1、 地铁与轻轨课程 期末大作业 地铁与轻轨 结课论文 1 一、计算题 计算资料 重型轨道结构组成 线路条件：新建公路，曲线半径 800m；钢轨： 60kg/m， U71 新轨， 25m长标准轨；轨枕： 型混凝土轨枕 1760 根 /km；道床：碎石道碴，面碴 20cm，底碴 20cm；路基：砂粘土；钢轨支点弹性系数 D：检算钢轨强度时，取 30000N/mm；检算轨下基础时，取 70000N/mm。t =51 MPa；不计钢轨附加应力。 机车：韶山 SS1 型电力机车，三轴转向架，轮载 115kN，轴距 2.3 米。 试对轨道各部件强度进行检算。 解答 ： 轨道各部件强度验算 1) 机车通过曲线
2、轨道的允许速度的确定： 对于新建铁路，通过 R=800m，允许速度按 max 4.3vR 计算，由此得 vmax = 122km/h。 2) 钢轨强度的检算： SS1 电力机车的两个转向架距离较大，彼此影响很小，可任选一个转向架作为计算。由于三个车轮的轮重和轮距相同，两端的车轮对称，可任选 1、 2 轮或 2、 3 轮作为计算轮来计算弯矩的当量荷载 p 。 计算结果见表 1。 表 1 p 计算值 计算轮位 计算值 轮 位 p 1 2 3 1 P(N) 115000 115000 115000 105616 x(mm) 0 2300 4600 x 0 2.714 5.428 1 -0.0878
3、0.0062 p 115000 -10097 713 2 P(N) 115000 115000 115000 94806 x(mm) 2300 0 2300 x 2.714 0 2.714 -0.0878 1 -0.0878 p -10097 115000 -10097 地铁与轻轨 结课论文 2 计算步骤如下： (A) 计算 k 值 计算钢轨强度的 D = 30000N/mm，按无缝线路的要求，轨枕均匀布置，轨枕间距 a = 1000000/1760 = 570mm，有此可得 k = D/a = 30000/570 = 52.6MPa (B) 计算 值 44545 2 . 6 0 . 0 0
4、1 1 84 4 2 . 1 1 0 3 2 1 7 1 0uEJ (mm-1) 式中 J60kg/m新轨对水平轴的惯性矩，其值为 3217104 (mm4)。 (C) 计算 p 以 1、 2 轮分别为计算轮计算 p ，并选取其中最大值来计算钢轨的弯矩。 由表 1 可知，计算轮 1 的 p =105616 为其中的最大值，该值用以计算钢轨静弯矩。 (D) 计算钢轨静弯矩 M 11 1 0 5 6 1 6 2 2 3 7 6 2 7 14 4 0 . 0 0 1 1 8MP (Nmm) (E) 计算钢轨动弯矩 Md 查取电力机车计算轨底弯曲应力的速度系数公式为 0.6100v ，其计算值 为 0
5、 .6 1 2 2 0 .7 3100 1 0 .3 1 2 0 0 .0 0 6100v 由计算偏载系数 p ，式中的 h=75mm， p = 0.00275=0.15 选取 R = 800m的横向水平系数 f =1.45。 将上述系数代入计算公式，得 p1(1 ) 1 +dM M f = 22376271(1+0.73+0.15 )(1+0.006) 1.45 =61363701 (Nmm) (F) 计算钢轨的动弯应力 1d和 2d 查得新轨的 W1=396000mm3 及 W2=339400mm3。 则 1d 1 61363701 155396000dMW (MPa) 地铁与轻轨 结课论
