隔振技术在轨道交通中的应用

隔振技术在轨道交通道床隔振中的应用西南交大轨道教研室报告人：赵才友报告提纲隔振基本原理及效果评价指标一五二三无砟轨道减振垫隔振性能研究有砟轨道道砟垫的隔振性能研究五四浮置板轨道隔振性能研究关于轨道隔振现存一些问题的探讨一、隔振基本原理及效果评价指标kF01.1隔振基本原理单自由度振动系统是最简单的振动系统，但它却包含了隔振设计的基本原理和本质。以下就以单自由度隔振系统为例，简要说明隔振原理。如图1所示为无阻尼单自由度隔振系统，假设设备的质量为m，隔振系统的刚度为k，系统受到的干扰为,传递力为,则此时振隔系统的固有频率为，不计系统的阻尼时，系统的运动方程为,上式稳态解的数学表达式为：0jtFFe102kmf0..jtmxkxFe02011FjtKxe0F000ztjoezFkxp21120011zFpT1z图1.1无阻尼单自由度隔振系统()Pt式中表示干扰力时系统的变形量，也叫静位移。为简便计，通常定义参数，z称为归一化的频率。通过隔振系统传递给地基的干扰力为:，振动传递系数为：，我们可以发现，当，即，振动系统的隔振系数将无穷大，这不是我们所希望的，当隔振系统存在阻尼时就不会出现这种情形。如图2所示，在考虑系统阻尼时，隔振系统的运动系统方程为：式中C为阻尼系数，引入临界阻尼系数和阻尼比，则上式的解可以方便的表示为式中，，是传递的干扰相对外力的相位差。有阻尼时，阻尼元件也传递振动，传递力为，通过传振系统的干扰力为，在稳定情况下，传递干扰力的幅度为：，振动传递系数为：对比发现，有阻尼时，隔振系统的传递系数的表达式要复杂得多。当系统出现系统的振动传递系数将不再为无穷大，此时的传递系数由系统的阻尼决定。022mmkCCc/)(2220)2()1(1tjezzkFx2112tanzz)()2()1(/)()(2220tjtjcejkezzkFkxxcP&)()2()1(/2222200ckzzkFp2222)2()1()2(1zzzT0图1.2有阻尼单自由度隔振系统...0jtmxcxkxFe.cx.Pcxkx★：实际振动系统通常有多个自由度，刚性机械系统最多可以具有六个自由度。对于具体研究对象，我们不一定关心全部六个自由度的振动，可能在其中几个自由度上的激扰为零，或者其中某几个自由度不是主要研究对象，可以不予考虑。对具有多个自由度的振动系统，在隔振设计时，可以在避免各自由度相互耦合的前提下，分别考虑各自由度振动的隔离。一、隔振基本原理及效果评价指标一、隔振基本原理及效果评价指标1.2隔振效果的评价描述和评价隔振效果的物理量很多如：振级落差、插入损失、振动传递率等。振级落差就是被隔离体振动响应的有效值与对应的基础响应的有效值之比的常用对数的20倍，而插入损失就是采取隔离措施前后基础响应的有效值之比的常用对数的20倍。最最常用的是振动传递系数T，定义为指通过隔振元件传递的力与扰动力之间的比值，或传递的位移与扰动之间的比值。即：使用时根据具体情况选用。T越小，说明通过隔振元件传递的振动越小，隔振效果也越好。如果T=1，则表明干扰全部被传递，没有隔振效果，在地基与设备之间不采取隔振措施就是这类情形；如果地基与设备之间采用了隔振装置，使得T1，则说明扰动只被部分传递，起到了一定的隔振效果；如果隔振系统设计失败，也可能出现T1的情形，这时振动被放大了。在工程设计和分析时，通常采用理论计算传递系数的方法来分析系统的隔振效果，有时也采用隔振效率来描述隔振系统的性能，隔振效率的定义为：★：考虑到城市区域环境振动标准与我国城市轨道交通环境振动相关标准的一致性及测试条件等因素，亦采用VLZ,10或VLZ,max作为评价量。VLZ,10是按GB/T13441规定的Z向计权因子修正后的振动加速度级，VLZ,10表示在规定时间内，有10%时间的Z振级超过某一VLZ值；VLZ,max值实在规定时间内Z振级的最大值。