地铁轨道减振技术及应用

地铁轨道减振技术及应用

吉万辅

西安中铁轨道交通有限公司  陕西省西安市   710000

摘要：随着城市轨道车辆最大速度的不断提高和客流量的不断增加，列车也在向轻量化方向发展，这加剧了城市轨道车辆的振动。车体振动不仅影响城市轨道车辆的稳定性、安全性和乘坐舒适性，而且增加了城市轨道车辆的运营成本。本文着重分析了对列车行驶稳定性和乘坐舒适性有较大影响的振动原因，并对地铁轨道的主要减振技术进行了分析和总结，以期为城市轨道车辆车体减振的研究和工程实践提供参考。

关键词：地铁轨道；减振技术；应用

引言

在城市轨道交通系统中，车辆、轨道、地面和建筑子系统是产生环境振动和噪声的主要因素。地铁车辆运行过程中轮轨相互作用产生的动载荷通过岩土介质通过车辆、轨道、联轴器、轨枕、轨道床、隧道等基础结构传播到周围地面和建筑基础，引起周围环境和建筑物的振动，以及振动引起的结构的二次辐射噪声。影响了地铁周边居民的正常生活。因此，减振降噪问题综合受到轨道结构、车辆结构、运行速度、轮轨相互作用、交通密度与交通量、线路条件、隧道与桥梁结构、地质条件、建筑结构特征等因素的影响，是一个跨学科、系统性的问题。

1地铁轨道振动原因

1.1车体垂向振动原因

城市轨道车辆的垂直振动有两种。一种是垂直刚性振动，即全身振动而不变形。另一种是垂直弹性振动，即振动时车体的变形。引起车体垂直振动的主要原因有:钢轨间隙、道岔、钢轨表面缺陷和磨损引起的轨道不平整。由于车轮踏面损伤导致车轮不圆，特别是当车轮转动频率与车体垂直弹性振动频率一致时，垂直弹性振动会非常明显;轮对的纵向振动或头部的晃动(如车辆车轮减重的情况)，这种振动进一步传递到车身，此外，悬挂在车辆下方的振动电气设备，如空气压缩机、制动电阻等的振动也会传递到车身。

1.2振动和噪声状况

目前运行线路的振动噪声整改工作是在接到投诉后被动进行，无法实时掌握振动噪声实际影响的变化情况。按照传统的检测流程，需要进行在线审批、研究、设备布置、测试、数据采集、分析评估等工作，周期长，影响因素多。收集的数据是节点在特定时间的轨道状态。传统的振动噪声测试方法存在时间短、离散、不连续和高度不确定性等问题。由于线路状态恶化、设备性能衰减等后续问题导致的振动噪声加剧，无法实时了解，无法形成系统的、连续的轨道状态变化，给轨道交通振动噪声的长期评价带来困难。不利于合理制定和及时实施整治措施。特别是作业线上的振动整改只能在天窗点进行，不能影响第二天的作业。所采取的振动控制措施需要更加精确，不能盲目地直接在作业线上实施一系列可能有效的措施。鉴于此，有必要研究一种可靠的运行线路振动噪声监测智能预警装置，实现对振动噪声的实时监测，建立预警机制，指导运营单位及时处理振动噪声过大的问题，从而降低市民对城市轨道交通振动噪声问题的投诉概率[1]。

2地铁轨道减振技术的应用

2.1频变吸振器抑制弹性车体垂向振动的减振方法

(1)采用负刚度结构设计的车体变频减振器，能有效抑制不同车速下车体的刚性和弹性振动。当变频减振器安装在不同位置时，对车体各位置的垂直振动峰值有明显的衰减作用，且安装在车体中间位置时减振性能最好。在城市轨道车辆上安装变频减振器，可以更好地衰减不同速度、不同位置下的振动效果，可以有效抑制车辆的刚性和弹性振动，避免车辆轻量化设计造成的剧烈弹性振动，提高车辆的运行稳定性，提高乘坐舒适性。(2)变频减振器的优点是可以在一定程度上拓宽被动减振器的减振频带，提高减振器在复杂工况下的减振能力。与传统的两种针对刚性振动和弹性振动设计的被动减振器相比，变频减振器具有较宽的减振带宽，可以同时满足刚性振动和弹性振动的减振需求。不仅在弹性振动峰值频率处有90%以上的阻尼效果，而且对刚性振动也有很好的阻尼效果，整体减振效果好。在一定程度上拓宽了被动减振器的阻尼频带，为变频减振器的工程应用提供了理论支持。(3)形成了变频吸振器的减振方法。对于变频减振器的设计，可以通过分析城市轨道车辆系统的峰值频率分布来确定减振器的目标频段。分析了变频吸收系统产生的非线性频率变化范围与目标阻尼带刚度之间的包含关系。最后，确定了变频吸振器的相关结构参数。