6、文 3 2d 2 61363701 181339400dMW (MPa) 查得 25m长的 60kg/m钢轨的温度应力 t = 51Mpa。 则钢轨的基本应力为 轨底 1d +t = 155+51 = 206 (MPa) 轨头 2d +t = 152+51 = 232(MPa) U71 新轨的屈服极限 S = 405(MPa)，安全系数 K = 1.3，其允许应力为 405 3121.3 (MPa) 上述轨头和轨底的基本应力均小于 ，符合钢轨的强度检算条件。 3) 轨枕弯矩的检算 (A) 计算 k 和 值 计算轨枕弯矩时，用 D = 70000N/mm，由此可得 k 和 值： 70000 12
7、3.0570k (MPa) 4454123 0 . 0 0 1 4 64 4 2 . 1 1 0 3 2 1 7 1 0kEJ (mm-1) (B) 计算轨枕反力的当量荷载 P ， 其结果见表 2。 表 2 1P 计算值 计算轮位 计算值 轮 位 p 1 2 3 1 P(N) 115000 115000 115000 110416 x(mm) 0 2300 4600 x 0 3.358 6.716 1 -0.04147 0.00161 p 115000 -4769.05 185.15 2 P(N) 115000 115000 115000 105462 x(mm) 2300 0 2300 x
8、3.358 0 3.358 -0.04147 1 -0.04147 p -4769.05 115000 -4769.05 取表中最大的 P =110416N。 地铁与轻轨 结课论文 4 (C) 计算轨枕上动压力 Rd 速度系数按下式计算而得 ： 0 .4 5 1 2 2 0 .5 4 9100 1 0 .3 1 2 0 0 .0 0 6100v 偏载系数 p =0.002h = 0.00275=0.15； d 1 1( 1 ) 1 ( 1 ) 1 2pp aR R P 0 . 0 0 1 4 6 5 7 0+ + + 1 1 0 4 1 6 7 8 5 2 72 （ 1 0 . 5 4 9 0
9、 . 1 5） （ 1 0 . 0 0 6）(N) 作为算例 ,来 dR 确定轨枕弯矩。 计算轨下截面正弯矩如下 ： 对于 型轨枕 L=2500mm， a1=500mm， e = 950mm， 60kg/m 轨底宽 b =150mm，代如上式得 25 0 0 1 5 0 7 8 5 2 7 8 8 6 0 1 1 92 9 5 0 8gM Nmm 在计算轨枕中间截面弯矩时，可按两种不同中部支承方式的计算结果进行比较。 22 114 3 12 84(3 2 )cde L L a e aMRLe 224 9 5 0 3 2 5 0 0 1 2 2 5 0 0 5 0 0 8 9 5 0 5 0 0
10、 785274 ( 3 2 5 0 0 2 9 5 0 ) 7435003 Nmm 10 .5 kNCMm 14 2 5 0 0 4 5 0 0 7 8 5 2 7 9 8 1 5 8 7 544cdLaMR Nmm 10 .5 kNCMm 显然，轨枕中部满支承所产生的负弯矩比中部部分支承的负弯矩大 32%。 4) 道床顶面应力的检算： 对于 型轨枕，其中部 600mm 不支承在道床上时， e= 950mm；中部支撑在道床上时， e= 1175mm， b =275mm，所以按照上述两种支承情况可算得道床顶面压应力为 地铁与轻轨 结课论文 5 78527 1 . 6 0 . 4 8 12 7 5
