.振動(dòng)與沖擊 振動(dòng)與沖擊, , 2013, 32(2:24-28. 3郭亞娟, 楊紹普, 郭文武 . 鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析 J.振動(dòng) 振動(dòng)、 、 測(cè)試與診斷 測(cè)試與診斷, , 200