CN110904744B - 一种改良钢轨的吸振系统及改良吸振性能的方法 - Google Patents

一种改良钢轨的吸振系统及改良吸振性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改良的钢轨吸振系统及改良吸振性能的方法，其中，所述系统包括钢轨以及在钢轨设置的多个扣件，其特征在于：在扣件之间的钢轨上设置有共振单元，各相邻共振单元之间的间距失谐。本发明的吸振系统及方法通过引入间距失谐，使共振单元随机失谐排列的这种钢轨动力共振单元的布置方式较传统的周期性布置动力共振单元的方式吸振效果更好。

Description

一种改良钢轨的吸振系统及改良吸振性能的方法
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，尤其是轨道振动领域，具体涉及一种改良钢轨吸振系统及改良吸振性能的方法。
背景技术
轮轨相互作用产生的振动一直是轨道工程领域迫切需要解决的问题之一。轨道振动的传播主要有两个方向:一是较低频率的振动能量沿垂向由扣件、道床、路基或者是桥梁、桥墩、桩基再或者是隧道壁等向环境土体传播，从而影响周围的建筑、厂房设备等设施;二是由于钢轨本身阻尼有限，较高频率的振动能量沿钢轨纵向传播。这些振动能量一方面会引发钢轨伤损如波磨等病害，另一方面会向钢轨周围辐射声波产生严重的噪声污染。钢轨波磨问题会严重影响轨道结构的使用寿命以及列车的行车安全；钢轨辐射噪声在约500-2000Hz的频段占主导，这正是在沿钢轨纵向传播的振动能量频率范围，剧烈的振动引起的噪声会严重污染环境，影响沿线居民的身心健康。
目前列车引起的环境振动问题，尤其是在地铁方面，越来越受到重视，现代铁路普遍采用降低轨下垫板刚度和采用刚度较低的轨下结构如隔振垫和浮置板等隔振措施来阻隔振动的垂向传播。但传统的钢轨动力共振单元在低频处的减振效果不理想，因此有学者基于周期结构振动带隙理论（弹性波在周期结构中传播时会形成弹性波带隙，带隙中的波迅速衰减以致无法传播），由于轨道结构本身可以看成是沿着钢轨纵向的周期性结构，其本身具有带隙特性，通过在钢轨上周期性附加质量-弹簧共振单元即动力共振单元的形式，用于调节钢轨的带隙特性，拓宽带隙宽度，实现更宽频的减振，但这种方式仅能通过调节带隙的宽度实现更宽频的减振，在实际工程中的减振效果并不理想，因此需要提出一种更好的钢轨动力共振单元的方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种解决上述问题的钢轨吸振系统及方法。具体而言本发明提供一种改良的钢轨吸振系统，其中，所述系统包括钢轨以及在钢轨设置的多个扣件，其特征在于：在扣件之间的钢轨上设置有共振单元，各相邻共振单元之间的间距随机失谐。
进一步地，其特征在于：所述各相邻共振单元的间距在扣件间距基础上随机偏差一定距离，所述偏差的距离在一预定失谐范围内。
进一步地，其特征在于：不同的扣件间距对应的失谐度见下表:
扣件间距 失谐度
0.6m 32%
0.61m 27%
0.615m 19%
0.625m 20%
0.63m 16%
不同的扣件间距对应的预定失谐范围为
Figure 434164DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 528896DEST_PATH_IMAGE002
表示失 谐范围，
Figure 959878DEST_PATH_IMAGE003
表示扣件间距，
Figure 791567DEST_PATH_IMAGE004
表示共振单元的宽度，
Figure 968602DEST_PATH_IMAGE005
表示失谐度；其中，失谐度可通过遗传算 法结合有限元COMSOL软件计算出。
进一步地，其特征在于：每个共振单元最佳的失谐量取值约为：
Figure 125914DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 778612DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 23780DEST_PATH_IMAGE008
分别表示允许失谐范围的最大值与最小值，即左 右两个区间值。
本发明还提供一种改良钢轨吸振系统性能的方法，其特征在于：所述方法包括：