11、 9 5 0db R mbe (MPa) 或 78527 1 . 6 0 . 3 8 92 7 5 1 1 7 5db R mbe (MPa) 上述 b b =0.50 Mpa，满足道床强度条件。 5) 路基面道床压应力的检算： 有两个检算道床应力的方案，一是根据已知的道床厚度，检算路基面的道床压应力；或是根据路基填料的允许应力反算所需的道床厚度。 第一方案计算方法如下： 计算 h1 和 h2： 4.1 9 61 8 035c t g22 7 5c t g21 bh (mm) 0.83918035c t g21 1 7 5c t g22 eh (mm) 由已知条件，道床的计算厚度 h = 20
12、0+200/2 = 300mm。所以计算厚度在 h1 和 h2 之间，计算 r ，得 78527 0 . 12 2 3 0 0 0 1 1 7 5 3 5dr Rh e t g t g 6 (MPa) b = 0.13(Mpa) 第二方案计算如下： 78527 3672 2 1 1 7 5 0 .1 3 3 5drRh e tg tg (mm) 所需道床厚度大于设计的道床厚度，未通过检算。 地铁与轻轨 结课论文 6 城市轨道交通 减振 降噪对策研究 摘要 ： 城市轨道交通的快速发展在创造良好的经济和社会 效益的同时，也不可避免地 给城市带来了振动和噪声问题，有效解决这一问题 对于改善沿线居民的
13、生活环境，实现 城市轨道交通可持续发展具有 重要的现实意义。 本文通过对 轨道交通振动和噪声产生的 原因进行分析，结合常用减振降噪的途径，针对性的提出了 减 振降噪 的 措施，最后对减振降噪技术的发展做出了展望 关键词 ： 城市轨道交通；减振降噪；对策 0 引言 城市轨道交通具有速度快、舒适 和节能等优点 ， 我国已将城市交通轨道化发展列为今后发展 的重点。地铁作为现代化大中城市交通发展的首选，其优势显得越来越突出。但随着地铁的运营与发展而带来的弊端 -振动和噪声污染也给人们的生活环境造成了一定的 负面 影响。上海、南京等地就先后出现过因市民投诉地铁振动、噪声影响居民生活而在开通运营后进行噪声
14、治理、列车限速的情况 1。由于大家对于环保的逐步重视和对生活品质要求的不断提高，地铁的振动和噪声扰民问题已经成为地铁设计过程中亟待解决的问题。 1 振动与噪声对人的影响 1.1 振动对人的影响 国际标淮化组织采用四个物理参数来规定人对振动的响应，这四个参数是：振动频率、振动水平、振动作用于人体的方向和暴露时间 3。人处于振动环境中，将会引起人体生理和心理的效应。例如感到不舒服、麻感、头晕、困倦，严重时出现出汗、头痛、心慌甚至损害到人体心脏。 而当人处于较强振动环境中，就会严重影响人的安全和健康。 1.2 噪声对人的影响 大量研究表明 3噪声危害人的听力，发生高频听力损伤甚至于耳聋 或耳鼓 膜破
15、裂。在噪声的影响下 ， 可能诱发疾病：噪声作用于人的中枢神经系统， 致使人的基本生理过程，即大脑皮层的 兴奋与抵制的平衡 失调，导致条件反射异常，感到疲劳、头昏脑涨等； 噪声 还影响人的其他 器官。噪声可使交感神经系统紧张，从而产生 心律不齐、 消化不良、体质减弱等。 噪声影响人们的休息和睡眠 ,干扰人们的谈话、听广播、打电话 等日常生活。 在强噪声环境下工作，人们容易心情烦躁，容易疲劳，反应迟钝，工作效率大 大降低。 噪声对建筑物和地铁与轻轨 结课论文 7 仪器设备也有危害， 如 在强噪声作用下材料因噪声疲劳而引起裂纹甚至断裂 等现象。 2 城市轨道交通振动及噪声来源分析 2.1 轨道交通振
