張宇生,趙春發(fā),周 文,蔡文鋒

(1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031; 2.中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司,長(zhǎng)沙 410100; 3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

不同于傳統(tǒng)鐵路道岔，常導(dǎo)電磁型磁浮交通的道岔采用了側(cè)向可彎曲的鋼連續(xù)梁或分段關(guān)節(jié)型鋼道岔。與混凝土磁浮軌道梁相比，鋼結(jié)構(gòu)道岔質(zhì)量輕，阻尼小，約束弱，列車(chē)通過(guò)時(shí)容易發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)。我國(guó)多條磁浮試驗(yàn)線(xiàn)和運(yùn)營(yíng)線(xiàn)試運(yùn)行階段，均出現(xiàn)過(guò)車(chē)岔耦合振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，后來(lái)在道岔梁上安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)或液體質(zhì)量雙調(diào)諧阻尼器(TLMD)，有效緩解了車(chē)岔耦合振動(dòng)。加裝阻尼器增加了道岔制造安裝成本，而且減振器參數(shù)設(shè)計(jì)和調(diào)試復(fù)雜，需要全面、準(zhǔn)確掌握減振對(duì)象的自振特性，才能確保良好的減振效果。然而，中低速磁浮關(guān)節(jié)型道岔由帶滾輪的臺(tái)車(chē)提供垂向支撐，由梁端鎖定裝置提供橫向約束，梁體的約束強(qiáng)度明顯弱于普通橋梁支座，約束狀態(tài)受道岔制造安裝精度影響較大，導(dǎo)致磁浮道岔梁自振特性實(shí)測(cè)值與理論設(shè)計(jì)值存在較大偏差。因此，為了更好地認(rèn)識(shí)并解決工程中出現(xiàn)的磁浮車(chē)岔耦合振動(dòng)問(wèn)題，有必要開(kāi)展不同約束條件下道岔梁振動(dòng)模態(tài)的數(shù)值分析和試驗(yàn)研究。

對(duì)于上海高速磁浮線(xiàn)上道岔振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題，F(xiàn)ichtner和Pichlmeier[1]的研究表明，TR08磁浮車(chē)輛低速通過(guò)時(shí)道岔梁豎向加速度高達(dá)3g，振動(dòng)主頻與電磁懸浮的調(diào)整頻率接近，安裝TMD以后道岔梁減振效果明顯。Dignath等[2]開(kāi)展道岔梁有限元模態(tài)分析，得到的第1階扭轉(zhuǎn)頻率為14.99 Hz，與運(yùn)營(yíng)線(xiàn)上道岔梁強(qiáng)振頻率14.9 Hz接近。張宏君[3]建立梁?jiǎn)卧蜌卧邢拊Ｐ湍M道岔結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)，結(jié)果表明殼單元模型具有更高的計(jì)算精度。殷月俊等[4]發(fā)現(xiàn)未安裝TMD道岔梁的第三跨跨中翼緣振動(dòng)最大，最大豎向加速度超過(guò)2g。顧行濤等[5，6]基于通用商業(yè)軟件建立高速磁浮車(chē)輛-道岔耦合振動(dòng)分析模型，研究了道岔梁的自振特性和列車(chē)荷載作用下的瞬態(tài)響應(yīng)。肖舟和趙春發(fā)[7，8]編制了磁浮車(chē)輛-道岔耦合動(dòng)力學(xué)仿真程序，模擬了列車(chē)通過(guò)時(shí)道岔梁振動(dòng)響應(yīng)和動(dòng)應(yīng)力，并開(kāi)展了道岔梁疲勞壽命預(yù)測(cè)分析。