1）安装钢轨动力共振单元之前，测出钢轨相邻两扣件中心之间的距离；
2）根据测出的扣件间距，在下表中找到对应的失谐度，
扣件间距 失谐度
0.6m 32%
0.61m 27%
0.615m 19%
0.625m 20%
0.63m 16%
然后利用式
Figure 445534DEST_PATH_IMAGE009
确定失谐范围，其中，表示
Figure 508168DEST_PATH_IMAGE010
允许的失谐范围，
Figure 382583DEST_PATH_IMAGE011
表示扣件间距，
Figure 697021DEST_PATH_IMAGE012
表示共振单元的宽度，
Figure 973281DEST_PATH_IMAGE013
表示失谐度；
3）然后根据需要确定需要安装动力共振单元钢轨的长度，确定共振单元的安装个数，从最佳失谐范围内随机选取一组失谐量。
4）相邻扣件之间的钢轨跨中位置为安装标准参考位置，然后根据选取的失谐量，进行左右平移，负值往左，正值往右，从而确定动力共振单元的安装位置，一一对应安装。
进一步地，其特征在于：所述每个共振单元最佳的间距偏差量取值约为：
Figure 472396DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 208008DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 591716DEST_PATH_IMAGE016
分别表示允许偏差范围的最大值与最小值，即左右两个区间值。
进一步地，其特征在于：所述每个共振单元的间距偏差量在所述失谐范围内随机选择。
本发明的优点：
本发明的吸振系统及方法通过引入间距失谐，使共振单元随机失谐排列的这种钢轨动力共振单元的布置方式较传统的周期性布置动力共振单元的方式吸振效果更好。
附图说明
图1轨道结构简化模型及动力共振单元布置；
图2是本发明各共振单元之间的间距随机示意图；
图3是周期性附加动力共振单元钢轨有限元模型；
图4是间距随机失谐附加动力共振单元钢轨有限元模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提出一种改良钢轨共振单元吸振性能的方法，轨道结构可看成沿着钢轨纵向的一维周期结构，在实际工程中，整体道床具有结构简单，施工方便等优点，对于整体道床轨道，道床由混凝土整体浇筑而成，下部结构刚度较大，故可不考虑轨道板等下部结构的影响，因此假设下部为刚性基础，轨道结构简化为图1所示的无限长单层弹性点支承梁模型。
在传统的钢轨动力共振单元的设计中，通常将共振单元沿着钢轨等间距周期性布置，因此沿着钢轨纵向，钢轨与共振单元将会组成新的周期结构，由周期结构振动带隙理论可知，钢轨与共振单元发生共振将会产生带隙，从而利用带隙对弹性波进行衰减，这也是传统基于带隙原理设计钢轨动力共振单元的基本原理。且现有钢轨动力共振单元的研究都是基于完美周期结构的基础上展开的，即共振单元的布置按照等间距严格周期布置，但是由于施工安装存在误差，共振单元的布置不可能是严格按照等间距布置，必定会产生缺陷，此时周期结构将不能称之为完美周期，而是失谐周期结构，而允许失谐或产生缺陷的范围称之为失谐度，已有研究表明，失谐周期结构表现出的带隙特性在某种程度上要远优于完美周期结构，因此本发明改良钢轨共振单元吸振性能的方法中，采用引入了间距失谐，即各共振单元之间的间距随机。具体而言，如图2所示，扣件之间的距离为d（d1，d2……），对于无砟轨道结构而言，d的范围可在0.6-0.63m之间选择。质量-弹簧共振单元一般布置在相邻扣件之间钢轨跨中位置。本发明改良钢轨共振单元吸振性能的方法中，各共振单元之间的间距由失谐度控制，允许的失谐范围（就是相对于预定间距的偏差范围）可表示为：
Figure 988062DEST_PATH_IMAGE017
（1.1）
其中，
Figure 392499DEST_PATH_IMAGE018
表示允许的失谐范围，
Figure 241506DEST_PATH_IMAGE019
表示扣件间距，
Figure 897747DEST_PATH_IMAGE020
表示共振单元的宽度，
Figure 148599DEST_PATH_IMAGE021
