CN110258198A - 地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法 - Google Patents
地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，S1：根据减振地段减振垫刚度，初拟板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数；S2：根据S1初拟的板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数，分析轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率之类的评价指标；S3：根据S2中评价指标的分析结果，微调板下刚度过渡地段各级的刚度、长度，重新进行计算，直到轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率之类的评价指标满足要求为止。本发明的方法，实现普通道床地段与减振道床地段刚度的平滑过渡，过渡效果好，设置效率高。
Description
技术领域
本发明属于地铁线路轨道减振技术领域，更具体地，涉及一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法。
背景技术
从20世纪50年代至今，城市轨道交通在我国己有近60年的发展历程。截至2017年末，我国共计34个城市开通城市轨道交通并投入运营，开通城轨交通线路165条，运营线路长度达到5033公里。随着城市轨道交通的不断发展，轨道交通引起的振动问题对人们的影响越来越大。为满足城市环境对交通振动控制的需要，地铁线路上大量采用轨道减振措施。轨道减振需要在轨下或板下嵌入低刚度的结构层，这使得减振地段轨道刚度与普通道床地段差异较大。为了车辆能够平稳通过减振与非减振地段交界处，防止由于轮轨力突变和钢轨挠曲变化率较大引起的轨道病害，需要设置减振与非减振过渡地段实现刚度的平稳过渡。
由于减振需求不同，减振地段减振刚度并不相同，目前针对减振垫浮置板的过渡地段多是通过调整道床板板下刚度来实现，并且都是针对某一减振垫层刚度，缺乏一种能够满足不同刚度减振垫层与普通道床的刚度过渡设置方法。另外，目前过渡地段设置时，评价指标较为单一，设置的过渡地段效果不佳，需要采用多个评价指标来指导过渡地段的设置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法,采用适于过渡地段动力分析的“车辆-轨道”耦合动力学系统，根据不同板下刚度过渡方式下计算得到的轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率，进行板下刚度过渡地段长度与刚度设置，使各指标满足要求，实现普通道床地段与减振道床地段刚度的平滑过渡，过渡效果好，设置效率高。
为了实现上述目的，本发明提供一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，包括如下步骤：
S1：根据减振地段减振垫刚度，初拟板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数；
S2：根据S1初拟的板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数，分析轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率之类的评价指标；
S3：根据S2中评价指标的分析结果，微调板下刚度过渡地段各级的刚度、长度，重新进行计算，直到轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率之类的评价指标满足要求为止；
S4：确定过渡地段的长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数。
进一步地，步骤S1中初拟板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数，具体包括如下步骤：
S11：任意一级过渡地段减振垫刚度小于等于20MPa/m，后一级过渡地段减振垫的刚度为前一级过渡刚度的1.5倍；
S12：任意一级过渡地段减振垫刚度大于20MPa/m，后一级过渡地段减振垫的刚度为前一级过渡刚度的2～2.5倍。
进一步地，每一级过渡长度宜为1块道床板长度，最后一级过渡刚度大于等于200MPa/m。
进一步地，步骤S1中，初拟板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数为：
进一步地，步骤S2中，分析评价指标还包括建立包含普通道床地段、过渡地段和减振道床地段的“车辆-轨道”耦合动力学系统的步骤，所述“车辆-轨道”耦合动力学系统包括轨道单元和车辆单元；其中，
所述轨道单元沿线路纵向分为普通道床地段、过渡地段和减振道床地段，该轨道单元包括基础支撑弹簧约束、设于该基础支撑弹簧约束上的基础支撑弹簧，在普通道床地段，基础支承弹簧上为普通道床，普通道床与上部钢轨通过扣件连接；在过渡地段和减振道床地段，所述基础支撑弹簧上为基底，基底与上部减振道床通过减振垫层弹簧连接，减振道床与钢轨通过扣件连接；
