高速列车通过钢轨焊接接头时引起的轮轨冲击噪声的研究

高速铁路采用无缝钢轨铺设,大大地降低了轮轨通过钢轨接头时产生的轮轨冲击噪声。但是由于焊接钢轨时工艺不良和焊接材料与钢轨材料间存在性能差异等原因,车轮滚过这些焊接接头时产生的轮轨噪声远大于其它地方。为了探明钢轨焊接接头对轮轨噪声的影响,综合运用车辆-轨道耦合动力学理论、随机振动理论和声辐射理论建立了轮轨噪声预测模型,计算分析了高速列车通过钢轨焊接接头时的轮轨噪声。研究结果表明：焊缝凸台引起的轮轨冲击噪声主要集中在1250～3000Hz范围内。钢轨凹陷型焊缝引起的轮轨冲击噪声主要集中在400～1250Hz范围内。钢轨焊缝处短波不平顺波长增大,轮轨噪声声级最大值有所减小;短波不平顺波深增大,轮轨噪声声级最大值有所增大。     

嵌入式轨道弹性材料特性对钢轨振动与声辐射的影响

嵌入式轨道是一种普遍用于城市轨道交通减振降噪的轨道结构,该种轨道的钢轨埋置在高分子弹性材料中,只有轨头露出表面,所以高分子弹性材料是嵌入式轨道结构起到减振降噪作用的重要部分。利用轮轨滚动声辐射理论和有限元—边界元法,建立嵌入式轨道模型,调查高分子弹性材料弹性模量对嵌入式轨道结构振动声辐射的影响。在轮轨激励作用下,计算轨道结构的振动和声辐射响应,分析轨道结构辐射噪声的频谱规律。通过改变弹性材料的弹性模量,对比轨道结构振动沿纵向的衰减效果和沿横向的衰减效果,分析高分子弹性材料弹性模量对轨道结构减振特性的影响。     

客运专线高架轨道结构振动特性实测研究

针对轨道不平顺条件下高速客运专线桥上CRTSII型板式轨道的振动特性进行现场实测,对轮轨力、轨道结构的振动响应进行时域和频域的对比分析。结果表明:在轨道不平顺等影响因素作用下,上、下行方向列车以相近的速度运行时对轨道结构产生的冲击作用也相近。钢轨的振动主要由于轮轨表面不平顺激励所产生。在轮轨相互作用下产生的高频振动主要集中在钢轨上,而由于扣件系统的弹性减振作用,轨面不平顺引起的高频振动在轨道板和桥面板上体现不明显,由离散支撑导致的中频振动占据主要成分。列车荷载作用下,振动在轨道结构纵向传递主要在钢轨内部实现的。     

考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究

在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。     

嵌入式轨道的振动噪声特性及优化研究

结合有限元和边界元法对有轨电车以60 km/h运行时的嵌入式轨道振动噪声特性进行分析,结果表明嵌入式轨道槽内结构振动显著,可以有效地进行振动能量耗散。嵌入式轨道沿着垂向和横向上的减振效果明显。嵌入式轨道的主要辐射噪声频段为250 Hz～1 200 Hz,尤其表现在400 Hz～500 Hz和800～1 000 Hz频段内。嵌入式轨道槽内结构噪声贡献显著,轨道板噪声贡献量较小。通过槽内材料参数优化,分别得到浇注料、降噪块和弹性垫板的最优的弹性模量和阻尼损耗因子,并分析噪声敏感参数,以降噪块形状为优化方向,分析得到较优的嵌入式轨道型式。综合材料参数和降噪块形状优化结果,辐射声功率级总值可以降低1.7 dB(A)。     

高速轮轨瞬态响应特性对弹条伤损的影响

研究高速轮轨瞬态响应特性对SKL15弹条伤损的影响。在现场调查测试阶段,通过DASP软件获取该弹条自由和组装状态下的振动特性;在计算机仿真阶段,通过ABAQUS建立包含列车轮对、CRTS-III型轨道板以及砂浆层的三维实体有限元模型,并利用隐-显式结合的方法模拟高速轮轨瞬态滚动过程,在轮轨近似达到稳态滚动之后施加切向力模拟轮轨纵向蠕滑力达到饱和,使轮对处于滚滑状态,获取轮轨接触面上某节点的垂向加速度时域结果,再对其进行功率谱密度分析,获取其频域特性。通过现场调查测试与计算机仿真得出如下结论:在轮轨系统纵向蠕滑力饱和条件下,轮轨系统在500 Hz和600 Hz附近的不稳定振动可能引发弹条共振造成弹条伤损。     

