基于声传递向量方法的车轮扁疤冲击噪声分析

建立一种基于声传递向量分析车轮扁疤冲击作用下轮轨噪声时频特性的模型。首先建立详细的车轮有限元模型进行模态分析,提取模态质量,模态振型等参数。结合车轮模态特征,并将钢轨视为Timoshenko梁,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立可以考虑车轮弹性变形和轮轨接触非线性的时域车轨耦合振动模型。通过轮轨动力学计算得到车轮扁疤冲击下的车轮和钢轨时域振动速度,并由快速傅里叶变换(FFT)获得轮轨接触点处轮轨振动速度的频谱;同时,采用边界元声传递向量(ATV)方法计算得到单位力作用下车轮与钢轨噪声辐射频谱。结合车轮扁疤引起的轮轨振动速度频谱、单位力作用下的速度导纳和噪声辐射频谱计算得到受声点处的声压谱,并通过快速傅里叶逆变换(IFFT)获得其声压时程。结果表明本文模型可以很好地模拟轮轨冲击振动和噪声的时域与频域特性。     

重载机车车轮擦伤下的轮轨动态响应

车轮踏面擦伤会造成剧烈的轮轨冲击作用,加剧车辆和轨道结构部件的疲劳破坏。为揭示实际车轮擦伤状态下的重载机车-轨道耦合振动响应特征,基于车轮擦伤的现场实测数据,拟合出了车轮擦伤模型。采用重载机车-轨道耦合动力学模型,详细考虑了钢轨垫层与扣件弹条相互作用,分别从时域和频域角度仿真计算了机车车轮擦伤引起的轮轨动态响应。研究结果表明:实际车轮擦伤呈不对称的几何形状;车轮擦伤激起的冲击力对轨道部件影响较大;车轮擦伤可能引发钢轨与扣件系统的短暂分离。研究结果可为踏面损伤识别、轨道部件检修提供理论参考。     

扣件胶垫刚度频变的车/轨耦合系统随机振动虚拟辛分析

运用无穷周期子结构的辛数学方法与虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合随机振动虚拟辛分析模型,并用以探讨扣件胶垫频变刚度对轮轨耦合系统随机振动的影响。研究结果表明:扣件胶垫频变刚度对车体垂向随机振动的影响可忽略不计,但却会改变转向架中高频的垂向随机振动幅值,同时还会显著提高轮对与钢轨的垂向随机振动最大功率峰与其第一主频;轮对垂向随机振动最大功率峰与其第一主频随着扣件胶垫刚度频变幅度或低频初始刚度的增大分别呈波浪式渐增与阶梯式上升的变化趋势;在铁路常用扣件胶垫刚度的变化范围内,轮对垂向随机振动最高功率峰的最大增幅是17.5倍,并且其第一主频的最大增量亦可高达40 Hz。因此,为精确预测车辆转向架、车轮及轮下系统的随机振动频域响应,需综合考虑扣件胶垫的低频初始刚度及其刚度频变幅度。     

扣件胶垫刚度频变的车辆-轨道耦合时变随机振动扩展辛分析

运用扩展辛数学方法、周期拟稳态求解法与随机振动虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合时变系统的随机振动扩展辛分析模型,高效计算了扣件胶垫频变刚度影响下车辆-轨道耦合时变系统的随机振动频域特征,并与车辆-轨道耦合时不变系统的随机振动频域特征进行了对比。研究发现:1）对于低速地铁线路而言,在现有扣件胶垫低频初始刚度及其刚度频变幅度的变化范围内,时变与时不变系统中车轮及轮下结构垂向随机振动加速度频谱的差异很小,因此地铁线路上应用定点激励模型可满足工程要求;2）在高铁线路上,扣件胶垫刚度的频变幅度越大,车轮及轮下结构垂向随机振动加速度的最高功率峰及其对应主频在时变与时不变系统内的差距也越大,因此在扣件胶垫刚度频变幅度较大的高速线路上采用动点激励模型才能保证较高的运算精度。     