一、隔振基本原理及效果评价指标201.3隔振性能的分析在隔振系统效果评价中，我们常用前面定义的振动隔离系数T来表征隔振系统的隔振效果。传递系数T值越小，则相同激励条件下通过隔振系统传递过去的力就越小，隔振效果也就越好。隔振设计的目的就是选择并设计合适的隔振参数，使得T值较小。图3所示为振动传递系数T与f/f0，c/Cc的关系曲线。振动传递系数T与f/f0的关系主要表现在：1）当f/f0＜1时，即干扰力的频率小于隔振系统的固有频率时，T≈1说明干扰力通过隔振装置全部传给了基础，即隔振系统不起隔振作用；2）f/f0=1时，即干扰力的频率等于隔振系统的固有频率时，T1说明隔振系统不但起不到隔振作用，反而对系统的振动有放大作用，甚至会产生共振现象。这当然是隔振设计时必须避免的；3）f/f01.414时，即干扰力的频率大于隔振系统的固有频率的1.414倍时，T1；f/f0越大，T越小，隔振效果越好。通常需要隔振的系统的特性是给定的，因此，要想得到好的隔振效果，在设计隔振系统时就必须充分考虑系统的固有振动特性，使其的整体振动频率比系统干扰频率小得多，从而得到好的隔振效果。一、隔振基本原理及效果评价指标201.3隔振性能的分析振动传递系数T与c/Cc的关系主要表现在：1）当f/f0＜1.414时，即隔振系统不起隔振作用甚至发生共振的区域，c/Cc越大，T越小，这表明在这段区域增大阻尼对控制振动是有利的。特别是在系统共振时，这种有利的作用更明显；2）当f/f01.414时，即隔振系统起隔振作用的区域，c/Cc越小，T越小，这表明在这段区域阻尼越小对控制振动越有利，也就是说此时阻尼对隔振是不利的。◆：以上分析表明：要取得比较好的隔振效果，首先必须保证f/f01.414，即设计比较低的隔振系统频率。如果系统干扰频率f比较低，系统设计时很难达到f/f01.414的要求，则必须通过增大隔振系统阻尼的方法以抑制系统的振动响应。此外，对于轨道结构的激励，由于不平顺的随机性，其干扰频率是变化的，在这个过程中必然会出现隔振系统频率与扰动频率一致的情形，为了避免系统共振，设计其隔振系统时就必须考虑采用一定的阻尼以限制共振区附近的振动。通常隔振器的阻尼比c/Cc在2~20%之间，钢制弹簧1%，纤维垫2~5%之间，合成橡胶20%。一、隔振基本原理及效果评价指标1.4隔振的分类（1）按照隔振目的分：通常将隔振分为主动隔振(积极隔振)和被动隔振（消极隔振）两类。如图1.4所示的隔振系统，就是主动隔振系统，其隔振的目的是为了降低设备的扰动对周围环境的影响，同时使设备自身的振动减小。而图1.5所示的隔振系统，就是被动隔振系统，其隔振的目的是为了减少地基的振动对设备的影响，使设备的振动小于地基的振动，达到保护设备的目的。图1.4轨道结构主动隔振图1.5建筑物基础安装减振支座一、隔振基本原理及效果评价指标1.4隔振的分类（2）按照隔振器有源与否分：隔振分为被动隔振、主动隔振和半主动隔振。被动隔振是在振源与系统之间加入弹性元件、阻尼元件甚至惯性元件以及它们的组合所构成的子系统。主动隔振也叫有源隔振，一般是在被动隔振的基础上，并联或串联一个能产生满足要求的力作动器，或者用力作动器代替被动隔振装置的部分或全部元件，通过适当的动态主动力来达到隔振的目的，这种隔振装置需要系统中有能源装置提供能量支持隔振装置工作。半主动隔振与被动隔振的差别在于使用过程中，它可以改变隔振设备的阻尼特性，所以，半主动隔振设备又称为可控制的被动隔振系统，隔振效果优于被动隔振。像主动隔振系统一样，半主动隔振系统的传感器装置得到结构响应及激励的信息，并反馈给最优控制算法装置，然后发出适当的指令给半主动设备，以改变隔振设备的特性，但与主动隔振系统不同的是，半主动隔振系统提供的控制力受到隔振设备的制约，有时它并不能提供按最优控制算法得到的力，所以，它的控制效果次于最优主动控制。