表示失 谐度。在允许的失谐范围内随机选取失谐值，进而通过左右平移的方式，对共振单元的位置 进行平移（往左为负，往右为正），从而将共振单元布置为间距随机失谐的一种形式。进一步 研究发现，失谐度
Figure 723937DEST_PATH_IMAGE022
对吸振性能的影响最大。
建立图3、4所示的包含五个共振单元的轨道结构分析模型，共振单元的宽度
Figure 935607DEST_PATH_IMAGE023
，通过式（1.1）计算可得允许的失谐范围
Figure 254593DEST_PATH_IMAGE024
，利用有限元软件 COMSOL进行反复优化计算发现，每个共振单元最佳的失谐量取值约为
Figure 625531DEST_PATH_IMAGE025
，其 中
Figure 745672DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 303692DEST_PATH_IMAGE027
分别表示允许失谐范围的最小值与最大值，即失谐范围的左右两个端值，在上 述范围以外的失谐量，会使得本发明所提出的钢轨动力共振单元的布置方式产生的吸振效 果不明显甚至会比传统的周期性布置动力共振单元方式得到的吸振效果更差。
更优先地，试验发现，多个共振单元的失谐量中左移、右移的数量不少于40%时，效果更好。更优选地，至少在左移和右移区间范围的端值附近选择失谐量。
在下述有限元的分析中共振单元的失谐量分别取-0.1m、-0.0995m、0.097m、0.1m、0.11m，即图4中从左往右吸振器单元之间的间距分别为d1=0.6255m、d2=0.8215m、d3=0.628m、d4=0.635m。图3周期性布置共振单元的轨道结构模型中，各共振单元间距保持一致，为0.625m。在钢轨左端加在单位简谐力，进行频率响应分析，并基于能量法从相对能量率的角度来计算弹性波在轨道结构中传播的能量，从而来评价共振单元的吸振性能，即定义频域的能量为：
Figure 426369DEST_PATH_IMAGE028
（1.2）
式中，
Figure 386234DEST_PATH_IMAGE029
为比例系数；
Figure 178741DEST_PATH_IMAGE030
为激励的频率范围；
Figure 755216DEST_PATH_IMAGE031
为响应点在激励频率为
Figure 416004DEST_PATH_IMAGE032
时的响 应幅值。
定义频域内的相对能量率为：
Figure 105743DEST_PATH_IMAGE033
(1.3)
式中，
Figure 459364DEST_PATH_IMAGE034
为激励截止频率，这里取2000Hz；
Figure 991976DEST_PATH_IMAGE035
为失谐梁在响应点在激励频率为
Figure 190876DEST_PATH_IMAGE036
时的响应幅值；
Figure 266280DEST_PATH_IMAGE037
为周期梁响应点在激励频率为
Figure 790802DEST_PATH_IMAGE038
时的响应幅值；
Figure 545132DEST_PATH_IMAGE039
为失谐梁比周期梁少 传播弹性波的相对能量率。
通过计算可得，，
Figure 187203DEST_PATH_IMAGE040
即施加激励后产生的弹性波经过失谐梁传播的能量要 比周期梁下降47.8％，能量大大减少。
其中，因为周期梁结构在确定频段内的能量是一个常数，可通过COMSOL软件直接计算得到，因此只需将失谐梁频域内的能量定义为适应度函数，基于遗传算法并结合有限元COMSOL软件计算给出各种扣件间距类型下的一个最佳失谐度。
遗传算法计算过程：
（1） 设定种群规模，编码染色体，产生初始种群。将初始种群规模设定为4，用5位二进制数编码染色体；
（2） 定义适应度函数。将适应度函数定义为
Figure 976168DEST_PATH_IMAGE041
，其中
Figure 406012DEST_PATH_IMAGE042
为激励的 频率范围；
Figure 54162DEST_PATH_IMAGE043
为响应点在激励频率为
Figure 860444DEST_PATH_IMAGE044
