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摘要：地铁9号道岔由于结构特点，振动大，病害多，限制了车辆的通过速度，制约了通过能力。针对这一问题，本文对铁9号无缝道岔的振动传递特性进行研究。本文建立了减振器9号道岔、弹性长岔枕9号道岔、弹性短岔枕9号道岔这三种不同枕下基础的道岔振动传递特性分析模型，计算分析了三种9号道岔在不同频率时的振动位移导纳，得出了9号道岔振动传递的一些规律，可为地铁道岔的减振研究及优化设计提供一定的理论依据。
关键词：地铁小号码道岔；谐振分析；位移导纳；振动传递特性
0引言
城市轨道交通以其快捷、舒适、高效等特点成为越来越多的大城市解决交通拥堵问题的首要选择。随着轨道交通客流的大幅度增加，提高线路本身的通过能力就成为了当务之急，而作为轨道交通折返线重要组成部分的道岔，则成为了提高通过能力的关键因素。对道岔进行无缝化是提高线路通过能力的主要措施之一，道岔钢轨无缝化后，提高了轨道的平顺性，减小了列车对道岔的振动影响。
本文根据地铁9号无缝道岔的受力特点，建立了减振器9号无缝道岔、弹性长岔枕9号无缝道岔以及弹性短岔枕9号无缝道岔这三种不同轨下基础的无缝道岔模型，计算分析了三种无缝道岔的垂向及横向振动传递特性，从而提出了道岔振动传递的一些规律。
1.模型的建立及参数的选取
1.1 无缝道岔模型的建立
对于所要研究的9号无缝道岔进行整体考虑，把一组无缝道岔前后一定范围内的轨道结构看作一个由钢轨、岔枕，通过扣件、辙跟（或跟端结构）联接起来的平面框架，框架结构被扣件阻力和道床阻力所约束。尖轨只考虑横向阻力，而没有纵向阻力，这样能够保证尖轨的自由伸缩。本文采用混凝土岔枕，60kg/m钢轨9号单开道岔。依据上述要求建立减振器9号无缝道岔，弹性长岔枕9号无缝道岔以及弹性短岔枕9号无缝道岔有限元分析模型。
1.2 计算参数的选取
1）钢轨：本文根据地铁道岔使用钢轨情况，采用60kg/m钢轨，钢轨的主要计算参数有：横截面面积77.45cm2，钢轨密度7800kg/m3，垂向惯性矩3217cm4，垂向横向惯性矩？？cm4，弹性模量2.1×105MPa，泊松比0.3，热膨胀系数1.18×10-5m.m/ 。
2）岔枕：岔枕均为混凝土岔枕，弹性模量1.5×1010 N/m2，泊松比0.2，密度2800kg/m3。岔枕型式：岔枕截面顶宽260mm，底宽300mm，高220mm。
3）扣件及道床阻力：见表1。
表1无缝道岔扣件及道床阻力计算参数
Table1 Calculation parameters of fastener and ballast with seamless turnout
2.垂向振动特性分析
应用上节建立的有限元模型，在道岔钢轨上施加垂向简谐荷载并对模型进行谐响应分析，研究道岔钢轨在不同频率时的垂向振动特性。在此基础上，比较三种不同轨下基础的9号无缝道岔垂向振动传递特性。钢轨的垂向振动位移导纳见图1。
图1 钢轨垂向振动导纳
Fig.1 Receptance of rail vertical vibration
由图1可知，当三种不同轨下基础9号道岔的轨下刚度一致时，既扣件垂向刚度均为70kN/m，三种不同轨下基础9号道岔的垂向振动传递特性有如下结果。
在频率小于83Hz频段范围内，弹性长岔枕9号道岔钢轨的垂向振动最大，其次为弹性短岔枕9号道岔，钢轨垂向振动最小的为减振器9号道岔。
在83Hz~125Hz频段范围内，弹性短岔枕9号道岔钢轨的垂向振动大于弹性长岔枕9号道岔，减振器9号道岔钢轨的垂向振动依然为最小。在这一频段，弹性长岔枕9号道岔与弹性短岔枕9号道岔均出现了第一共振峰值，且弹性短岔枕的频率大于弹性长岔枕。由于没有岔枕的影响，减振器9号道岔无第一共振峰值。
在125Hz~157Hz频段范围内，弹性短岔枕9号道岔钢轨的垂向振动依然为最大，其次为减振器9号道岔，弹性长岔枕9号道岔钢轨的垂向振动则为最小。