在中低速磁浮道岔方面，袁青平等[9]探討了關(guān)節(jié)型磁浮道岔設(shè)計(jì)原則、結(jié)構(gòu)組成和荷載特點(diǎn)。曾國(guó)鋒等[10]介紹了長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)道岔總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和鎖定裝置和電氣控制等設(shè)計(jì)和調(diào)試工作。王紅霞等[11]開(kāi)展了中低速磁浮道岔可靠性和耐久性研究，提出通過(guò)系數(shù)調(diào)整提高零件設(shè)計(jì)壽命的方法。楊奇科和程雄[12]開(kāi)展了長(zhǎng)沙磁浮快線(xiàn)道岔主動(dòng)梁模態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)2臺(tái)車(chē)支撐方式下道岔主動(dòng)梁第1階豎向自振頻率為13.1 Hz；在3臺(tái)車(chē)支撐、加沙袋條件下第1階豎向自振頻率變?yōu)?4.9 Hz；2臺(tái)車(chē)支撐時(shí)車(chē)岔耦合振動(dòng)劇烈，共振頻率為49.8 Hz；3臺(tái)車(chē)支撐時(shí)車(chē)岔共振頻率為15.4 Hz，但振幅不大。劉大玲等[13]現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明中間支撐狀態(tài)對(duì)道岔梁自振特性有顯著影響，逐級(jí)增大中間支撐剛度，道岔梁豎向強(qiáng)振頻率由16.25 Hz增大到18.25 Hz。祁寶金[14]針對(duì)中低速磁浮車(chē)岔耦合共振問(wèn)題，開(kāi)展了TLMD減振參數(shù)優(yōu)化研究。羅華軍等[15]測(cè)試了長(zhǎng)沙磁浮線(xiàn)車(chē)-岔耦合振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)比分析了增加臺(tái)車(chē)、沙袋和TLMD等方式的減振效果。柴小鵬等[16]研究發(fā)現(xiàn)車(chē)輛低速通過(guò)初始道岔和加沙袋道岔時(shí)，道岔梁振動(dòng)均較為強(qiáng)烈，強(qiáng)振頻率分別為17.9 Hz和18 Hz；在道岔梁內(nèi)安裝4組共24個(gè)TLMD阻尼器以后，不再出現(xiàn)18 Hz左右的強(qiáng)振響應(yīng)。

上述已有研究表明，常導(dǎo)磁浮車(chē)輛與道岔梁發(fā)生強(qiáng)烈耦合振動(dòng)的頻率主要在15～20 Hz，受制造安裝精度的影響，相同型號(hào)道岔梁的豎向自振頻率也可能有較大差別。然而，現(xiàn)有工作沒(méi)有對(duì)道岔梁自振頻率的變化范圍和原因進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究，在道岔梁有限元分析中還不清楚如何施加合理的約束。針對(duì)這些問(wèn)題，以清遠(yuǎn)磁浮旅游線(xiàn)道岔為對(duì)象，建立了道岔主動(dòng)梁有限元模型，對(duì)比分析了2臺(tái)車(chē)支撐、3臺(tái)車(chē)支撐方式和安裝面位移約束、彈性約束條件下道岔主動(dòng)梁的模態(tài)特性；同時(shí)，在鐵建重工集團(tuán)生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)測(cè)試了道岔主動(dòng)梁的自振頻率。最后，基于有限元模態(tài)分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，分析了約束狀態(tài)對(duì)磁浮道岔自振特性的影響，給出了道岔有限元模型中約束施加方式的建議。本研究工作為中低速磁浮道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工、車(chē)輛-道岔耦合振動(dòng)分析和道岔減振研究提供了理論依據(jù)和應(yīng)用參考。

1 中低速磁浮道岔結(jié)構(gòu)

中低速磁浮道岔采用三點(diǎn)定心轉(zhuǎn)動(dòng)原理設(shè)計(jì)，主要由垛梁、具有固定轉(zhuǎn)動(dòng)中心的3段鋼結(jié)構(gòu)梁、梁間過(guò)渡裝置、走行臺(tái)車(chē)、驅(qū)動(dòng)裝置、鎖定裝置、電氣系統(tǒng)和支承基礎(chǔ)等組成，如圖1所示。道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)，解鎖梁端鎖定裝置，啟動(dòng)主動(dòng)梁下方的橫向驅(qū)動(dòng)裝置，主動(dòng)梁橫移，并帶動(dòng)第1和第2從動(dòng)梁橫移，移動(dòng)到位后鎖定裝置。為了減少相鄰梁段的相對(duì)轉(zhuǎn)角，梁間采用了安裝有角平分器的過(guò)渡裝置，3段鋼梁和過(guò)渡段以折線(xiàn)形式擬合曲線(xiàn)，確保磁浮列車(chē)平穩(wěn)換線(xiàn)行駛。