时的响应幅值。通过COMSOL有限元与Matlab联合仿 真的功能，利用COMSOL有限元程序直接计算在确定频率范围的幅值直接生成计算代码，加 载到matlab中，作为适应度函数的计算代码；
（3） 利用上述的代码分别计算第一代种群中的各个体的适应度，再计算第一代个体中的每个个体被选择的概率，利用赌轮选择法，并结合交叉算子，让第一代种群的染色体进行交叉运算，得到第二代种群，依次类推，直到适应度最低的个体（即五位二进制编码00001）出现为止，而这个适应度最低的个体对应的失谐度即最佳失谐度。
下面表1展示了各种类型扣件间距轨道结构类型对应减振效果最优的最佳失谐度
Figure 503915DEST_PATH_IMAGE045
表1
本发明改良钢轨吸振系统性能的方法，具体包括如下步骤：
（1） 测出扣件间距：
安装钢轨动力共振单元之前，利用卷尺或其它测量仪器，测出钢轨相邻两扣件中心之间的距离；
（2） 查找最佳失谐度
根据测出的扣件间距，在表1中找到对应的最佳失谐度，利用式（1.1）确定最佳失谐范围，然后根据需要确定需要安装动力共振单元钢轨的长度，确定动力共振单元的安装个数，从最佳失谐范围内随机选取一组失谐量。
（3） 安装共振单元
相邻扣件之间的钢轨跨中位置为安装标准参考位置，然后根据选取的失谐量，进行左右平移（负值往左，正值往右），从而确定动力共振单元的安装位置，一一对应安装即可。
下面将以0.625m间距的轨道结构为例，失谐度
Figure 370240DEST_PATH_IMAGE046
为20%，进一步证明本文所提方法 相较传统的周期性布置共振单元方法的优越性。
实施例1：
（1）利用卷尺对扣件间距进行测定，测得扣件间距为0.625m；
（2）从表1中找到扣件间距0.625m对应的最佳失谐度为20%，利用式（1.1）计算得到最佳失谐范围为-0.135m~0.135m；
（3）需要安装动力共振单元的钢轨段长度为6.25m，即需要安装10个动力共振单元，从最佳失谐范围内随机选取一组失谐量：-0.104m、-0.1m、-0.0995m、-0.0998m、-0.102m、0.0964m、0.097m、0.0991m、0.105m、0.11m, 相邻扣件之间的钢轨跨中位置为标准参考位置。
（4）根据选取的失谐量，进行左右平移，确定共振单元的安装位置，最后进行一一对应安装即可。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种改良的钢轨吸振系统，其中，所述系统包括钢轨以及在钢轨上设置的多个扣件，其特征在于：在扣件之间的钢轨上设置有共振单元，各相邻共振单元之间的间距随机失谐;
所述各相邻共振单元的间距在扣件间距基础上随机偏差一定距离，所述偏差的距离在一预定失谐范围内;
不同的扣件间距对应的最佳失谐度如下:
当扣件间距为0.6m时，最佳失谐度为32%；
当扣件间距为0.61m时，最佳失谐度为27%；
当扣件间距为0.615m时，最佳失谐度为19%；
当扣件间距为0.625m时，最佳失谐度为20%；
当扣件间距为0.63m时，最佳失谐度为16%；
不同的扣件间距对应的预定失谐范围为
Figure 344820DEST_PATH_IMAGE001
，其中，
Figure 727391DEST_PATH_IMAGE002
表示失谐范 围，
Figure 533673DEST_PATH_IMAGE003
表示扣件间距，
Figure 442723DEST_PATH_IMAGE004
表示共振单元的宽度，
Figure 682950DEST_PATH_IMAGE005
表示最佳失谐度；其中，最佳失谐度为将失谐 梁频域内的能量定义为适应度函数，通过遗传算法结合有限元COMSOL软件计算出；具体过 程如下：
1）设定种群规模，编码染色体，产生初始种群，将初始种群规模设定为4，用5位二进制数编码染色体；
2）定义适应度函数，将适应度函数定义为
Figure 677450DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 21844DEST_PATH_IMAGE007
为激励的频率范 围；
Figure 785401DEST_PATH_IMAGE008
为响应点在激励频率为
Figure 697993DEST_PATH_IMAGE009