嵌入式轨道的振动噪声特性及优化研究

摘 要：结合有限元和边界元法对有轨电车以60km/h运行时的嵌入式轨道振动噪声特性进行分析,结果表明嵌入式轨道槽内结构振动显著,可以有效地进行振动能量耗散。嵌入式轨道沿着垂向和横向上的减振效果明显。嵌入式轨道的主要辐射噪声频段为250~1200Hz,尤其表现在400~500Hz和800~1000Hz频段内。嵌入式轨道槽内结构噪声贡献显著,轨道板噪声贡献量较小。通过槽内材料参数优化,分别得到了浇注料、降噪块和弹性垫板的最优的弹性模量和阻尼损耗因子,并分析了噪声敏感参数,以降噪块形状为优化方向,分析得到了较优的嵌入式轨道型式。综合材料参数和降噪块形状优化结果,辐射声功率级总值可以降低1.7dBA。     

不平顺条件下高速铁路轨道振动的解析研究

为了分析不平顺条件下高速铁路轨道结构振动,推导了移动车辆在轮对处和轨道结构在轮轨接触点处的柔度矩阵,考虑移动轴荷载和轨道不平顺,建立了移动车辆-轨道垂向耦合振动的解析模型.模型中,移动车辆考虑为弹簧和阻尼器连接的多刚体系统;有碴轨道结构模拟为连续弹性3层梁;轮轨间考虑为线性赫兹接触.算例分析了单台TGV高速动车引起的有碴轨道结构振动,得到轨道不平顺引起的动态轮轨力和轨道各部分的最大振动加速度,研究了列车速度、轨道不平顺以及轨下垫板及扣件、道床和路基等轨下基础刚度对轨道振动的影响.计算表明:随着列车速度和轨道不平顺的增加,轨道结构的振动响应不断增大;轨下基础刚度对轨枕和道床的振动影响较大,对钢轨振动的影响较小.     

基于振动能量的城市轨道交通减振轨道刚度研究

为确定城市轨道交通减振轨道的合理刚度,建立了车辆-轨道耦合动力学模型,计算了3～200 kN/mm钢轨支座刚度及3～6级不平顺谱工况下轨道的动力响应。通过小波包分析对系统振动速度、加速度信号的能量特性进行了处理,获得了轨道振动能量随钢轨支座刚度及不平顺的变化规律,最后以轨道系统总能量最低为标准,提出了城市轨道交通减振轨道最优刚度建议值。结果表明：轨道速度信号能量随钢轨支座刚度单调递减;轨道加速度信号能量随钢轨支座刚度先减小后增大;高刚度轨道对不平顺敏感,不平顺的增大会加剧轮轨振动;城市轨道交通减振轨道钢轨支座刚度最优值为5～10 kN/mm,可通过扣件减振措施与枕下减振措施组合实现,钢弹簧浮置板道床措施适用范围最广。     

两种型面轮轨滚动接触蠕滑率/力的比较

本文从数值方面详细分析了两种型面轮对和轨道在滚动接触过程的接触几何、蠕滑率和蠕滑力。在利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论进行轮轨蠕滑力分析时，首先利用有限元方法确定了因轮轨的弹性变形而引起轮轨接触点处的弹性位移差。并利用弹性位移差修正Kalker理论中由Boussinesq和Cerruti公式确定的力和位移的影响系数，使本文的数值过程能考虑到轮轨结构变形对轮轨接触斑的影响。通过计算分析可知，在轮对运动状态相同的情况下，磨耗型轮对和轨道之间的力学行为与锥型轮对和轨道之间的力学行为相比，存在较大差异。数值结果有助于进一步分析轮轨之间的磨耗、滚动接触疲劳和轮轨使用寿命，为采取相应措施提供理论依据。同时发现目前我国铁路所采用的1/40轨底坡与目前正在全面推广使用的磨耗型轮对不是处于最佳匹配状态，有待进一步改进。     

