地铁轨道毕业论文08451.doc

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1、地铁轨道减震降噪原理与措施1、 基本原理 1）减小激振能级。减少车辆对轨道的运动力是重要的，而保持轨头平面的光滑又是减少轨道振能的根本条件。 2）减少因激振动力引起的振动级。为了减少轨道振动加速度级和振动速度级，增大作为振源对象的轨道个部件振动体得质量或抗弯刚性是控制轨道振动的关键。 3）减小传递力的振幅级。在轨道组成部件之间设置弹性支撑材料，以期减低轨道支承刚度，隔断减振的传递。2、轨道减振的基本措施 1）减振降噪型钢轨扣件的选择 钢轨扣件由扣压件、轨下垫层和联结螺栓组成。为了保持轨道结构的稳定性以及可维修养护性、减振等要求,钢轨扣件应具有一定的扣压力、必要的弹性和相应的可调能力。(1)WJ

2、 -2 型、DT 型及WJ -4 型扣件 WJ -2 型扣件(图1) 的调高量为40 mm , 轨距调整量为10 mm , 扣件节点刚度为4060 kN/m , 能满足一般地段的减振要求。扣件的绝缘电阻为108 。该型扣件已在上海的明珠线使用。但扣件调高以后的刚度匹配及增加扣件的减振降噪效果还需进一步研究。 上海地铁采用了DT 型扣件(图2) 。该扣件采用二级减振,在钢轨和铁垫板下都设绝缘橡胶板,扣件的弹性、减振效果较好,比北京地铁采用DTI 型扣件的振动水平减少510 dB 。 WJ-4 型扣件(图3) 是一种无挡肩的弹条扣件,轨下垫层调高量较小,轨面的调整主要是靠铁垫板下的垫层调整。此类扣

3、件的减振降噪效果类似于WJ -2 型。目前此类扣件尚在开发中。(2) Cologne -Egg 弹性扣件 Cologne -Egg 弹性扣件是在减振要求较高地段采用的轨道减振器扣件（如下图）。该扣件的承轨板与底座之间用减振橡胶硫化粘贴在一起,利用橡胶圈的剪切变形获得较低竖向刚度,较DTI 型扣件的振动传递减少1530 dB , 较DT 型扣件减少10 20 dB 。 此外在选择扣件时,应考虑轨道交通通过地区对减振降噪的要求。即根据不同的地区选择不同减振降噪效果的扣件系统,使其达到最佳效果。一般来说,减振降噪效果好的扣件系统,其成本相对较高。2） 无碴轨道结构的噪声特点与设计原则 有碴轨道的道碴

4、提供了很好的弹性,对减振降噪有利。但有碴轨道在列车荷载作用下会发生几何形位的变化,需进行经常性的养护。轨道交通线路如采用有碴轨道,在运营时间内对其进行养护维修几乎不可能,而夜间的养护维修作业在安全、质量和设备要求上提出了更为苛刻的要求; 此外,高架桥上采用道碴道床增加了桥梁的自重, 增加投资,且道床的清筛粉尘也对城市环境造成污染。因此,与有碴轨道相比,无碴轨道具有稳定性、平顺性、刚度均匀性好、维修工作量少、简洁易清洗等显著优点。日本、德国等国家已把它作为高速铁路和城市轨道交通的主要轨道结构型式加以发展和应用。3） 轨道减振器与弹性支承块或浮置板组合的应用 对于几十赫兹到几百赫兹频率范围的中、低

5、频振动, 应用轨道减振器、弹性支承块轨枕和浮置板可以得到比较好的减振降噪效果。弹性支承块和浮置板可以隔离振动向道床和路基的传递, 从而起到减振降噪的作用。而轨道减振器或高弹性钢轨扣件除了有隔振作用外, 还可以在一定频率范围内降低轮轨间动荷载。 随之而来的问题是, 在应用弹性支承块或浮置板的同时, 采用高弹性扣件或轨道减振器会不会降低它们原有的隔振性能？研究通过建立轨道结构的频域计算模型和车辆-轨道系统相对位移激励模型, 提出了评价轨道结构隔振效果的标准，仿真计算分析垫片/轨道减振器-弹性支承块/浮置板轨道结构的隔振性能, 以及相对位移激励下轮轨间动载荷和传递给基础的力。 结果表明,与垫片-弹性

6、支承块/浮置板轨道组合相比, 轨道减振器-弹性支承块/浮置板轨道组合可以在中频范围大大减少轮轨动态作用力, 并且在中、高频段具有更好的隔振性能。因此轨道减振器完全可以与弹性支承块和浮置板组合应用, 达到比较理想的减振、隔振和降噪效果。不足之处是，弹性支承块和浮置板轨道结构在低于系统固有频率约1.4 倍的频段没有隔振效果。下面介绍一种最常用的弹性支承块和浮置板组合(1)LVT 的结构 LVT 结构由弹性支承块、道床板和混凝土底座及配套扣件构成。弹性支承块由橡胶靴套包裹的钢筋混凝土支承块以及块下大橡胶垫板组成。橡胶靴套与块下大橡胶垫板与轨下垫板的弹性匹配目标是使得无碴轨道的总体刚度与传统有碴轨道的