圖1 中低速磁浮道岔總體示意

圖2 道岔主動(dòng)梁跨中截面(單位：mm)

中低速磁浮道岔主動(dòng)梁為雙腹板變截面梁，總長(zhǎng)約19.6 m，采用Q235C級(jí)鋼板焊接而成，跨中截面形式如圖2所示。主動(dòng)梁腹板厚度20 mm，翼緣厚度24 mm，橫隔板間隔0.6～1.2 m，跨中梁高1.79 m。由圖1和圖2可見(jiàn)，中低速磁浮道岔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)線(xiàn)靈活，但在縱向上為不連續(xù)結(jié)構(gòu)，梁端和跨中約束較弱，且鋼梁阻尼小，不利于磁浮車(chē)輛的穩(wěn)定懸浮，是磁浮軌道薄弱環(huán)節(jié)。

2 道岔主動(dòng)梁有限元模型

中低速磁浮道岔振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題通常出現(xiàn)在主動(dòng)梁上，從動(dòng)梁跨度不足5 m，工程上尚未見(jiàn)從動(dòng)梁振動(dòng)過(guò)大問(wèn)題；此外，主動(dòng)梁與從動(dòng)梁通過(guò)可移動(dòng)的滑臺(tái)和角平分裝置相連，兩者之間聯(lián)系較為松散。因此，按照?qǐng)D1和圖2所示道岔結(jié)構(gòu)，不考慮從動(dòng)梁、F型導(dǎo)軌、主動(dòng)梁下方臺(tái)車(chē)和鎖定裝置等結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件建立道岔主動(dòng)梁有限元模型，如圖3所示。由于道岔梁是典型的薄板結(jié)構(gòu)，選用了shell63殼單元建模，基本網(wǎng)格尺寸大小為100 mm。

圖3 道岔主動(dòng)梁有限元模型

在道岔主動(dòng)梁約束建模方面，主動(dòng)梁近垛梁端處通過(guò)臺(tái)車(chē)下部?jī)蓚€(gè)滾輪與滑軌垂向接觸支撐，橫向通過(guò)定位銷(xiāo)約束，考慮約束為垂向和橫向兩個(gè)方向；中間臺(tái)車(chē)處僅有滾輪與滑軌垂向接觸支撐，橫向無(wú)約束，僅考慮垂向約束；主動(dòng)梁近從動(dòng)梁端為臺(tái)車(chē)、鎖定裝置、角平分裝置和主動(dòng)梁定心機(jī)構(gòu)，考慮橫向、垂向和縱向三個(gè)方向的約束。本文重點(diǎn)針對(duì)兩種支撐方式：端部2臺(tái)車(chē)支撐和增加中間臺(tái)車(chē)的3臺(tái)車(chē)支撐，研究其對(duì)道岔主動(dòng)梁自振特性影響。對(duì)于每一種支撐方式，分別考慮了道岔梁梁體安裝面位移約束(相當(dāng)于剛性面約束)和彈性約束兩種方式，并通過(guò)改變彈簧剛度模擬道岔梁的實(shí)際約束強(qiáng)度。

3 3臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁自振特性

3.1 3臺(tái)車(chē)道岔梁自振頻率實(shí)測(cè)結(jié)果

圖4 3臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁自振頻率測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

在中國(guó)鐵建重工集團(tuán)生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)，測(cè)試了3臺(tái)車(chē)支撐時(shí)道岔主動(dòng)梁的自振頻率。圖4是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片，試驗(yàn)中在主動(dòng)梁約1/4、1/2和3/4跨虛擬軌枕的中部安裝豎向加速度計(jì)，在相同軌枕的端部安裝橫向加速度計(jì)。在不同位置處豎向和橫向錘擊梁體，采集測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)頻譜分析得到主動(dòng)梁的自振頻率。