16、动的来源 轨道线路是由直线、曲线或平道 及高架桥梁、隧道等组成，它不可能始终保持平直，线路的走向、表面的不平顺， 甚至线路基础的弹性变化都会引起运行车辆的振动 4。另外急剧变化在地铁运行中，由于站间距小，启制动频繁，加减速度大，引起纵向力急剧变化，使纵向力加大，纵向振动加剧。 （ 1）高架桥梁上运行的振动来源 当地铁在高架桥梁上运行时，地铁 高速行进是地铁振动的主要发生源，具体来源于列车的轮轨系统和动力系统，其表现为 以下几个方面： 列车行驶时，对轨道的重力加载产生的冲击，造成车轮与轨道结构的振动 ； 地铁车辆运行时，众多车轮与钢轨同时发生作用所产生的作用力 ，造成车辆与钢轨结构 (包括钢轨、
17、构件 等 )上的振动 6； 车轮滚过钢轨接缝处时，轮轨相互作用产生的车轮与钢轨结构的振动 ； 轨道的不平顺和车轮的粗糙损伤等随机性激励产生的振动 ； 车轮的偏心等周期性激励导致的振动。 （ 2）地下线路运行的振动来源 地铁在地下线路运行时影响振动源的因素涉及到车辆、轨道、道床、隧道、地质条件等方面。地下铁道轮轨间相互作用而产生的振动传递给隧道结构，继而又传递给周围的土壤。振动通过土壤再向邻近的建筑物传播，从而导致地下及墙壁的振动和噪声向建筑物内房间的第二次辐射，它是一种低频声响，就如同外界振动使房间中的窗户发出的 “喀喀 ”声响。 列车振动引起的沿线地面建筑物的振动，其振级的大小与建筑物的结构
18、形式、基础类型以及与地铁线的距离有密切关系。 2.2 轨道交通噪声的来源 城市轨道交通按产生噪声的声源可分为轮轨噪声、 列车运行车体噪声 、 牵引动力系统噪声、高架轨道噪声、地下铁道的地面承载噪声及客运站人群噪声等。 （ 1）轮轨噪声 钢轨与车轮之间相互作用而产生的声响。车轮和轨道相接触处产生力的相互作用，造成车轮和轨道的振动而向外辐射声波。轮轨噪声是城市轨道交通的主噪声源。轮轨噪声主要有摩擦噪声、撞击噪声和轰鸣噪声。 （ 2） 列车运行车体噪声 车体噪声包括两部分，一是机车、车辆车体因振动而辐射的结构噪声以及牵引噪声经机车车体做二次辐射噪声，此类噪声呈中、低频特征 2；另一是列车表面与空气作
19、用，气体粘滞性在列车表面引起附面层压力变化，激发表面振动 ;同时产生气流涡旋和摩擦冲击、形成高频气流噪声。 （ 3）牵引动力系统噪声 牵引动力系统噪声为机车所特有，指机车动车组、各种辅助装置、设备 (冷却风扇、齿轮地铁与轻轨 结课论文 8 箱等 )在运作时所产生的机械性噪声、电磁噪声和空气动力噪声。 （ 4）制动噪声 制动系统噪声主要指实施制动时产生自激振动形成的噪声。此外，制动系统中销套与销轴之间的间隙在运行中相互撞击也产生噪声 2。 （ 5） 高架轨道 噪声 列车通过高架桥梁时，轮轨作用除了使车轮和轨道直接向外辐射噪声之外，还要向桥梁的各个构件传递振动能量，激发桥梁的各个构件产生振动，并形
20、成噪声的二次辐射。由于采用高架结构，声源位置提高，噪声影响范围扩大。 （ 6）地下铁道的地面承载噪声 轮轨之间的相互作用而引起的振动响应沿轨道结构通过岩层和土壤层向临近的建筑物传播，其产生的声学效果是引起低频轰响声。这种低频声的传播距离远，影响范围广，使临近建筑物的墙体、地板和天花板产生振动的感觉，并由此产生低频轰响声，即二次辐射噪声 15。 3 城市轨道交通减振降噪对策 3.1 减 振 降噪主要途径 一般来说，振动和噪声的控制途径主要分为主动控制和被动控制 15。主动控制是通过优化结构和提高结构精度，减小干扰，通过控制振动源和噪声源以达到降低振动噪声的目的，这是减振降噪最有效的方法。被动控制