7、刚度相接近。支承块承轨部分设轨底坡。由于调整钢轨高度的需要,扣件为弹性分开式,支承块与铁垫板的联结通过预埋绝缘套管及螺栓实现;道床板由就地灌注的填充混凝土和槽形板组成的道床将弹性支承块嵌固在其中。每78 个支承间距作为一个板长单元。道床表面设人字坡,以利排水。在隧道内,混凝土道床可直接与隧底仰拱填充混凝土联结。而在高架结构上,考虑列车制动和温度力等作用,加设了混凝土底座。为此,需解决底座与桥面的联结以及底座与道床的联结等问题。为了提供混凝土道床的可修复性,在底座表层设置隔离层。在曲线地段,外轨超高的设置是在混凝土底座内完成。高架桥上的弹性支承块式轨道结构见图如下：高架桥上LVT 结构图 LVT

8、 结构的垂向弹性由轨下和块下双层弹性橡胶垫板提供,最大程度地模拟了传统弹性点支承碎石道床的结构和受荷响应特性,并使得轨道纵向弹性点支承刚度趋于一致。通过双层弹性垫板刚度的合理选择,可使轨道的组合刚度接近有碴轨道的刚度。支承块外设橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形,使这种轨道结构在承载能力和振动能量吸收诸方面更接近坚实均匀基础上的碎石道床轨道,以适应低振动、低噪音的要求。双层弹性垫板的轨道振动特性可使轨道的几何形位在长时间内保持稳定。 LVT 的结构简单,施工相对容易。其支承块为钢筋混凝土结构,可在工厂预制,现场只需将钢轨、扣件、靴套及垫板的支承块加以组装,经准确定位后,就地灌注道床混凝土即可

9、成型。LVT 结构的缺点是中初期投资较大,且橡胶易老化,运营一定时间后必须更换。（补充： 美国Sonneville 公司的LVT 结构(橡胶靴套专套) 英吉利海底隧道的LVT 结构 )（2) 螺旋弹簧浮置板轨道 德国GERB 公司研制了螺旋弹簧的浮置板轨道,如下图所示。螺旋弹簧的浮置板轨道采用螺旋弹簧支承的浮置板道床,其固有频率很低,只有48 Hz , 因此该轨道结构的减振效果要比橡胶垫浮置板轨道好。螺旋弹簧几乎没有阻尼作用,但浮置板较重(每延米5 t 以上),列车通过时引起的浮置板的振动加速度较小。因此,浮置板支承阻尼作用对路基的影响较小。如要利用阻尼减小浮置板的振动,可安装与螺旋弹簧并联的

10、粘滞阻尼器,则浮置板的减振效果更好。采用螺旋弹簧的浮置板道床具有以下特点: 浮置板与隧道底板间只需极小的空隙(约10 mm) ; 浮置板的钢筋混凝土可以现场浇注; 借助简易工具便可抬起浮置板或调整浮置板高度; 从浮置板表面可随时更换弹簧; 从浮置板表面可随时检修或校正线路不平顺; 通过调整高速螺旋弹簧高度,可消除线路沉降引起的不平顺; 通过对弹簧表面特殊处理及弹簧强度储备,弹簧的使用寿命可很长; 没有橡胶老化问题; 浮置板可做得很长(40 m , 甚至60 m) ,减少联接,降低成本。（补充： 浮置板轨道结构示意图 浮置板有碴轨道结构 ）4）型轨道减振器的设计与应用 如果考虑到偶然出现却难以避

11、免的车辆过载工况,性能优越的纯剪型轨道减振器已不能满足其要求,赖以提供刚度的单层胶圈有可能在超载情况下因橡胶过度拉伸而失效。因此，必须设计出一种更加合理的减振器产品，型轨道减振器由此应运而生。通过理论分析，在承轨板底部增加一个平面并硫化一层胶垫的设计变得非常有用。结合剪切与压缩两类轨道减振器的优点,胶垫在载荷超过一定范围时提供剪切刚度以外的压缩刚度,二次刚度的应用既保护了减振器产品,又使得扣件系统在短时过载时仍能提供理想的弹性,不会显著降低减振降噪性能。 该减振器在胶料配方上以天然胶为主体,采用炭黑与白炭黑原位接枝改性技术,使得胶料的扯断伸长率与300%定伸大幅度提高,产品动、静刚度比降低,并

12、极大延长了产品的疲劳寿命。在产品的结构设计上应用有限元分析,采用ABAQUS软件,在获得初步设想的基础上通过计算对产品结构进行分析、评估与优化。分析橡胶的自由面形状、垂向静态刚度特性、横向静态刚度特性,使用ABAQUS软件的ABAQUS/Stand2ard通用模块,分析中描述橡胶材料的超弹本构模型为Van derWaals模型,描述承轨板、底座件所用的材料本构模型为线弹性模型。计算确定最佳型面。.最后进行试制后的产品(胶垫厚度9mm)在株洲时代新材料科技股份有限公司国家级检测中心产品检测室完成了静刚度、动静比试验及疲劳试验。型轨道减振器已大量用于北京地铁5号线高架线。5）铁高架桥上梯形轨枕减振