表1列出了主動(dòng)梁豎向自振頻率的多次測(cè)試結(jié)果，可以看出測(cè)試結(jié)果一致性很好，主動(dòng)梁第1階垂向自振頻率實(shí)測(cè)值在15.4～16.4 Hz，平均值為15.7 Hz。

表1 3臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁第1階豎向自振頻率實(shí)測(cè)值 Hz

圖5給出了錘擊法得到的道岔梁橫向測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)頻譜，由于測(cè)點(diǎn)響應(yīng)同時(shí)包含了橫向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，頻譜圖中出現(xiàn)了多個(gè)特征頻率。多次橫向測(cè)試結(jié)果表明，8.5 ,9.8,16,23,28.7,32 Hz和36 Hz在頻譜圖中表現(xiàn)顯著，主動(dòng)梁第1階橫彎自振頻率為8.5 Hz。

圖5 3臺(tái)車(chē)主動(dòng)梁1/4跨處橫向加速度響應(yīng)頻譜

3.2 3臺(tái)車(chē)道岔梁有限元模態(tài)分析

道岔主動(dòng)梁與臺(tái)車(chē)之間采用螺栓連接，臺(tái)車(chē)下部滾輪與滑軌接觸，在梁端處通過(guò)定位裝置進(jìn)行橫向約束，但工程實(shí)際中定位裝置的鎖銷(xiāo)和鎖孔之間存在間隙，定位效果不理想。當(dāng)采用3臺(tái)車(chē)支撐時(shí)，中間臺(tái)車(chē)僅約束梁體豎向向下運(yùn)動(dòng)，橫向無(wú)約束。因此，道岔主動(dòng)梁有限元模型中在活動(dòng)端臺(tái)車(chē)處考慮垂、橫向約束，中間臺(tái)車(chē)處僅考慮垂向約束，主動(dòng)梁另一端還受到固定轉(zhuǎn)動(dòng)中心的縱向約束，施加橫向、垂向和縱向約束。

普通橋梁建模時(shí)在橋梁支座安裝面上施加位移約束，這符合工程實(shí)際。但是，中低速磁浮道岔梁沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的支座和橋墩，支撐梁體的臺(tái)車(chē)橫梁和定位銷(xiāo)桿均具有彈性，因此，更適合在安裝面上使用彈簧約束，但彈簧剛度需要參照實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行選取。本研究中先設(shè)置不同的垂向和橫向彈簧約束剛度，比較道岔主動(dòng)梁有限元模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，確定3臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁安裝面的橫向和垂向彈簧剛度分別為450 MN/m和240 MN/m。

圖6給出了安裝面位移約束(剛性約束)和彈簧約束(彈性約束)條件下3臺(tái)車(chē)主動(dòng)梁的前10階振型及自振頻率。在剛性約束條件下，主動(dòng)梁前3階振型均為橫向彎曲，第1階自振頻率為11.28 Hz；第5階振型為垂向彎曲，對(duì)應(yīng)頻率為45.85 Hz，遠(yuǎn)大于3臺(tái)車(chē)道岔廠內(nèi)實(shí)測(cè)值15.7 Hz；高階振型包含了復(fù)合振動(dòng)和局部振動(dòng)?？傮w上看，在安裝面位移約束條件下，3臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁的前幾階自振頻率計(jì)算值明顯大于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明道岔主動(dòng)梁的實(shí)際約束強(qiáng)度顯著弱于有限元模型中的安裝面位移約束。

在安裝面彈性約束條件下，3臺(tái)車(chē)主動(dòng)梁的第1階振型仍為橫向彎曲，但模態(tài)頻率減小為8.17 Hz，略小于實(shí)測(cè)值；第2階振型為垂向彎曲，頻率15.40 Hz；非常接近廠內(nèi)實(shí)測(cè)值；多個(gè)高階振型模態(tài)頻率計(jì)算值接近橫向自振頻率實(shí)測(cè)值；總體上彈性約束條件下3臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁的模態(tài)分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。

圖6 3臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁振動(dòng)模態(tài)