地铁隔振措施对钢轨声功率特性影响测试分析

当列车通过浮置板轨道和减振型扣件轨道等减振区段时,车内噪声较大,影响乘客的舒适性。滚动噪声是车内噪声的重要组成部分,而钢轨声功率反映了钢轨滚动噪声能量的大小。为了研究地铁隔振措施对钢轨声功率特性的影响,对不同隔振措施下钢轨垂向振动沿纵向的轨道衰减率和钢轨加速度导纳进行了测试,计算分析了单位简谐点激励下的钢轨垂向振动相对声功率级。结果表明所测隔振措施通过降低轨道垂向刚度,改变了钢轨垂向振动的加速度导纳幅值和轨道衰减率。钢弹簧浮置板道床和减振垫浮置板道床提高了三分之一倍频程中心频率200 Hz以下的轨道衰减率,而GJ-III型减振扣件长枕整体道床的衰减率在中心频率2 500 Hz以下小于非减振型扣件长枕整体道床。钢轨在受到单位简谐点激励作用时,浮置板道床的钢轨声功率在200 Hz以下明显增大,而GJ-III型减振扣件长枕整体道床的钢轨声功率在500 Hz以下明显增大。     

基于频域和时域振动模型的轨道交通桥梁噪声预测对比分析

分别采用基于模态叠加法的时域车辆-轨道-桥梁耦合振动模型和基于移动粗糙度激励的频域耦合振动模型对某U型梁桥的动力响应进行仿真分析,对两种数值方法计算获得的轮轨力和桥梁振动加速度进行对比。然后分别结合2.5维声学边界元和三维声学边界元对两种振动模型的辐射噪声进行预测,并对比了两种模型获得的桥梁噪声频谱和空间分布规律。研究表明,两种模型获得的轮轨力基本相同,且峰值频率一致;考虑多车轮激励效应的频域振动模型和时域模型获得的桥梁振动加速度频谱较为吻合;基于两种振动模型预测的桥梁噪声频谱和声压空间分布吻合较好。     

铁道车辆-轨道-高架桥耦合系统振动功率流分析

为了降低轨道交通中高架桥结构的振动和二次噪声,应减少由轨道传递到高架桥结构的振动能量。结合车辆-轨道解析模型和高架桥有限元模型建立了频率域的车辆-轨道-高架桥垂向耦合模型,通过仿真计算分析了轮轨不平顺谱激励下传递到高架桥结构的振动功率流及参数影响。结果表明:对于整体道床轨道,钢轨扣件在高于车轮-轨道系统固有频率的频段具有隔振效果;钢轨扣件刚度减小10倍,则传递到高架桥的总振动功率级降低约10dB;钢轨垫片阻尼增加一倍,传递到高架桥的总振动功率级降低约1.3dB;车辆速度提高一倍,传递到高架桥的总振动功率级增加约6.6dB。     

扣件胶垫温变特性对车辆-轨道垂向耦合动力响应的影响分析

为了更加科学的表征扣件系统的温变力学特性,以此实现车辆-轨道耦合振动的精确预测,以高速铁路WJ-7B型常阻力扣件的扣件胶垫为研究对象,采用动态力学分析仪对扣件胶垫进行温度扫描试验,将试验所得的模型参数与基于格林函数法建立车辆-轨道垂向耦合动力学分析模型相结合,采用虚拟激励法分析扣件胶垫温变对车辆、轨道的结构振动响应的影响规律。计算结果表明:扣件胶垫的模量值和损耗因子具有明显的低温敏感性;扣件胶垫的温变特性对车体的振动响应基本无影响;转向架、轮轨力、轮对、钢轨在中频段内的振动响应峰值频率随温度降低均向右迁移,峰值减小;扣件胶垫的刚度和损耗因子在玻璃化转变区数值较大,导致轮轨耦合系统的刚度和损耗因子均较大,表现为振动主频的右移和高频振动响应的衰减。     

铁路钢轨扣件系统垂向动力模型及振动特性

该文针对铁路钢轨扣件系统,分别考虑了扣压件及垫层的弹性特性,并考虑了扣件系统中扣压件的预压力,建立了详细的垂向动力分析模型,并推导了钢轨受力方程,然后基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析了扣件系统垂向振动特性,结果表明:扣压件及垫层的弹性变形均受预扣压力及轮轨动态相互作用力的影响,扣压件及垫层作用在钢轨上的力均含有预扣压力及轮轨力的成分。因此,在铁路轨道扣件系统的动力分析与设计研究中,有必要分开考虑扣压件及垫层的弹性特性。     