所述车辆单元包括车体，该车体可沿所述钢轨运动，从而模拟真实环境条件下地铁车辆从普通道床地段向减振道床地段的过渡仿真，实现对过渡地段各级长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数的设计、优化。
进一步地，所述扣件与基础支撑弹簧约束之间依次为普通道床地段、过渡地段以及减振道床地段；
所述普通道床地段与减振道床地段之间设有多级减振垫层弹簧构成过渡地段，而且从普通道床地段向减振道床地段，各级减振垫层弹簧的刚度逐步减小。
进一步地，所述过渡地段包括第一级减振垫层弹簧、第二级减振垫层弹簧以及第三极减振垫层弹簧，其中，所述第三极减振垫层弹簧的刚度大于第二级减振垫层弹簧的刚度，所述第二级减振垫层弹簧的刚度大于第一级减振垫层弹簧。
进一步地，所述减振道床地段设有减振地段减振垫层弹簧。
进一步地，所述车辆单元包括设于车体底部的构架，以及设于该构架底部，与所述钢轨接触的轮对。
进一步地，所述车体与构架之间设有二系悬挂，所述轮对与构架之间设有一系悬挂。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的方法,采用适于过渡地段动力分析的“车辆-轨道”耦合动力学系统，根据不同板下刚度过渡方式下计算得到的轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率，进行板下刚度过渡地段长度与刚度设置，使各指标满足要求，实现普通道床地段与减振道床地段刚度的平滑过渡，过渡效果好，设置效率高。
2.本发明的方法,在普通道床地段与减振道床地段之间设有多级减振垫层弹簧构成过渡地段，而且从普通道床地段向减振道床地段，各级减振垫层弹簧的刚度逐步减小，从而实现普通道床地段与减振道床地段刚度的平滑过渡，过渡效果好。
3.本发明的方法,车辆单元可沿钢轨运动，可模拟真实环境条件下地铁车辆从普通道床地段向减振道床地段的过渡仿真，从而实现对过渡地段各级长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数的设计、优化，从而最终确定过渡地段各级长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数。
4.本发明的方法,过渡地段设置后轮对位移能够平缓过渡，钢轨挠曲变化率都小于0.3mm/m，车体加速度和轮重衰减率都大幅减小。
5.本发明的方法,板下垫层面刚度在20MPa/m及以下时，后一级刚度为前一级的1.5倍，当垫层面刚度在20MPa/m以上时，后一级刚度为前一级的2～2.5倍。每一级过渡长度宜为1块道床板长度，最后一级过渡刚度不小于200MPa/m，实现了过渡地段参数初始设计。
6.本发明的方法,钢轨采用60kg/m钢轨欧拉梁模型，所述扣件采用弹簧，所述道床板和回填层采用混凝土板壳单元模拟，减振垫层和下部基础采用弹簧。
附图说明
图1为本发明地铁线路减振与非减振过渡地段的设计方法流程示意图；
图2为本发明采用的“车辆-轨道”耦合动力学系统示意图；
图3为本发明采用的减振与非减振过渡地段力学结构示意图；
图4为本发明采用的“车辆-轨道”耦合系统仿真模型图；
图5为本发明实施例中减振垫刚度为20MPa/m下过渡地段设置前后相关评价指标变化图；
图6为本发明实施例中减振垫刚度为30MPa/m下过渡地段设置前后相关评价指标变化图；
图7为本发明实施例中减振垫刚度为40MPa/m下过渡地段设置前后相关评价指标变化图；
图8为本发明实施例中减振垫刚度为50MPa/m下过渡地段设置前后相关评价指标变化图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-车体、2-二系悬挂、3-构架、4-一系悬挂、5-轮对、6-普通道床、7-基础支承弹簧、8-基础支承弹簧约束、9-钢轨、10-扣件、11-减振道床、12-减振垫层弹簧、13-基底、14-减振地段减振垫层弹簧、15-第一级减振垫层弹簧、16-第二级减振垫层弹簧、17-第三级减振垫层弹簧。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，采用适于过渡地段动力分析的“车辆-轨道”耦合动力学系统，根据不同板下刚度过渡方式下计算得到的轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率，进行板下刚度过渡地段长度与刚度设置，使各指标满足要求，具体而言包括如下步骤：
步骤1：根据减振地段减振垫刚度，初拟板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数；
步骤2：根据步骤1初拟的板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数，建立包含普通道床地段、过渡地段和减振道床地段的“车辆-轨道”耦合动力学系统；
步骤3：对无外加不平顺下车辆经过普通道床地段、过渡地段和减振道床地段的“车辆-轨道”系统动力响应进行计算，分析轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率等评价指标；
