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      磁流變阻尼半主動(dòng)隔振的鋼彈簧浮置板軌道動(dòng)力響應(yīng)分析

      2018-06-25 01:48:04韋凱豆銀玲趙東鋒王平杜香剛
      關(guān)鍵詞:浮置半主動(dòng)阻尼力

      韋凱 ,豆銀玲 ,趙東鋒 ,王平 ,杜香剛

      (1. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都,610031;2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,四川 成都,610031;3. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100081)

      隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,人們的出行滿意程度不斷提高。但是,隨之帶來(lái)的是不勝其擾的地鐵振動(dòng)與噪音。為了治理地鐵振動(dòng)與噪聲,往往會(huì)在軌道上采取減振降噪措施。近年來(lái),我國(guó)地鐵領(lǐng)域主要采用高彈扣件、彈性軌枕與橡膠或鋼彈簧浮置板軌道等減振軌道。在相同或可比的條件下,鋼彈簧浮置板軌道的減振效果可達(dá)13.8 dB,是目前減振降噪效果最好的減振軌道[1]。在浮置板軌道減振性能及其工程應(yīng)用方面,國(guó)內(nèi)外開展了大量的相關(guān)研究。吳天行[2]在頻域內(nèi)建立了車輛?高彈扣件?彈性支承塊或浮置板軌道的耦合系統(tǒng)模型,證明了該組合系統(tǒng)在中/高頻具有更好的隔振效果。HUSSEIN等[3]提出了一種地鐵隧道內(nèi)不連續(xù)浮置板軌道的計(jì)算方法,結(jié)果表明不連續(xù)浮置板軌道會(huì)在遠(yuǎn)處顯著增加其基頻的振動(dòng)響應(yīng)。GUPTA等[4]提出了基于 Floquet變換的三維有限元?邊界元耦合模型,并應(yīng)用該模型計(jì)算分析了連續(xù)式和不連續(xù)式浮置板軌道的減振效果,結(jié)果表明浮置板軌道在低頻段的減振效果比較差。劉維寧等[5]開展了鋼彈簧浮置板軌道低頻特征測(cè)試,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明:浮置板基頻越低,減振效果越好,而且在基頻附近振動(dòng)放大也十分明顯。鑒于浮置板軌道在基頻附近有振動(dòng)放大的現(xiàn)象,韋凱等[6]結(jié)合某地鐵與建筑物合建工程,綜合考慮合建結(jié)構(gòu)與浮置板軌道的自振特征,提出了合建結(jié)構(gòu)內(nèi)浮置板軌道基頻的設(shè)計(jì)原則。LEI等[7]結(jié)合有限單元法發(fā)展了車輛?鋼彈簧浮置板軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型,并探討了鋼彈簧浮置板軌道關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值范圍。根據(jù)已有的研究成果可知,浮置板軌道減振效果受限于它的固有頻率。若想進(jìn)一步提高浮置板軌道的減振效果,則需要降低浮置板支承剛度或增大浮置板質(zhì)量。若增大質(zhì)量則必增加建筑空間,同時(shí)增大工程投入;若降低剛度則會(huì)增加鋼軌位移,但是為了保證車輛與軌道的安全服役,又不允許出現(xiàn)過(guò)大的鋼軌與浮置板位移。按照CJJ/T 191—2012“浮置板軌道技術(shù)規(guī)范”[8],浮置板軌道中的鋼軌與浮置板的最大垂向振動(dòng)位移分別不能大于4 mm和3 mm。顯然,傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板軌道的減振設(shè)計(jì)參數(shù)——質(zhì)量與剛度的可調(diào)范圍已經(jīng)十分有限,因此,從阻尼角度優(yōu)化浮置板軌道的低頻減振效果值得嘗試。近年來(lái),隨著磁流變阻尼半主動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展,該項(xiàng)技術(shù)已普遍應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)抗震[9?11]。然而,與傳統(tǒng)黏滯阻尼不同,磁流變阻尼屬于庫(kù)侖阻尼。大量研究表明:庫(kù)侖阻尼必須與控制方法相結(jié)合,否則容易造成相反的控制效果[9?11]。為了將磁流變阻尼半主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于浮置板軌道中,本文作者將以鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)為基本形式,應(yīng)用車輛?軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論[12],并結(jié)合磁流變阻尼的力學(xué)特征與工作原理[13?15],仿真分析地鐵車輛?磁流變阻尼半主動(dòng)隔振鋼彈簧浮置板軌道垂向耦合系統(tǒng)的非線性振動(dòng)響應(yīng)特征,從輪軌安全性和軌道減振性2方面綜合評(píng)價(jià)磁流變阻尼半主動(dòng)隔振浮置板軌道的振動(dòng)控制效果。