2.2控制车身垂直振动的措施

主要有消振、抗振、吸振等。选用半径小、厚度大的轮辐板或踏面质量大的轮毂，或采用减震轮毂、无缝轨和调频轨阻尼器等措施可以减弱振动源，但不能完全消除，还需要定期打磨钢轨，旋转修复轮毂以消除轨道不光滑和车轮踏面损伤。因此，对车身的垂直振动采取抗振和吸振的振动控制措施。通常采用阻尼元件来吸收部分振动能量，将其转化为热能而耗散，从而减弱振动控制对象对振动源激励的响应。日本研制了一种垂直减振控制系统。通过设置变阻尼轴箱和变阻尼垂直振动减振器，可以抑制转向架的垂直振动和俯仰振动，从而提高乘坐舒适性。目前，主要的吸振措施是在车体上附加动力减振器，产生吸振力，减弱车体对振源激励的响应。由于动力减振器对抑制车身垂直振动的良好效果，许多学者对动力减振器进行了大量的研究。根据控制方式和输入能量的不同，动态减振器的类型可分为被动控制、主动控制和半主动控制。其中被动控制不需要外部输入能量，但不能实时响应外部激励。主动控制可以实时地根据外部激励做出主动响应，但需要外部能量的输入。半主动控制可以根据系统的输入变化和输出要求，实时调整车身的相关运行参数，使车身获得良好的振动特性

[2]。

2.3振动噪声状态预警系统

振动噪声监测智能预警系统通过将试验数据与同类工程历史数据报告进行对比，实现对振动噪声状态的评估。该系统通过以下步骤实现:1)实时查询时间节点的历史数据。数据分析系统可以根据时间、车次和整体情况查询现有轨道的加速度和位移，方便对现有指标进行数据分析。2)查询数据指标的演化历史，可查询振动加速度、位移等指标随时间的演化历史。3)实时数据传输，通过智能数据处理和分析，结合时间节点和数据演化，对现有数据和历史数据进行对比。实现数据叠加分析、趋势分析和变化率分析，反映数据在不同时间维度上的演变和数据之间的相关性。实现对测点未来减振降噪或其他指标的预测。4)现场实时传输轮轨状态图片，轨道异常图片传输到异常监控系统模块。通过检索异常监测系统的相关内容，方便人工判断。5)对相邻振动噪声过大的点进行历史数据对比和仿真分析，设置分类阈值，进行预警，并将提出的预警方案发送给维修部门。

2.4减振降噪数据共享

减振降噪预警启动后，维修部门应结合预警建议，收集异常监测系统的相关数据，进行现场调查，并采取相应的修复措施，如磨轨、调线、更换垫板、更换减振降噪扣件等。并将采取措施后的振动噪声数据传输给减振降噪智能预警装置。振动修改后开始重新观察，根据试验数据采取不同的减振降噪维护方式[3]。

结束语

总之，采用变频减振器会增加轴载，将车下的设备作为减振器的振子，在不增加车体重量的情况下，减少车辆的振动，提高乘坐舒适性。总的来说，目前的研究还处于起步阶段。通过理论分析和数值模拟，指出了一种新型无源变频吸振器的非线性特性，使其既具有无源吸振器结构简单、减振性能好的优点，同时又能利用系统频率非线性变化的特点。为了解决考虑车体弹性振动的城市轨道车辆窄带问题，进一步的工程应用研究是我们下一步的工作。

参考文献：

[1]孙振明,于希立.地铁轨道减振技术的应用[J].门窗,2019(22):283.

[2]丁俊峰,李国栋.无锡地铁轨道减振技术应用探讨[J].现代城市轨道交通,2017(11):32-34.

[3]李克飞,孙京健,任静等.北京地铁轨道减振技术发展与应用管理[J].市政技术,2015,33(04):62-66.