摘要
近年来，地铁在我国各大城市迅猛发展，有效缓解了城市人口出行和交通拥挤等难题。在这一历史发展过程中，很多地铁运维问题也逐渐暴露出来，降低了地铁列车的运行品质，甚至威胁行车安全，迫使地铁高成本运营。就地铁钢轨而言，钢轨波磨这一长期存在的问题，在普遍存在小半径曲线的地铁网络中，呈现出了蔓延态势，全国范围内均有发生。钢轨波磨发生后，会显著恶化轮轨间动力相互作用，引发中、高频强振动，降低地铁列车运行平稳性和舒适性的同时，也会造成车辆、轨道关键部件振动疲劳及高噪声等次生问题，并威胁运行安全，大大增加了钢轨维修工作量和成本。因此，学术界针对钢轨波磨治理开展了持续研究，大量研究结果可见于文献。本文从减轻钢轨波磨所引起振动的角度出发，开展钢轨吸振器研究，为钢轨波磨治理提供参考。 首先，简单综述了关于钢轨波磨治理的国内外研究现状，具体包括钢轨打磨和钢轨吸振器减振两个方面，指出其各自的优缺点，也阐述了声子晶体理论的发展过程，及其在轨道交通领域的应用现状。在此基础上，利用声子晶体带隙理论，提出了针对地铁小半径曲线P2共振型波磨的钢轨吸振器设计方法，并将具体设计抽象、简化为“弹簧—阻尼—质量”模型，以引入到车辆—轨道耦合系统动力学模型中，建立考虑钢轨吸振器的车辆—轨道耦合动力学时域模型，评估车辆通过波磨段时钢轨吸振器的有效减振频段及效果。 车辆—轨道耦合动力学建模，以我国某地铁线路上的小半径曲线（R350m）为背景，重点分析了波磨激励下车辆—轨道系统的动力响应，发现模型可有效模拟系统的P2共振特征。利用此模型，分析了P2共振频率69Hz和39～84km/h通过速度前提下，波长146～312mm和波深0.04～0.4mm钢轨波磨激励下的轮轨垂向动力学响应。结果表明：速度和波磨波长变化时，轮对垂向动力响应均在69Hz达到最大值，说明所模拟的钢轨波磨确实与P2共振相关，可用于针对P2共振型波磨的更深入研究；与无钢轨波磨工况相比，钢轨波磨工况的轮轨垂向动力响应均明显提高，且响应频率与波磨通过频率吻合；随着波磨波深的增加，轮轨间动力学响应加剧，这与现场实际情况和以往研究结论相符。 以上述R350m地铁小半径曲线上发生的P2共振型波磨为例，将其通过频率或车辆—轨道系统的P2共振频率设为钢轨吸振器带隙的中间频率，利用声子晶体局域共振理论及声子晶体结构设计方法，得到了可抑制波磨激励下系统振动的钢轨吸振器，及其最优能带结构图。为应对不同通过频率的钢轨波磨，设计了对应不同带隙中心频率的钢轨吸振器，用于下文研究。为了在时域内分析钢轨吸振器的减振效果，利用等效建模方法，将所设计的钢轨吸振器抽象、简化为“弹簧—阻尼—质量”模型，引入到车辆—轨道耦合动力学模型中，在实际安装位置处与钢轨相连，建立考虑钢轨吸振器的车辆—轨道耦合动力学模型。 变化速度、波长、吸振器等参数，利用上述车辆—轨道耦合动力学模型，分析和评估了不同钢轨吸振器设计的有效减振频段及效果。无轨道谱激励的前提下，P2共振频率或吸振器带隙中心频率设为69Hz，车辆以39～84km/h速度通过波长221mm和波深0.2mm的波磨时，发现吸振器包覆层阻尼可以增宽有效减振频带，扩大其适用范围，但会减弱最大减振效果。仍忽略轨道谱，变化轨道和吸振器参数，模拟50、58和69Hz等三种P2共振频率和带隙中心频率，分析了车辆以55km/h速度通过不同波长钢轨波磨时的减振效果，波深保持0.2mm不变，发现最优减振效果均发生在带隙中心频率附近，与设计初衷吻合。吸振器带隙中心频率分别取50、58和69Hz时，有效减振频段分别为41～65Hz、52～73Hz和61～85Hz，最大减振效果相应为26%、27.7%和24.4%。利用时域评估方法预测的吸振器有效减振频段，略宽于且完全涵盖声子晶体理论预测的带隙，减振效果随带隙中心频率的变化呈现出重要的非线性。 将轨道谱考虑在内，仍针对50、58和69Hz等三种P2共振频率和带隙中心频率，分析了车辆以55km/h速度通过波深0.2mm、不同波长钢轨波磨时的减振效果。与上述无轨道谱工况相比，发现吸振器有效减振频带不发生值得考虑的变化，三个吸振器中心频率下的最优减振效果略微减低，依次变为25%、24.25%和22.67%。 最后，对本文的主要工作进行总结，并展望未来的研究方向。
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