      1 車輛?磁流變阻尼半主動(dòng)隔振鋼彈簧浮置板軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型

      為了探討列車荷載作用下磁流變阻尼半主動(dòng)隔振浮置板軌道的垂向振動(dòng)特征,需要研究建立車輛?磁流變阻尼半主動(dòng)隔振浮置板軌道垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型。

      1.1 車輛模型

      車輛模型采用兩系懸掛的整車模型,該車輛模型共有10個(gè)自由度,能反映車體沉浮和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)、前后轉(zhuǎn)向架的沉浮和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)以及4個(gè)輪對(duì)的垂向運(yùn)動(dòng)。采用我國(guó)額定負(fù)載的地鐵A型車動(dòng)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真分析,具體取值見(jiàn)表1。

      1.2 磁流變阻尼半主動(dòng)隔振浮置板軌道模型

      磁流變阻尼隔振鋼彈簧浮置板軌道系統(tǒng)由鋼軌、扣件、浮置板、鋼彈簧、液體黏滯阻尼與磁流變阻尼組成。其中,鋼軌采用 Euler梁模型,浮置板采用自由梁模型,扣件系統(tǒng)與鋼彈簧+液態(tài)阻尼系統(tǒng)均采用Kelvin-Voigt模型,磁流變阻尼近似看作理想庫(kù)侖摩擦力學(xué)模型(如圖 1所示);輪軌關(guān)系采用赫茲非線性彈性接觸算法[12]。

      在傳統(tǒng)軌道板的自由梁模型[12]上,增加了磁流變阻尼的庫(kù)侖干摩擦元件,因此,軌道板的自由梁垂向振動(dòng)方程將變?yōu)?以向下為正):

      表1 地鐵A型車的計(jì)算參數(shù)Table 1 Parameters of “Type A” subway vehicle

      圖1 磁流變阻尼隔振浮置板軌道的垂向動(dòng)力學(xué)模型Fig. 1 Vertical coupled dynamic model of FST supported by steel spring, viscous damper and MR damper

      其中:

      δ為Dirac函數(shù);Es和Is分別為軌道板彈性模量、截面極慣性矩;Ms和Ls分別為軌道板質(zhì)量、軌道板長(zhǎng)度;Kpi和Cpi分別為第i個(gè)鋼軌扣件剛度和黏滯阻尼系數(shù);Zs(x,t)和分別為浮置板的垂向振動(dòng)位移和速度;Frsi(t)為鋼軌支點(diǎn)反力;Fssj(t)為第j個(gè)隔振器支點(diǎn)力;Np為1塊板上鋼軌扣件數(shù)量;Nf為1塊板下隔振器數(shù)量;Ksj和Csj分別為第j個(gè)隔振器鋼彈簧剛度、黏滯阻尼系數(shù);Fc是常量的磁流變阻尼力;為符號(hào)函數(shù),即當(dāng)括號(hào)內(nèi)振動(dòng)速度是正數(shù)時(shí),為 1;當(dāng)括號(hào)內(nèi)振動(dòng)速度是負(fù)數(shù)時(shí),為?1;當(dāng)括號(hào)內(nèi)振動(dòng)速度是0時(shí),也為0。

      模型計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

      1.3 磁流變阻尼半主動(dòng)控制的數(shù)值模擬方法

      磁流變阻尼的半主動(dòng)控制策略可劃分為 3類:1)經(jīng)典的半主動(dòng)控制算法,如天棚控制、地棚控制以及天地棚混合控制;2)線性反饋控制,如最優(yōu)控制、魯棒控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等;3)智能控制,如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、灰色理論及仿人智能控制等[13]。

