地铁线路减振与非减振过渡段的扣件刚度过渡设置方法与流程

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段的扣件刚度过渡设置方法。
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扣件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段多是通过调整道床板扣件刚度来实现，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，目前过渡段设置时，评价指标较为单一，设置的过渡段效果不佳，需要采用多个评价指标来指导过渡段的设置。技术实现要素：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段的扣件刚度过渡设置方法,采用适于过渡段动力分析的“车辆-轨道”耦合系统动力学系统，根据不同扣件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，进行扣件刚度过渡段长度与刚度设置，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段的扣件刚度过渡设置方法，包括如下步骤：S1：根据减振地段减振垫刚度，初拟扣件刚度过渡段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数；S2：根据S1初拟的扣件刚度过渡段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数，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，该“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及设于所述基础支撑弹簧上的钢轨，所述车辆单元包括车体，该车体可沿所述钢轨运动；S3：所述车辆单元经过所述轨道单元进行响应计算，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之类的评价指标；S4：根据S3中评价指标的分析结果，微调扣件刚度过渡段各级的刚度、长度，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；S5：确定扣件过渡段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数。进一步地，普通道床地段和过渡地段，所述基础支撑弹簧上设有普通道床，该普通道床与钢轨通过扣件连接；减振道床地段，所述基础支撑弹簧上为基底，基底与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。进一步地，所述普通道床地段与减振道床地段之间设有多级扣件弹簧，且从普通道床地段向减振道床地段，各级扣件弹簧的刚度逐步减小。进一步地，所述过渡地段包括四级减振垫层弹簧，分别为第一级扣件弹簧、第二级扣件弹簧、第三级扣件弹簧以及第四级扣件弹簧；其中，所述第四级扣件弹簧的刚度大于第三级扣件弹簧的刚度；所述第三级扣件弹簧的刚度大于第二级扣件弹簧的刚度；所述第二级扣件弹簧的刚度大于第一级扣件弹簧的刚度。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。进一步地，步骤S1中初拟扣件刚度过渡段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数，具体包括如下步骤：S11：所述减振垫层弹簧的刚度为20MPa/m、30MPa/m、40MPa/m或50MPa/m时，所述第一级扣件弹簧的刚度对应分别为10kN/mm、13kN/mm、17kN/mm和17kN/mm；S12：所述第二级扣件弹簧、第三级扣件弹簧以及第四级扣件弹簧的刚度分别为前一级过渡扣件弹簧刚度的1.3倍。进一步地，最后一级过渡扣件弹簧的刚度大于22kN/mm。进一步地，步骤S1中，初拟扣件刚度过渡段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度参数为：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,采用适于过渡段动力分析的“车辆-轨道”耦合系统动力学系统，根据不同扣件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，进行扣件刚度过渡段长度与刚度设置，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,扣件垫层面刚度在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的扣件过渡段的设置方法流程示意图；图2为本发明采用的“车辆-轨道”耦合系统动力学系统示意图；图3为本发明采用的减振与非减振过渡段力学结构示意图；图4为本发明实施例中减振垫刚度为20MPa/m下过渡段设置前后相关评价指标变化图；图5为本发明实施例中减振垫刚度为30MPa/m下过渡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40MPa/m下过渡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50MPa/m下过渡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-第一级扣件弹簧、15-第二级扣件弹簧、16-第三级扣件弹簧、17-第四级扣件弹簧。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。图1为本发明地铁线路减振与非减振的扣件过渡段的设置方法流程示意图；其采用适于过渡段动力分析的“车辆-轨道”耦合系统动力学系统，根据不同扣件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，进行扣件刚度过渡段长度与刚度设置，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，初拟扣件刚度过渡段长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数；步骤2：根据步骤1初拟的扣件刚度过渡段长度、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”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，微调扣件刚度过渡段各级的刚度、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：确定扣件过渡段长度、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扣件刚度应采用分级过渡的方式，按照如下原则初拟过渡段参数：减振垫层刚度为20、30、40和50MPa/m时，第一级过渡扣件刚度分别取为10、13、17和17kN/mm，后一级过渡扣件刚度为前一级过渡扣件刚度的1.3倍，每一级过渡都包含10组扣件，最后一级过渡扣件刚度需在22kN/mm以上，初拟的过渡段参数见表1。表1初拟的过渡段参数步骤2、建立“车辆-轨道”耦合动力学模型，如图2所示为本发明实施例中的“车辆-轨道”耦合系统动力学系统示意图。该动力学系统沿着轨道纵向分为普通道床地段、减振道床地段以及设于二者之间的过渡地段。其中，普通道床地段、减振道床地段以及过渡地段均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、以及沿轨道纵向设置的钢轨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。普通道床地段和过渡地段包括设于扣件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扣件弹簧构成过渡段，而且从普通道床地段向减振道床地段，各级扣件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。在本发明优选实施例中，如图3所示仅示意了四级减振垫层弹簧，分别为第一级扣件弹簧14、第二级扣件弹簧15、第三级扣件弹簧16以及第四级扣件弹簧17，其中，第四级扣件弹簧17的刚度大于第三级扣件弹簧16的刚度，第三级扣件弹簧16的刚度大于第二级扣件弹簧15，第二级扣件弹簧15的刚度大于第一级扣件弹簧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，从而最终确定过渡段各级长度、过渡级数以及每一级过渡刚度等参数。车辆采用多刚体模型，相关参数见表2。轮对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2车辆相关参数车辆参数单位符号参数值车体质量kgMc50878构架质量kgMt2721轮对质量kgMw1900车体惯量kg·m2Jc2.446×106构架惯量kg·m2Jt3605一系悬挂刚度N/mKs12.14×106二系悬挂刚度N/mKs22.5×106一系悬挂阻尼N·s/mCs14.9×104二系悬挂阻尼N·s/mCs21.96×105车辆定矩之半mlc7.85固定轴距之半mlt1.25车轮半径mR0.42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，微调过渡段各级扣件的刚度，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4～7所示，从中可以看出过渡段设置后轮对位移能够平缓过渡，钢轨挠曲变化率最大都在0.3mm/m附近，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。当前第1页1 2 3