随着城市轨道交通建设和运营的迅猛发展，城市轨道交通线路密度和旅客输送量逐年增长。轨道交通带来的振动和噪声问题日益凸显，近些年来对于此类问题的关注程度也逐渐提高。
在城市轨道交通中，轨枕类减振措施具有一定的参振质量，能获得较好的减振能力。既有轨枕式减振轨道的弹性减振部件设置在轨枕下方，通过弹性材料的压缩变形实现减振，但矩形槽包套结构导致在工程应用中出现了翻浆冒泥、部件老化以及难以更换等问题，制约了轨枕式减振能力的发挥和应用。
本文研究了一种新型弹性复合支撑长枕式减振轨道，对既有长枕式减振轨道的结构形式进行了改进，提升了弹性长枕的减振能力，加强了轨道结构的稳定性，为既有弹性轨枕式减振轨道的积水以及弹性垫层更换等难题提供了思路。
理论模型
车辆－轨道耦合动力学模型
本文的动力学计算模型采用文献[6]中所提出的精细化车辆－轨道耦合动力学模型，建立完成的车辆系统动力学模型如图 2.1 所示。
图 2.1 车辆－轨道－基础三维有限元耦合模型
橡胶弹性支撑垫板本构模型
如图 2.2 所示，通过橡胶试件拉伸试验可以获得材料的应力-应变曲线，考虑到轨枕振动过程中弹性减振部件的大变形，选取 Yeoh 本构模型进行拟合。
图 2.2 橡胶检测试件及其拉伸试验
(1) 枕下弹性压缩减振垫本构模型
根据橡胶拉伸试验获得的数据，结合最小二乘原理拟合出曲线参数，拟合得到的 Yeoh 模型应力－应变曲线如图 2.3 所示。
图 2.3 枕下垫板 Yeoh 模型拟合曲线
枕下压缩支撑减振垫板橡胶本构模型的拟合多项式系数如表 2.1 所列。
表 2.1 枕下垫板橡胶 Yeoh 本构拟合系数
(2) 枕侧弹性剪切减振垫本构模型
同样地，利用最小二乘原理拟亦可以拟合出枕侧支撑垫板的 Yeoh 模型应力－应变拟合曲线如图 2.4 所示。
图 2.4 枕侧面垫板 Yeoh 模型拟合曲线
枕侧剪切支撑减振垫板橡胶本构模型的拟合多项式系数如表 2.2 所列。
表 2.2 枕侧垫板橡胶 Yeoh 本构拟合系数
2.3 轨枕弹性支撑有限元模型
本文对比分析三种轨枕的弹性支撑方式，如图所示 2.5 (a)为既有的弹性轨的枕下支撑，(b) 则为枕侧支撑方式，(c) 为本文提出的弹性复合支撑式轨枕，枕下弹性垫板由弹性压缩缓振吸能，而枕侧弹性垫板则通过橡胶垫板的剪切变形达到减振作用。
不同轨枕支撑方案的系统动力学响应
支撑方式对轨枕振动响应的影响
图 3.1 为不同支撑方式下的轨枕时域振动响应，其中图 3.1 (a)为轨枕的垂向振动位移，(b)中也可以看出三种支撑方式下轨枕位移和振动加速度相当，即枕下、枕侧和复合支撑方式下轨枕的垂向支撑刚度是大致相当的。
图 3.1 不同支撑方式下的轨枕时域响应
支撑方式对轨道基础振动的影响
振动在轨道基础中的空间传播规律
对于振动在道床基础的传播分布状态，可以通过道床基础的振动加速度分布云图来定性分析轨枕支撑方式对其振动传递的影响规律。图 3.2 为轨枕中心横断面处道床基础的振动加速度分布云图，图 3.2 (a)~图 3.2 (c)分别为枕下支撑、枕侧支撑和复合支撑方式下基础的振动加速度分布云图。
可以看出，枕侧支撑方式振动能量主要传向钢轨两侧方向的基础。复合支撑轨枕式减振轨道减振能力进一步提升，使得振动主要隔离在承轨台附近，向道床基础深度方向的传递很少。并且振动在基础中的传递分布更加均匀，枕下、枕侧弹性垫板对振动能量均有所分担，避免了减振部位集中受载所致的疲劳寿命问题。
图 3.2 不同支撑方式下振动加速度横向传递云图
轨道基础振动响应对比
为了更准确地定量评估，对比分析不同支撑方式下道床测点的振动响应，以评价不同支撑方式对减振效果的影响规律。如图 3.3 所示为道床上测点处的振动位移和振动加速度。(a) 所示的道床基础振动位移中，复合支撑轨枕式轨道的振动位移较枕下支撑和枕侧支撑轨枕式轨道分别下降了 67%、50%；从 (b) 所示的道床基础振动加速度中看出，复合支撑轨枕式轨道的振动加速度幅值较枕下、枕侧支撑方案分别降低了 75%、45%，减振效果明显。
(a) 道床振动位移 (b) 道床振动加速度
图 3.9 不同支撑方式下的道床基础时域响应
试验验证
锤击试验是试验模态测试中一种方法，对于结构的频响函数、系统传递规律等的研究均有重要意义[9]。图 3.10 所示为搭建的对比试验台，从左至右依次为整体道床、剪切式减振轨道、复合支撑式减振轨道试验台。
图 3.15 减振轨道试验台
此次减振对比试验中用到的仪器设备如图 3.16 所示，依次分别为 Coinv DASP 软件测试平台、测试力锤以及数据采集仪。
图 3.16 试验仪器
在轨枕、道床、地面等测点布置加速度传感器如图 3.17 所示,由力锤垂向敲击钢轨产生激励，并在轨枕、道床及地面等处获取振动响应。
如图 3.18 所示，选择力锤敲击力在 1700N 左右的一组数据，分别对比轨枕、道床以及地面振动响应，时域振动响应分别见图 3.19~图 3.2 中。对比响应曲线可以发现：不论是在时域还是在频域，整体式道床的轨枕振动响应最小，复合支撑轨枕式减振轨道次之，剪切式减振轨道的轨枕振动响应最大。而在道床上则表现为：道整体式道床最大，剪切支撑式道床次之，复合支撑式减振道床最小。
该结论与 3.1~3.2 中计算模型得到结果一致，表明本文提出的复合支撑轨枕式减振轨道的减振性能显著。
图 3.17 敲击试验测点空间布置
图 3.18 锤击力对比
图 3.19 不同试验台轨枕振动响应对比
图 3.20 不同试验台道床块振动响应对比
结论
本文建立了不同轨枕支撑方式下的车辆－轨道精细化耦合动力学模型，对比研究了既有枕下支撑方式、枕侧支撑方式和弹性复合支撑方式下，轨枕和道床基础的振动响应。并通过整体式轨道和弹性复合支撑轨枕式轨道试验台的力锤敲击试验，验证了轨枕弹性复合支撑方案在提升轨道减振效果和加强轨道结构稳定性等方面的优势。
资料来源：达索官方