      表2 軌道模型的參數(shù)Table 2 Parameters of track model

      磁流變阻尼屬于強(qiáng)非線性的阻尼材料,在已有的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi),很難建立有效的控制算法以保證控制過(guò)程實(shí)時(shí)可控。因此,在非線性與隨機(jī)性較強(qiáng)的輪軌耦合振動(dòng)系統(tǒng)中,即使是最簡(jiǎn)單的控制策略都極具挑戰(zhàn)。鑒于此,根據(jù)浮置板軌道以控制向下振動(dòng)為主的特點(diǎn),這里將采用簡(jiǎn)單實(shí)用的半主動(dòng)控制策略(即半主動(dòng)開?關(guān)(on?off)控制策略),并結(jié)合浮置板振動(dòng)速度拐點(diǎn)與磁流變阻尼響應(yīng)滯后時(shí)間(一般在0.02~0.2 s[14]),設(shè)計(jì)了一種磁流變阻尼半主動(dòng)開?關(guān)(on?off)控制的數(shù)值模擬方法,其示意圖如圖2所示。圖中,Δt為時(shí)域積分步長(zhǎng);si和sj分別為ti和tj時(shí)刻的位移;sy為觸發(fā)閥值;T為移動(dòng)窗時(shí)間跨度。

      圖2 浮置板軌道磁流變阻尼半主動(dòng)開?關(guān)(on?off)控制的數(shù)值模擬示意圖(以向下運(yùn)動(dòng)為正)Fig. 2 A numerical simulation method for on?off semi-active control strategy for MR dampers in FST model(downward displacement of floating slab is positive)

      根據(jù)半主動(dòng)開?關(guān)(on?off)控制策略,當(dāng)浮置板由向上運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為向下運(yùn)動(dòng)時(shí)(即浮置板最小垂向振動(dòng)位移),磁流變開始施加向上的阻尼力(即on狀態(tài));當(dāng)浮置板由向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為向上運(yùn)動(dòng)時(shí)(即浮置板最大垂向振動(dòng)位移),磁流變阻尼開始停止工作(即off狀態(tài))。

      由磁流變阻尼器的工作特點(diǎn)可知,當(dāng)調(diào)整磁流變阻尼出力時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的時(shí)滯現(xiàn)象[13?15]。為模擬這一現(xiàn)象,在數(shù)值計(jì)算中,設(shè)計(jì)了1個(gè)移動(dòng)時(shí)間窗,時(shí)域積分步長(zhǎng)取1×10?4s,移動(dòng)窗與浮置板時(shí)域振動(dòng)位移的交點(diǎn)分別為ti時(shí)刻的位移si和tj時(shí)刻的位移sj。模擬過(guò)程如下:當(dāng)(ti+tj)/2時(shí)刻的位移大于觸發(fā)閾值sy(在最小振動(dòng)位移基礎(chǔ)上,考慮一定的安全余量,本算例中sy取0.5 mm)時(shí),通過(guò)判斷tj時(shí)刻浮置板的振動(dòng)方向(即(sj?si)/(tj?ti))來(lái)調(diào)整tj時(shí)刻磁流變阻尼力。通過(guò)移動(dòng)時(shí)間窗的模擬可有效反映磁流變阻尼的響應(yīng)滯后時(shí)間(即移動(dòng)窗時(shí)間跨度的一半T/2,在本算例中取0.15 s)。

      2 磁流變阻尼半主動(dòng)隔振鋼彈簧浮置板軌道的動(dòng)力響應(yīng)分析

      2.1 計(jì)算工況

      在本算例中,所模擬的運(yùn)營(yíng)條件是車速 60 km/h與美國(guó)5級(jí)高低不平順譜(波長(zhǎng)范圍是0.1~30.0 m)。計(jì)算工況如表3所示。工況1是傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板軌道工況(無(wú)磁流變阻尼),工況 2~4是磁流變阻尼半主動(dòng)隔振浮置板軌道工況。其中,工況1~3探討應(yīng)用半主動(dòng)磁流變阻尼前后浮置板軌道的輪軌安全性與寬頻減振效果,并確定浮置板軌道磁流變阻尼力的合理取值;工況2和4研究應(yīng)用磁流變阻尼半主動(dòng)隔振技術(shù)后浮置板軌道支承剛度的優(yōu)化問(wèn)題。