时的响应幅值，通过COMSOL有限元与Matlab联合仿真的功 能，利用COMSOL有限元程序直接计算在确定频率范围的幅值直接生成计算代码，加载到 matlab中，作为适应度函数的计算代码；
3）利用上述的代码分别计算第一代种群中的各个体的适应度，再计算第一代个体中的每个个体被选择的概率，利用赌轮选择法，并结合交叉算子，让第一代种群的染色体进行交叉运算，得到第二代种群，依次类推，直到适应度最低的个体，即五位二进制编码00001出现为止，而这个适应度最低的个体对应的失谐度即最佳失谐度。
2.根据权利要求1所述的改良的钢轨吸振系统，其特征在于：每个共振单元最佳的失谐 量取值为：
Figure 179790DEST_PATH_IMAGE010
，
其中
Figure 327875DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 821304DEST_PATH_IMAGE012
分别表示允许失谐范围的最小值与最大值，即失谐范围左右两个端值。
3.一种改良钢轨吸振系统性能的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1）安装钢轨动力共振单元之前，测出钢轨相邻两扣件中心之间的距离；
2）根据测出的扣件间距，根据如下方式找到对应的最佳失谐度，
当扣件间距为0.6m时，最佳失谐度为32%；
当扣件间距为0.61m时，最佳失谐度为27%；
当扣件间距为0.615m时，最佳失谐度为19%；
当扣件间距为0.625m时，最佳失谐度为20%；
当扣件间距为0.63m时，最佳失谐度为16%；
然后利用式
Figure 29431DEST_PATH_IMAGE013
确定失谐范围，其中，
Figure 998524DEST_PATH_IMAGE014
表示允许的失谐范围，
Figure 560087DEST_PATH_IMAGE015
表 示扣件间距，
Figure 298236DEST_PATH_IMAGE016
表示共振单元的宽度，
Figure 411685DEST_PATH_IMAGE017
表示最佳失谐度；其中，最佳失谐度为将失谐梁频域 内的能量定义为适应度函数，通过遗传算法结合有限元COMSOL软件计算出；具体过程如下：
a.设定种群规模，编码染色体，产生初始种群，将初始种群规模设定为4，用5位二进制数编码染色体；
b.定义适应度函数，将适应度函数定义为
Figure 602495DEST_PATH_IMAGE018
，其中
Figure 731863DEST_PATH_IMAGE019
为激励的频率范 围；
Figure 324518DEST_PATH_IMAGE020
为响应点在激励频率为时的响应幅值，通过COMSOL有限元与Matlab联合仿真的功 能，利用COMSOL有限元程序直接计算在确定频率范围的幅值直接生成计算代码，加载到 matlab中，作为适应度函数的计算代码；
c.利用上述的代码分别计算第一代种群中的各个体的适应度，再计算第一代个体中的每个个体被选择的概率，利用赌轮选择法，并结合交叉算子，让第一代种群的染色体进行交叉运算，得到第二代种群，依次类推，直到适应度最低的个体，即五位二进制编码00001出现为止，而这个适应度最低的个体对应的失谐度即最佳失谐度;
3）然后根据需要确定需要安装动力共振单元钢轨的长度，确定共振单元的安装个数，从所述失谐范围内随机选取一组失谐量；
4）相邻扣件之间的钢轨跨中位置为安装标准参考位置，然后根据选取的失谐量，进行左右平移，负值往左，正值往右，从而确定动力共振单元的安装位置，一一对应安装; 所述每个共振单元的间距偏差量在所述失谐范围内随机选择。
4.根据权利要求3所述的一种改良钢轨吸振系统性能的方法，其特征在于：所述每个共 振单元最佳的间距偏差量取值为：
Figure 874448DEST_PATH_IMAGE021
，
其中
Figure 693500DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 987078DEST_PATH_IMAGE023
分别表示允许失谐范围的最小值与最大值，即失谐范围左右两个端值。
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