步骤4：根据步骤3中评价指标的分析结果，微调板下刚度过渡地段各级的刚度、长度，重新进行计算，直到轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率等评价指标满足要求为止；
步骤5：确定过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数。
如图2所示为本发明实施例中的“车辆-轨道”耦合动力学系统示意图。该动力学系统包括基础支撑弹簧约束8、设于该基础支撑弹簧约束8上的基础支撑弹簧7、以及与该基础支撑弹簧约束8对称设置的钢轨9，所述钢轨9通过扣件10与基础支撑弹簧7和基础支撑弹簧约束8实现连接。在扣件10与基础支撑弹簧约束8之间依次为普通道床地段、过渡地段以及减振道床地段，其中，普通道床地段包括设于扣件10与基础支撑弹簧7之间的普通道床6，减振道床地段包括设于扣件10底部的减振道床11、设于减振道床11底部的基层13，以及设于减振道床11和基层13之间的减振垫层弹簧12。如图3所示，在普通道床地段与减振道床地段之间设有多级减振垫层弹簧构成过渡地段，而且从普通道床地段向减振道床地段，各级减振垫层弹簧的刚度逐步减小，从而实现普通道床地段与减振道床地段刚度的平滑过渡，过渡效果好。如图3所示仅示意了三级减振垫层弹簧，分别为第一级减振垫层弹簧15、第二级减振垫层弹簧16以及第三极减振垫层弹簧17，其中，第三极减振垫层弹簧17的刚度大于第二级减振垫层弹簧16的刚度，第二级减振垫层弹簧16的刚度大于第一级减振垫层弹簧15，减振道床地段设有减振地段减振垫层弹簧14。
此外，如图2所示，该模型还包括设于钢轨9上的车辆单元，该车辆体系包括车体1、设于车体1底部的构架3，以及设于该构架3底部，与所述钢轨9接触的轮对5，所述车体与构架3之间设有二系悬挂2，在轮对5余构架3之间设有一系悬挂4。如图4所示，该车辆单元可沿钢轨9运动，可模拟真实环境条件下地铁车辆从普通道床地段向减振道床地段的过渡仿真，从而实现对过渡地段各级长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数的设计、优化，从而最终确定过渡地段各级长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数。
结合附图及减振垫层刚度分别为20、30、40和50MPa/m时过渡地段设置的具体实施方式对本发明进行详细说明。具体而言，步骤1：减振地段与普通道床地段间应采用分级过渡的方式按照如下原则初拟过渡地段参数：板下垫层面刚度在20MPa/m及以下时，后一级刚度为前一级的1.5倍，当垫层面刚度在20MPa/m以上时，后一级刚度为前一级的2～2.5倍。每一级过渡长度宜为1块道床板长度，最后一级过渡刚度不小于200MPa/m，初拟的过渡地段参数见表1。
表1初拟的过渡地段参数
步骤2：建立“车辆-轨道”耦合动力学系统包括车辆和轨道两部分，车辆主要包括车体1、构架3、轮对5以及一系悬挂4和二系悬挂2，轨道包括钢轨9、扣件10、道床板、减振垫层、回填层和下部基础，所述钢轨9采用60kg/m钢轨欧拉梁模型，所述扣件10采用弹簧，所述道床板和回填层采用混凝土板壳单元模拟，减振垫层和下部基础采用弹簧。
车辆采用多刚体模型，相关参数见表2。轮对3保留垂向与纵向平动自由度和绕X轴的转动自由度，车体与构架保留垂向与纵向平动自由度和绕X轴与Z轴的转动自由度。
表3车辆模型参数
| 车辆参数 | 单位 | 符号 | 参数值 |
| 车体质量 | kg | M<sub>c</sub> | 50878 |
| 构架质量 | kg | M<sub>t</sub> | 2721 |
| 轮对质量 | kg | M<sub>w</sub> | 1900 |
| 车体惯量 | kg·m<sup>2</sup> | J<sub>c</sub> | 2.446×10<sup>6</sup> |
| 构架惯量 | kg·m<sup>2</sup> | J<sub>t</sub> | 3605 |
| 一系悬挂刚度 | N/m | K<sub>s1</sub> | 2.14×10<sup>6</sup> |
| 二系悬挂刚度 | N/m | K<sub>s2</sub> | 2.5×10<sup>6</sup> |
| 一系悬挂阻尼 | N·s/m | C<sub>s1</sub> | 4.9×10<sup>4</sup> |
| 二系悬挂阻尼 | N·s/m | C<sub>s2</sub> | 1.96×10<sup>5</sup> |
| 车辆定矩之半 | m | l<sub>c</sub> | 7.85 |
| 固定轴距之半 | m | l<sub>t</sub> | 1.25 |
| 车轮半径 | m | R | 0.42 |
钢轨两端节点约束平动与转动自由度，其他节点约束纵向、横向平动位移与绕X轴和Y轴的转动位移。道床板与基底约束纵向、横向平动位移与绕Y轴的转动位移；支承刚度弹簧底部完全固定，轨道相关参数见表3。
表3轨道相关参数
步骤3：利用上述车辆-轨道耦合模型，对无外加不平顺下车辆经过非减振地段、过渡地段和减振地段的“车辆-轨道”系统动力响应进行计算，分析轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率等评价指标。