      表3 計(jì)算工況Table 3 Calculation cases

      2.2 磁流變阻尼半主動(dòng)隔振對(duì)鋼彈簧浮置板軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響

      通過(guò)試算發(fā)現(xiàn),浮置板下磁流變阻尼力對(duì)車輛系統(tǒng)垂向振動(dòng)響應(yīng)的影響很小,因此,這里主要討論 4個(gè)計(jì)算工況下鋼軌垂向振動(dòng)位移(加速度)、浮置板垂向振動(dòng)位移(加速度)、輪重減載率與浮置板支點(diǎn)反力,用以量化評(píng)價(jià)浮置板軌道磁流變阻尼半主動(dòng)隔振技術(shù)對(duì)輪軌安全性與軌道減振性的影響程度。

      2.2.1 磁流變阻尼力對(duì)輪軌安全性的影響

      在1~3工況下,鋼軌、浮置板最大垂向振動(dòng)位移與輪重減載率如圖3和圖4所示。

      從圖3可以看出:磁流變阻尼能顯著降低鋼軌與浮置板的最大垂向振動(dòng)位移;當(dāng)磁流變阻尼力由0增至 6 kN(12 kN)時(shí),鋼軌的最大垂向振動(dòng)位移從3.97 mm 減小到 3.54 mm(2.99 mm),減小比例達(dá)到10.8%(24.6%),與此同時(shí)浮置板的最大垂向位移從3.11 mm 減小到 2.63 mm(2.11 mm),減小比例達(dá)到15.4%(32.2%)。此外,應(yīng)用磁流變阻尼后浮置板的最大垂向振動(dòng)位移會(huì)發(fā)生一定的滯后,而且該滯后時(shí)間與仿真設(shè)計(jì)一致,均為0.15 s。

      值得注意的是:磁流變阻尼力不宜過(guò)大,否則鋼軌垂向位移容易出現(xiàn)上拱現(xiàn)象。從圖3可知:在列車通過(guò)浮置板軌道的過(guò)程中,當(dāng)磁流變阻尼力由0 kN增至 6 kN(12 kN)時(shí),鋼軌的最小垂向振動(dòng)位移將從0.25 mm降至0.01 mm(?0.05 mm,向上運(yùn)動(dòng)為負(fù))。因此,需要針對(duì)不同運(yùn)營(yíng)條件設(shè)計(jì)合理的磁流變阻尼力。在本算例中,考慮一定的安全余量,建議磁流變阻尼力取為6 kN。

      另外,從圖4可以看出:應(yīng)用磁流變阻尼后地鐵列車的輪重減載率基本不變,維持在0.45左右,這說(shuō)明在本計(jì)算條件下磁流變阻尼不影響行車安全。

      2.2.2 磁流變阻尼力對(duì)軌道減振性的影響

      工況1~2的磁流變阻尼力對(duì)浮置板支反力時(shí)和頻域響應(yīng)的影響分別如圖5和圖6所示。

      圖3 工況1~3的浮置板軌道垂向振動(dòng)位移時(shí)程曲線Fig. 3 Time-domain vertical vibration displacements of floating slab truck (FST)in Case 1, Case 2 and Case 3

      圖4 磁流變阻尼力對(duì)輪重減載率的影響Fig. 4 Effect of magneto trheological damper force on reduction rate of wheel load

      圖5 工況1和工況2下浮置板支反力的時(shí)程曲線Fig. 5 Time-domain FST supporting forces in Case 1 and Case 2

      圖6 工況2的浮置板支反力分解時(shí)程曲線Fig. 6 Time-domain FST supporting forces in Case 2

      從圖5可知:工況1與2浮置板支反力的時(shí)程曲線的區(qū)別不大。但是,從圖 6(a)可以看出:磁流變阻尼參振后,磁流變阻尼力是典型的方形波,其頻率為0.7~1.0 Hz。磁流變阻尼參與浮置板振動(dòng)的減振機(jī)理是:磁流變阻尼力在頻率范圍內(nèi)重新分配了浮置板軌道向下傳遞的能量,不僅分擔(dān)了浮置板軌道向下傳遞的振動(dòng)能,而且以人體不敏感的極低頻能量向周邊擴(kuò)散。因此,磁流變阻尼隔振浮置板軌道對(duì)環(huán)境振動(dòng)的影響僅來(lái)自隔振器支反力(見(jiàn)圖 6(b)),工況 2的隔振器支反力明顯比應(yīng)用磁流變阻尼前(工況 1)的低。