轮对运动状态对轮轨滚动接触应力的影响

分析计算了锥型踏面轮对沿轨道滚动接触时轮轨接触几何参数和不同运动状态下的轮轨之间的刚性蠕滑率。根据确定的轮轨接触几何参数和轮轨接触界面之间的蠕滑率,利用非Hertz滚动接触理论分析计算了锥型轮对和钢轨滚动接触斑作用力的分布。再利用弹性力学中Bossinesq-Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定了轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力随轮对运动状态变化情况。数据结果为轮轨强度设计提供了重要的参考依据。     

地铁轮轨耦合不平顺激励对轨道振动影响分析

轮轨动态输入激励直接影响车辆-轨道耦合模型的计算结果。目前在地铁列车环境振动振源研究中,大多只考虑了轨道不平顺的激励而忽略了车轮不圆顺的影响。为了构建地铁轮轨耦合不平顺激励、综合分析轨道不平顺以及车轮、钢轨的磨耗状态对轨道动力响应的影响,对一列地铁列车进行了车轮不圆顺的现场测试,同时对一段区间隧道内的轨道不平顺和钢轨粗糙度均进行了测试。基于车辆-轨道耦合频域解析模型计算了轨道动力响应,比较了不同轮轨激励模式对计算结果的影响。同时,在同一区间隧道内实测了钢轨振动响应,用以验证不同激励模式计算结果的准确性。结果表明:美国谱和Sato谱会低估车轮不圆顺典型波长控制频段的振动响应,从而难以准确获得8 Hz~200 Hz频段的振动响应;按能量叠加方法获得的轮轨耦合不平顺谱可反映完备的轮轨激励信息,以此作为激励,在8 Hz~200 Hz频段,可计算获得与实测值更相近的模拟计算结果。     

轨道交通噪声计算方法研究

通过建立轨道交通噪声理论计算模型，研究了轮轨相互作用关系及由轮轨表面不平顺而引起的滚动噪声，给出了车轮、钢轨辐射噪声声压级谱关系式，利用有关文献中给定的实验数据，计算了因轮轨表面粗糙度而引起的城市轨道交通噪声，计算结果表明大约在1700Hz以下频段，主要以钢轨振动噪声为主，而在1700Hz以上频段，车轮振动噪声占主导地位。     

轨道接头压陷激励下轮轨垂向振动分析

本文基于车辆－轨道耦合大系统的思想，将钢轨简化为弹性点支承有限长的欧拉梁、轮轨接触关系采用弹簧接触，建立了轮轨动力学模型。对车轮匀速行驶过程中，在轨道接头压陷激励下轮轨相互作用产生垂向振动响应作了分析。并得出车速、轨头压陷波深对振动的影响。     

车轮状态变化对重载货车轮轨作用力影响

重载货车在实际的生产及服役条件下,轮轨之间的相互作用不仅受各种轨道不平顺激励的影响,也会受到车轮状态变化的激励作用。从车轮运行状态的角度研究重载货车轮轨间相互作用,分别以车轮磨耗前后踏面形状、车轮多边形化、车轮质量偏心和轮对结构变形四种车轮运行状态来模拟分析车轮各状态参数与轮轨垂向作用力的关系,并总结其影响规律。研究表明：车轮踏面形状主要影响轮轨接触斑面积以及接触应力分布,磨耗后车轮比新轮的接触应力分布范围更广泛;在不同速度下,车轮多边形化的波深、相位差及谐波阶数对轮轨垂向力产生不同程度的影响;车轮质量偏心对轮轨产生周期性垂向冲击,但振动幅度并不大;轮对挠度的动态变化对轮轨动态接触载荷影响比较显著,尤其是轮对结构弯曲振动加剧了轮轨垂向动作用力。     