步骤4：根据步骤3中相关评价指标的分析结果，微调过渡地段各级板下垫层的刚度，重新进行计算，直到各评价指标满足要求。在减振地段减振垫刚度分别为20、30、40和50MPa/m时，得到的相关评价指标如图5～8所示，从中可以看出过渡地段设置后轮对位移能够平缓过渡，钢轨挠曲变化率都小于0.3mm/m，车体加速度和轮重衰减率都大幅减小。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据减振地段减振垫刚度，初拟板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数；
S2：根据S1初拟的板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数，分析轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率之类的评价指标；
S3：根据S2中评价指标的分析结果，微调板下刚度过渡地段各级的刚度、长度，重新进行计算，直到轮对位移、钢轨挠曲变化率、车体加速度以及轮重减载率之类的评价指标满足要求为止；
S4：确定过渡地段的长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数。
2.根据权利要求1所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，步骤S1中初拟板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数，具体包括如下步骤：
S11：任意一级过渡地段减振垫刚度小于等于20MPa/m，后一级过渡地段减振垫的刚度为前一级过渡刚度的1.5倍；
S12：任意一级过渡地段减振垫刚度大于20MPa/m，后一级过渡地段减振垫的刚度为前一级过渡刚度的2～2.5倍。
3.根据权利要求2所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，每一级过渡长度宜为1块道床板长度，最后一级过渡刚度大于等于200MPa/m。
4.根据权利要求1或2所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，步骤S1中，初拟板下刚度过渡地段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数为：
5.根据权利要求1所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，步骤S2中，分析评价指标还包括建立包含普通道床地段、过渡地段和减振道床地段的“车辆-轨道”耦合动力学系统的步骤，所述“车辆-轨道”耦合动力学系统包括轨道单元和车辆单元；其中，
所述轨道单元沿线路纵向分为普通道床地段、过渡地段和减振道床地段，该轨道单元包括基础支撑弹簧约束(8)、设于该基础支撑弹簧约束(8)上的基础支撑弹簧(7)，在普通道床地段，基础支承弹簧上为普通道床(6)，普通道床与上部钢轨(9)通过扣件(10)连接；在过渡地段和减振道床地段，所述基础支撑弹簧(7)上为基底(13)，基底(13)与上部减振道床(11)通过减振垫层弹簧(12)连接，减振道床(11)与钢轨(9)通过扣件(10)连接；
所述车辆单元包括车体(1)，该车体(1)可沿所述钢轨(9)运动，从而模拟真实环境条件下地铁车辆从普通道床地段向减振道床地段的过渡仿真，实现对过渡地段各级长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数的设计、优化。
6.根据权利要求5所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，所述普通道床地段与减振道床地段之间设有多级减振垫层弹簧构成过渡地段，而且从普通道床地段向减振道床地段，各级减振垫层弹簧的刚度逐步减小。
7.根据权利要求6所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，所述过渡地段包括第一级减振垫层弹簧(15)、第二级减振垫层弹簧(16)以及第三极减振垫层弹簧(17)，其中，所述第三极减振垫层弹簧(17)的刚度大于第二级减振垫层弹簧(16)的刚度，所述第二级减振垫层弹簧(16)的刚度大于第一级减振垫层弹簧(15)。
8.根据权利要求6所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，所述减振道床地段设有减振地段减振垫层弹簧(14)。
9.根据权利要求5所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，所述车辆单元包括设于车体(1)底部的构架(3)，以及设于该构架(3)底部，与所述钢轨(9)接触的轮对(5)。
10.根据权利要求9所述的一种地铁线路减振与非减振过渡地段的板下刚度过渡设置方法，其特征在于，所述车体(1)与构架(3)之间设有二系悬挂(2)，所述轮对(5)与构架(3)之间设有一系悬挂(4)。
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