      圖7所示為工況1與工況2下隔振器支反力的1/3倍頻有效值。

      圖7 工況1與2下隔振器支反力1/3倍頻有效值Fig. 7 1/3 octave mean square roots (MSRs)of upporting forces supplied by vibration isolator in Case 1 and Case 2

      從圖7可以看出:磁流變阻尼主要提高鋼彈簧浮置板軌道的低頻隔振效率。與工況1相比,1/3倍頻中心頻率1.00,3.15與6.30 Hz的隔振器支反力有效值分別下降了18%,21%與24%。因此,將磁流變阻尼半主動(dòng)隔振技術(shù)應(yīng)用于浮置板軌道中是可行的,而且能夠提升浮置板軌道低頻減振效果。

      2.2.2 浮置板軌道鋼彈簧支承剛度的優(yōu)化

      由圖3可知:磁流變阻尼能減小浮置板軌道的最大垂向振動(dòng)位移。因此,浮置板支承剛度有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。通過(guò)試算發(fā)現(xiàn),在本算例中,浮置板支承剛度允許由10 kN/mm降至8 kN/mm,降幅可達(dá)20%。工況2和4的仿真計(jì)算結(jié)果表明,降低浮置板軌道支承剛度,會(huì)顯著增大浮置板軌道的最大垂向振動(dòng)位移,同時(shí)會(huì)進(jìn)一步提高浮置板軌道的低頻減振效率,見(jiàn)圖8和圖9。

      圖8 工況2和工況4下浮置板軌道垂向振動(dòng)位移時(shí)程曲線Fig. 8 Time-domain vertical vibration displacements of FST in Case 2 and Case 4

      圖9 工況2和工況4中隔振器支反力1/3倍頻有效值Fig. 9 1/3 octave MSRs of supporting forces supplied by vibration isolator in Case 2 and Case 4

      3 結(jié)論

      1)磁流變阻尼半主動(dòng)隔振的浮置板軌道能夠顯著降低軌道最大垂向振動(dòng)位移,但對(duì)列車輪重減載率幾乎沒(méi)有影響。在磁流變阻尼力為 6 kN(12 kN)情況下,浮置板軌道的最大垂向位移減少 10.8%~15.4%(24.6%~32.2%)。因此,磁流變阻尼可以提高浮置板軌道最大垂向振動(dòng)位移的安全余量。

      2)在磁流變阻尼半主動(dòng)隔振浮置板軌道體系中,過(guò)大的磁流變阻尼力易引起鋼軌出現(xiàn)上拱現(xiàn)象(即過(guò)大磁流變阻尼力將導(dǎo)致鋼軌的最小垂向振動(dòng)位移通過(guò)平衡位置向上運(yùn)動(dòng)),而過(guò)小的磁流變阻尼力又將無(wú)法達(dá)到良好的低頻減振效果。因此,可借鑒或改進(jìn)本文的研究思路,針對(duì)地鐵不同運(yùn)營(yíng)條件,設(shè)計(jì)適宜的磁流變阻尼力。

      3)磁流變阻尼半主動(dòng)隔振技術(shù)能夠重新調(diào)整浮置板軌道下部振動(dòng)能量的頻域分布,既能有效分擔(dān)浮置板軌道下部1~16 Hz的低頻振動(dòng)能,也能將人體敏感頻率(4~8 Hz)的振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闃O低頻的振動(dòng)能(<1 Hz)向外傳播。

      4)在應(yīng)用磁流變阻尼半主動(dòng)隔振技術(shù)后,允許降低浮置板軌道支承剛度。此時(shí),不但將顯著提高浮置板軌道的最大垂向振動(dòng)位移,而且會(huì)進(jìn)一步提高浮置板軌道的低頻減振效果。

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