扣件刚度频变特性对轮轨振动噪声的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论和声学理论,建立了考虑扣件刚度频变特性的轮轨滚动噪声频域分析模型。模型中,通过车轮有限元分析获得其模态特征向量,建立考虑车轮弹性的动力学方程;钢轨视为由刚度随频率变化的扣件离散支承的铁摩辛柯梁模型;通过等效线性化轮轨接触形成轮轨耦合动力学频域分析模型;将轨道粗糙度作为输入并考虑接触区滤波,计算得到了车轮和钢轨的振动响应频谱及声辐射功率频谱,并分析了扣件刚度频变特性对轮轨垂向振动以及轮轨滚动噪声的影响。结果表明,扣件刚度的频变特性对钢轨导纳特性、轮轨相互作用力频谱、钢轨总声功率影响明显,而对车轮总声功率影响较小;与扣件常刚度模型计算结果相比,钢轨振动沿纵向传播的衰减率增大,钢轨声辐射功率在100~1 250 Hz频段明显减小,轮轨总辐射声功率约减小2.4 dBA,轮轨噪声辐射声压预测值与试验结果对比表明,频变刚度模型可有效修正常刚度系数模型对轮轨噪声的过高估计。     

新型转轨空间动态耦合模型

基于车辆－轨道耦合动力学理论,建立了新型轮轨空间动态耦合模型。详细研究了充分考虑钢轨横向、垂向和扭转振动以及轨道不平顺作用下,轮轨空间动态接触几何关系、轮轨法向力以及轮轨蠕滑力的求解模型。突破了传统车辆力学中关于轮轨刚性接触和始终接触的假设。最后,与国际著名软件NUCARS的数值仿真比较和与我国线路试验的结果比较表明,本文所建立的新型轮轨耦合关系模型是正确有效的。     

有砟轨道动力性能分析的频域方法

建立有砟轨道的三层连续弹性支承模型,推导了钢轨、轨枕和道床的运动方程,并在频域内求得简谐激励下的稳态响应。再引入轮轨相互作用频域模型,并借助动柔度法计算轮轨力。在此基础上,采用MATLAB平台自编程序,实现轨道不平顺激励下的频域分析。在案例分析中,综合考虑轮轨力、力传递率、轨道各部件的振动等指标,对弹性扣件、枕下弹性垫板、复合轨枕、道砟垫以及它们的组合等多种减振措施进行对比。结果表明：减振措施使得系统的固有频率发生改变,进而导致各指标在不同频率范围出现复杂的变化规律;相比于弹性扣件,枕下弹性垫板和道砟垫表现出更好的综合效果,而复合轨枕的减振效果有限。     

有砟轨道动力性能分析的频域方法

建立有砟轨道的三层连续弹性支承模型,推导钢轨、轨枕和道床的运动方程,并在频域内求得简谐激励下的稳态响应。再引入轮轨相互作用频域模型,并借助动柔度法计算轮轨力。在此基础上,采用MATLAB平台自编程序,实现轨道不平顺激励下的频域分析。在案例分析中,综合考虑轮轨力、力传递率、轨道各部件的振动等指标,对弹性扣件、枕下弹性垫板、复合轨枕、道砟垫以及它们的组合等多种减振措施进行对比。结果表明:减振措施使得系统的固有频率发生改变,进而导致各指标在不同频率范围出现复杂的变化规律;相比于弹性扣件,枕下弹性垫板和道砟垫表现出更好的综合效果,而复合轨枕的减振效果有限。     

铁路钢轨打磨目标型面研究

提出一种基于轮轨接触界面法向间隙的钢轨踏面设计方法,寻找了重载线路上较小轮轨接触应力水平的钢轨打磨目标型面,为新铺设钢轨预打磨及预防性打磨方案的设计提供理论依据。根据三维非赫兹滚动接触理论寻找了轨头的优化范围,在此范围内能保证轮对动态横移过程中,轮轨接触点附近最小法向间隙的钢轨轨头外形。针对重载线路轮轨伤损严重的问题,利用目前的方法对现有的60kg/m钢轨进行了优化设计。利用车辆-轨道耦合动力学理论及三维弹性体非赫兹滚动接触理论对优化前后钢轨踏面与原车轮接触时静态接触性能及动态接触性能进行了分析。结果表明,优化后轮轨界面之间具有较好的"共形"接触特性,在不降低车轮其他动力学性能的情况下,钢轨踏面优化后的轮轨接触应力显著地降低,并且使左右轮轨磨耗程度趋于均衡,可以有效降低轮轨磨耗与滚动接触疲劳。