4 2臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁自振特性

4.1 2臺(tái)車(chē)道岔梁自振頻率實(shí)測(cè)結(jié)果

將道岔梁中間臺(tái)車(chē)移除，測(cè)試了2臺(tái)車(chē)支撐條件下道岔主動(dòng)梁的自振頻率。2臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁的第1階垂向彎曲模態(tài)頻率實(shí)測(cè)值為11.6 Hz，第1階橫向彎曲模態(tài)頻率為6.56 Hz，橫向響應(yīng)頻譜中還出現(xiàn)了約16，32 Hz和49.9 Hz的優(yōu)勢(shì)頻率。將主動(dòng)梁兩端的鎖定裝置解鎖后，測(cè)試結(jié)果表明主動(dòng)梁的低階自振頻率基本不變，說(shuō)明道岔鎖定裝置僅僅起到限位作用，其橫向約束作用不明顯。在2個(gè)臺(tái)車(chē)處梁體上方堆放15 kN配重，測(cè)試結(jié)果表明主動(dòng)梁的第1階垂向彎曲模態(tài)頻率基本不變，說(shuō)明增加臺(tái)車(chē)重量并不能有效增加主動(dòng)梁的梁端約束強(qiáng)度。

4.2 2臺(tái)車(chē)道岔梁有限元模態(tài)分析

圖7給出了安裝面位移約束和彈性約束下2臺(tái)車(chē)主動(dòng)梁前10階振型與自振頻率。在安裝面位移約束條件下，2臺(tái)車(chē)主動(dòng)梁前2階振型分別為橫彎和垂彎模態(tài)，對(duì)應(yīng)的頻率分別為11.04 Hz和14.15 Hz，兩者與實(shí)測(cè)值均有顯著差別，這再次說(shuō)明使用安裝面位移約束不符合磁浮道岔梁工程實(shí)際。在安裝面彈性約束條件下，2臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁前2階振型分別為橫彎和垂彎，自振頻率為7.65 Hz和11.48 Hz，均與實(shí)測(cè)值較為接近。有限元模態(tài)分析中出現(xiàn)了頻率為17.31，31.94 Hz和50.68 Hz的橫彎或扭轉(zhuǎn)模態(tài)，這與實(shí)測(cè)結(jié)果中的16，32 Hz和49.9 Hz接近。

圖7 2臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁振動(dòng)模態(tài)

5 結(jié)論

針對(duì)清遠(yuǎn)磁浮旅游線(xiàn)道岔結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件建立了3臺(tái)車(chē)和2臺(tái)車(chē)支撐道岔主動(dòng)梁的有限元模型，并開(kāi)展了安裝面位移約束和彈性約束方式下道岔主動(dòng)梁的模態(tài)分析，與廠內(nèi)磁浮道岔主動(dòng)梁自振特性實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，得到以下主要研究結(jié)論。

(1)在安裝面位移約束條件下，無(wú)論是3臺(tái)車(chē)還是2臺(tái)車(chē)支撐道岔梁，有限元模態(tài)分析得到的低階模態(tài)頻率值均顯著大于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明中低速磁浮道岔梁的實(shí)際約束強(qiáng)度明顯弱于普通橋梁支座，磁浮道岔梁有限元建模時(shí)不應(yīng)采用過(guò)于剛性的安裝面位移約束形式。

(2)在安裝面彈性約束條件下，3臺(tái)車(chē)和2臺(tái)車(chē)道岔主動(dòng)梁的低階橫彎和垂彎自振頻率與實(shí)測(cè)值非常接近，說(shuō)明彈性約束能夠較為準(zhǔn)確地模擬道岔梁的實(shí)際約束情況，道岔梁有限元建模時(shí)應(yīng)參照實(shí)測(cè)結(jié)果確定合適的彈性約束參數(shù)。

(3)有限元模態(tài)分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，相對(duì)于2臺(tái)車(chē)支撐磁浮道岔梁方案，3臺(tái)車(chē)支撐道岔梁的垂彎模態(tài)頻率明顯增大，但30 Hz以下的橫彎、扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率變化不大。因此，為了抑制或減緩工程中常見(jiàn)的15～20 Hz磁浮車(chē)岔耦合共振，僅增加中間臺(tái)車(chē)并不能取得很好的效果，提高道岔阻尼和加強(qiáng)道岔約束是更合理的選擇。