21、是指采用振动、噪声隔离或吸收技术，切断 振动波和噪声波，通过控制振动和噪声的传播以达到降低振动和噪声的目的。 减振降噪措施往往是相辅相成的，所以将两者合起来一起考虑往往会取得很好地效果。 3.2 城市轨道交通减振降噪 对策 3.2.1 振动噪声源的控制 （ 1） 车辆的减振降噪 对于设计方面， 将车体外形设计成流线 型，使之具备良好的气动外形 ； 车体结构采用轻质、高强材料制造， 使车体轻质，且具有足够的强度和刚度 ； 对机车车辆动力系统的转动部件进行转子动力学设计，使系统的工作频段远离共振 区 和不稳定区，尽量避免电磁 耦合 激发振动和噪声 ； 用改变车轮结构的方法来改变噪声的发射性能，可降
22、低轮轨噪声 ， 如德国通过把制动盘放在轮心上来减少噪声。 其次， 对机车相关部件进行优化也可显著改善振动和噪音的产生。 在车辆动力驱动系统中应用直线电机技术，可省去齿轮箱等一系列传动机构， 减少了许多噪声源，有相关资料显示 6，其 噪声水平比一般车辆 可降低大约 10dB。 采用径向转向架能避免车轮在钢轨上的蠕动，使车辆能顺利地通过曲线，减少轮轨磨耗和消除常规转向架通过曲线时的 尖叫声，其 噪声 亦比一般车辆降低近 20dB6。 此外， 采用弹性车轮和 阻尼 车轮及弹性踏面车轮等技术，亦可显著隔振降噪。 （ 2） 轨道结构的减振降噪 轨道结构主要由钢轨、扣件及轨下基础组成 。调查相关文献， 轮
23、轨之间的振动噪声与轨地铁与轻轨 结课论文 9 道各部件的质量、刚度以及结构阻 尼密切相关 13。 显而易见，轨道结构的减振降噪最佳控制手段应该是在设计和施工阶段就完成。例如 ：可采用焊接长钢轨， 可减少因列车通过钢轨接头所产生的振动噪声 ，最好 铺设无 缝轨道 ； 采用防振型钢轨 ， 在钢轨轨腰两侧粘贴防振吸音材料 (如橡胶 等 ) 11，可有效地减少噪声（ 如图1）； 采用弹性支承块式无碴道床轨道 或者 采用弹性扣件 ， 轨道的弹性，尤其是刚性基础整体道床结构的弹性，主要取决于扣件的弹性， 弹性构件 能大大降低轨道整体支承刚度，显著提高轨道的减振降噪性能； 采用浮置板式轨道结构 11， 该结
24、构使用扣件把钢轨固定在钢筋混凝土浮置板 上，浮置板置于橡胶支座上， 可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载，只有静荷载和少量残余 动荷载会通过弹性元件传到基础结构上 （如图 2） ； 此外，亦可采用所谓的梯形轨道，其横截面为梯形，它 大幅度提高荷载的分散能力，又可补充钢轨本身的刚性和质量的性能特点，是一种能提高弯曲刚度和剪切刚度，实现了相当于减少车辆簧下质 量的较理想的整体减振系统。 图 1 防振型钢轨示意图 11 图 2 浮置板轨道结构的安装示意图 11 对于已在运营阶段的轨道线路，可以 在小半径曲线地段钢轨侧面经常涂油，定期对钢轨表面进行打磨，对车轮进行漩削， 以控制轨道的不平顺度，
25、保证轮轨接触面的良好状态，从而获得良好的减振降噪效果。 （ 3） 高架线路和桥梁的减振降噪 目前，高速轨道交通的高架桥绝大部分采用箱形梁桥，而 箱形梁内部 空腔的声场共振会使箱形梁的噪声辐射增强。因此，有必要研究箱 形梁的减振降噪措施 。 控制桥梁振动噪声最有效的方法， 在箱形梁腔内 安装动力吸振器。其次。亦可 在箱形梁腔内设置隔声板，将箱形梁腔内的声学共振频率向上移至轨道交通 噪声的主要频段以外，则可有效降低桥 振动噪声 。 对于箱梁梁腔的外部结构，可以 铺设轻质吸声桥面和路面。高架轨道交通线的桥面是声反射面，降低桥面的 声反射可以大大降低列车通过时的噪声， 即在桥面铺浇一定厚度的多孔混凝土，既不影响检修者行走， 又有一定的吸声效果；此外，设置隔振支座， 通过调整减振支座的刚度，从而控制结构的振动频率和周期，避开列车运行引起的竖向振动频率，达到减振和降噪的 效果； 在高架桥上安装吸声天棚或悬挂空间吸声体等吸声结构，可以大大降低桥梁 振动的辐射噪声。