13、道床技术 梯形轨枕轨道是一种新型的低噪声、低振动的板式轨道系统。经过室内减振性能测试后， 其工程应用试验铺设研究设在北京地铁5 号线中铁一局集团标段高架桥左线K27+84.047K27+255.047，试验段铺设长度171 m。 梯形轨枕通过减振垫支撑在混凝土道床上，列车通过时，只有梯形轨枕下表面和两侧有减振垫和缓冲垫的接触面受力，车辆荷载通过减振垫传递给道床，形成一个质量弹簧隔振系统，从而缓冲或减轻列车运行产生的竖向和横向动能以及列车轮轨产生的振动，起到减振降噪的作用。 梯形轨枕减振道床具有重量轻、低振动、性价比高和维修方便等优点， 适用于减振要求为15 dB的地段。梯形轨枕减振道床在北京地

14、铁5 号线的顺利铺设、成功运营， 为其他工程的应用提供了施工经验。6）其它减振降噪方式 (1) Edilon 钢轨埋置式板式轨道结构 4 荷兰Edilon 公司研制了一种以纵向连续支承取代传统的分散点支承、增加了轨底支承系统应力水平的埋置式轨道结构。从1976 年开始,荷兰就铺设了埋置式轨道结构( Embedded Rail Structure , 简为ERS)。实践证明,由于这种轨道结构在钢轨周围使用了一种称为Edilon Corkelast 的材料, 取得了较好的隔声和隔振效果。该类型的轨道结构使用20 年来,养护维修工作量相当少。近几年, 在荷兰阿姆斯特丹至比利时边境修建了3 km 试验

15、段,效果良好。埋入式轨道结构(2)D 型可更换式弹性直结轨道 这种轨道结构大量应用于日本的高速铁路和地铁系统,使用历史已有20 多年。其特点是:可以不破坏周边混凝土而方便地进行轨枕下胶垫的更换及高低调整,并且可以根据用途来选择各胶垫的弹性。其轨枕下胶垫作为地层振动对策和噪声对策所采用的刚度是不同的,减振箱内各侧面的刚度要比枕下胶垫刚度大得多。D 型弹性直结轨道的振动水平可比普通板式轨道低1316 dB 。根据振动的1/ 3 倍频程的频谱分析图可知: 在500 Hz 以上时可望有30 dB 左右的减振效果,有利于降低向外传递的振动和噪声,缓解对轨道结构和桥梁结构的损害。(3) 减振降噪型钢轨 当

16、列车车轮滚过钢轨顶面时,由于钢轨腹板的厚度较薄,轨腰产生振动,这一振动向空气幅射而产生噪声。为了最大限度地减小钢轨腹板振动引起的噪声,在钢轨腹部粘贴了减振橡胶,如图12 所示。一般是在钢轨腹部粘上橡胶后再粘上一钢板, 以增加振动质量,起到衰减作用。要求使用高阻尼橡胶增大振动衰减作用,达到降噪目的。这一装置的关键之一是橡胶与钢轨、橡胶与铁板之间要有较好的粘结性。如果粘结界面脱开,则减振效果大大下降。 为了降低列车通过时轨道结构引起的噪声,荷兰在开发研究板式轨道时, 研制了轨头形状与UIC54 相似的SA42 型矮轨,并采用ERS 轨道结构技术,将钢轨用Edilon Corkelast 材料埋起来

17、,轨下基础也采用板式轨道。由于这种钢轨矮胖,车辆通过时引起钢轨腹板的振动频率较低,提高了轨道结构的减振降噪效果。据国外资料表明,这种轨道结构的降噪效果为5 dB。减振降噪钢轨3、国内外减振降噪技术应用情况国内外城市轨道交通减振降噪技术主要体现在降低扣件垫板刚度和采用低刚度的新型轨下结构,表1列出国内外城市轨道交通扣件的主要类型和应用情况。表1国内外城市轨道交通扣件类型及应用情况扣件类型结构特点垂向刚度/ ( kNmm - 1 )减振效果/dB应用情况WJ - 2型轨下采用复合小阻力垫板4060小于3上海地铁单趾弹簧扣件采用单趾弹条3040小于5广州地铁DTIII型双层橡胶垫板2030小于5上海

18、地铁DTIII2型双层橡胶垫板2030小于5上海地铁DT2型双层橡胶垫板2030小于5北京地铁Lord扣件硫化粘结型,利用橡胶压缩变形提供弹性152056上海地铁、美国、台北GT - 1型硫化粘结型,利用橡胶压缩变形提供弹性152558上海地铁ZG、ZB型采用双层铁垫板101256上海地铁轨道减振器利用橡胶剪切变形提供弹性10148上海地铁GJ - III扣件双层橡胶垫板1020小于10成都地铁、广州地铁Vanguard扣件支承钢轨头部,钢轨悬空5151015英国、广州地铁新型轨下结构主要有弹性支承块、弹性长枕轨道、浮置板式轨道、梯子型轨道等,其减振效果在10 30 dB不等,造价亦差别较大。