在157Hz~170Hz频段范围内，减振器9号道岔的垂向振动最大，其次为弹性短岔枕9号道岔，弹性长岔枕9号道岔的垂向振动则为最小。
在170Hz~285Hz频段范围内，钢轨垂向振动由大到小依次为：减振器9号道岔，弹性长岔枕9号道岔，弹性短岔枕9号道岔。三者钢轨的垂向共振频率均为215Hz。
在285Hz~400Hz频段范围内，减振器9号道岔与弹性短岔枕9号道岔钢轨的垂向振动几乎相同，弹性长岔枕9号道岔钢轨的垂向振动略小于二者。
在400Hz~1500Hz频段范围内，三种不同轨下基础形式道岔的垂向振动相同，发生钢轨垂向Pinned-Pinned的频率均为1085Hz。
综上所述，当轨下刚度一致时，在0Hz~125Hz频率区段，减振器9号无缝道岔钢轨的垂向振动最小。在125Hz~170Hz频率区段，弹性长岔枕9号无缝道岔钢轨的垂向振动最小。在170Hz~285Hz频率区段，弹性短岔枕9号无缝道岔钢轨的垂向振动最小。在285Hz~1500Hz频率区段，三种不同轨下基础9无缝号道岔钢轨的垂向振动接近。
3.横向振动特性分析
在道岔钢轨上施加横向简谐荷载并对模型进行谐响应分析，研究道岔钢轨在不同频率时的横向振动特性。在此基础上，比较三种不同轨下基础的9号无缝道岔横向振动传递特性。钢轨的横向振动位移导纳见图2。
图2 钢轨横向振动导纳
Fig.2 Receptance of rail lateral vibration
由图2可知，当三种不同轨下基础9号道岔的轨下横向刚度一致时，既扣件横向刚度均为60kN/m，三种不同轨下基础9号道岔的横向振动传递特性有如下结果。
在频率小于114Hz频段范围内，弹性长岔枕9号道岔的钢轨横向振动最大，其次为弹性短岔枕9号道岔，钢轨横向振动最小的为减振器9号道岔。
在114Hz~138Hz频段范围内，弹性短岔枕9号道岔的钢轨横向振动大于弹性长岔枕9号道岔，减振器9号道岔的钢轨横向振动依然为最小。弹性长岔枕9号道岔在这一频段出现了第一个共振峰值。
在138Hz~166Hz频段范围内，弹性短岔枕9号道岔钢轨的横向振动位移依然为最大，其次为无枕减振器9号道岔，弹性长岔枕9号道岔的钢轨横向振动位移则为最小的。弹性短岔枕9号道岔在这一频段出现了第一个共振峰值。
在166Hz~185Hz频段范围内，无枕减振器9号道岔的钢轨横向振动位移逐渐成为最大，其次为弹性短岔枕9号道岔，弹性长岔枕9号道岔的钢轨横向振动位移则为最小的。
在185Hz~350Hz频段范围内，钢轨横向振动从大到小依次为：减振器9号道岔，弹性长岔枕9号道岔，弹性短岔枕9号道岔。且在185Hz~205Hz频段范围弹性长岔枕9号道岔与弹性短岔枕9号道岔钢轨的振动几乎相同。三种道岔钢轨的横向共振频率均为196Hz。
在350Hz~1500Hz频段范围内，三种不同轨下基础形式道岔钢轨的横向振动相同，发生钢轨横向一阶、二阶、三阶、四阶Pinned-Pinned振动的频率均依次为475Hz、605Hz、765Hz、1160Hz。
综上所述，当轨下横向刚度一致时，在0Hz~138Hz频率区段，减振器9号无缝道岔钢轨的横向振动最小。在138Hz~185Hz频率区段，弹性长岔枕9号无缝道岔钢轨的横向振动最小。在185Hz~350Hz频率区段，弹性长岔枕9号无缝道岔钢轨的横向振动最小。在350Hz~1500Hz频率区段，三种不同轨下基础9号无缝道岔钢轨的横向振动接近。
4.结束语
针对三种不同轨下基础的9号无缝道岔的垂向振动传递特性对比分析可知，三种不同轨下基础道岔的垂向振动应区分不同频段范围进行考虑，在不同的频段，其振动大小是有区别的。同样的，钢轨的横向传递特性也应区别不同频段考虑。
参考文献：
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论文作者:孙成
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/23
标签：道岔论文; 钢轨论文; 弹性论文; 横向论文; 频段论文; 范围内论文; 三种论文; 《基层建设》2017年第23期论文;