然而，由于半主动隔振所需要的外部能量比主动控制少得多，且半主动隔振系统不给结构施加机械能量，隔振的稳定性得到保障，是一种失效一安全性的隔振方法。图1.6被动隔振图1.7主动隔振图1.8半主动隔振二、无砟轨道减振垫隔振性能研究2.1试验简介新建成都至都江堰铁路，是一条主要服务并优先满足城市公共交通需要的铁路。成灌快速铁路正线轨道按无砟轨道结构标准设计，全线采用60kg/m钢轨，一次性铺设无缝线路。成都至都江堰铁路起于成都北站，在铁路西环线安靖（郫县）站向西引出后，沿国道317线成灌公路走向延伸，止于都江堰市青城山镇。成灌快速铁路的运营将体现快速、高密、公交化的城市公共交通运行需要，最高设计速度为200公里/小时（中心城区至郫县段120公里/小时）的国产CRH2-1型电力动车组，从中心城区上车到抵达青城山脚，耗时不超过30分钟，已于2010年5月建成通车。为了减轻对环境振动的影响，在无砟轨道结构设计中，于下行线红光车站郫县出站端铺设了200m浙江天铁实业有限公司和德国卡棱贝格公司合作生产的橡胶减振垫，为了科学评价在无砟轨道中应用橡胶减振垫对铁路行车条件下轨道结构动态响应及环境振动的影响，拟进行铺设减振垫与未铺设减振垫地段的轨道结构动态响应和环境振动的对比测试。2.1.1试验段选择结合试验目的和要求，拟在铺设橡胶减振垫地段和未铺设减振垫地段各选择一段作为对比试验段，试验段除铺设或未铺设橡胶减振垫区别之外，其它线路条件应尽可能相同或接近。2.1.2测试内容及测点布置本次测试分轨道结构和桥梁及环境振动测试两大部分。其中，轨道结构动态测试主要包括钢轨垂向加速度、轨道板垂向加速度、混凝土底座垂向加速度，现场布置轨道振动传感器如图2.3所示，采用LC0102，LC0108系列压电式加速度传感器；桥梁及环境振动测试主要包括：桥梁振动（加速度及振幅）、地面振动（速度及加速度），桥梁振动测点在梁跨中部和梁端分别布置，在距离桥梁中心线0m、15m、30m远的坚实地面位置共设3个测点，各测点应在垂直桥梁方向的同一直线上，如图2.4所示，均采用DH610拾振仪进行测定。有减振垫和无减振垫测段布置相同。二、无砟轨道减振垫隔振性能研究2.1橡胶减振垫2.2铺设了减振垫的无砟轨道2.3轨道、桥梁拾振点2.4大地拾振点减振垫为天然橡胶材料，如图2.1所示，其静刚度为1.5kN/mm，抗拉强度为2.0MPa，吸水率为1.5%，扯断伸长率为250%。铺设于成灌线DK10+650～DK10+850地段，厚为27mm，宽为900mm。铺设减振垫地段的轨道结构为钢轨-扣件-轨道板-CA砂浆-减振垫-混凝土底座板，如图2.2所示。测点与测点之间间距为15m。钢轨、轨道板、底座板和桥面板依次布置一个加速度拾振点。二、无砟轨道减振垫隔振性能研究2.2振动数据处理方法和环境振动评价国际标准ISO2631-1:1997和国家标准GB/T13441.1-2007均以人体全身振动作为评价标准，对振动特性、振动类型、频率范围、振动强度等进行了描述，给出了频率计权加速度计算公式。对于包含多种频率成分的复杂环境振动信号，采用如下公式计算加速度振级VL(dB)：VL=20log(aω/a0)（2-1）式中，a0为基准加速度，单位为a0=10-6m/s2；aω为频率计权加速度，单位为m/s2，根据GB/T13441.1-2007国标，由下式求得：221nriiiaac式中，为对应于该1/3频段的计权因子；为第i个1/3频段中心频率处的振动加速度有效值，可根据文献中给出的数值方法求得。icria二、无砟轨道减振垫隔振性能研究3.1轨道结构振动测试分析现场测试列车（动车组）通过时，试验段的轨道结构振动加速度最大值见表3.1。测试对象类别车速（km/h）车型最大加速度的平均值（m/s2）减振地段未减振地段钢轨120CRH14031359轨道板41.336.8底座板1.6311.78桥梁桥面板0.68