扣件胶垫刚度的幅频变对轮轨耦合系统随机频响特征的影响

以热塑性聚氨酯弹性体（TPEE）的扣件胶垫为研究对象,首先利用万能试验机测得其荷载-位移非线性曲线。然后,借助非线性静力分析的有限元模型,计算车辆静载与弹条扣压共同作用下该类扣件胶垫的位移幅值及其对应的静刚度。最后,运用车辆-轨道垂向耦合随机振动分析模型,探讨聚氨酯胶垫的常量刚度、频变刚度与幅频变刚度对车辆-轨道耦合系统随机振动频响特征的影响规律。研究结果表明:聚氨酯胶垫的静刚度具有显著的非线性特征,而且在20 kN扣压力与80 kN静轮载共同作用下聚氨酯胶垫的静刚度在19.1 kN/mm~37.9 kN/mm范围内变化,其均值与规范中假设的线性常量静刚度26.7 kN/mm相近;另外,与聚氨酯胶垫的幅频变刚度相比,它的常量刚度会严重低估轮轨系统65 Hz~150 Hz的频域响应。因此,如果车辆-轨道系统中有刚度非线性较强的高分子材料,就必须综合考虑这些材料刚度的幅变与频变特征,否则将难以准确预测轮轨系统及其周边环境振动的频域响应。     

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。     

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。       

高弹扣件轨道车轮间振动波的反射对钢轨短波长波磨的影响

地铁线路使用高弹扣件的直、曲线段均出现严重的短波长钢轨波磨(25 mm^30 mm)。针对该问题,在时域建立多车轮板式轨道系统模型研究了车轮间钢轨振动波反射而引起的垂向动态轮轨作用力。轮轨之间非线性的滚动接触等效为二维接触模型,其中纵向滑移区内的磨损与切应力引起的摩擦功成比例。综合瞬时轮轨动力学、接触力学和轮轨的长期磨损,对单、多轮轨作用下高弹扣件地铁线路以及普通扣件线路中钢轨波磨的进化过程分别进行仿真,通过对比结果表明使用高弹扣件地铁线路钢轨短波长波磨异常增长主要原因是钢轨振动波在临近车轮间的反射使得垂向动态接触力剧烈波动而加速轮轨间的不均匀磨损。最后,调频钢轨吸振器(TRD)引入系统模型并分析了其对这类短波长波磨的抑制作用,仿真结果表明TRD可以有效缓解车轮间的振动波反射以及相关的短波长波磨的异常增长。     

城市轨道交通地下线振动源机理和频率特性EI北大核心CSCD

基于我国24个城市轨道交通地下线35个断面振动源的实测数据,分析了城市轨道交通地下线的振动源机理和时频特性,并利用钢轨、道床、隧道壁的实测振动数据识别车辆簧下质量和轨道耦合系统P2共振频率,导出扣件刚度;通过力锤敲击试验识别了轨道第1阶自振频率,导出扣件刚度。提出了P2共振和车轮磨耗激励频率是城市轨道交通环境振动和室内二次结构噪声的主要激励源之一,扣件垫板老化后刚度增大使P2共振频率提高,对二次结构噪声的贡献比对环境振动的贡献更为显著。Pined-Pined共振、轮轨粗糙度是城市轨道交通环境噪声和车内噪声的主要激励源。     

直线线路科隆蛋扣件地段钢轨波磨成因的理论研究

在我国地铁线路上发现科隆蛋扣件地段的钢轨波磨不仅发生在小半径曲线区段,而且在直线区段也会出现。基于轮轨摩擦耦合自激振动引起钢轨波磨的观点,研究了地铁直线线路上科隆蛋扣件地段的钢轨波磨,建立了轮轨摩擦耦合弹性自激振动模型。采用复特征值法和瞬时动态分析法研究了轮轨系统的运动稳定性和动态特性。计算结果表明在饱和蠕滑力作用下的直线线路科隆蛋扣件地段容易产生40~50 mm波长的钢轨波磨。当使用刚度较大的DTVI2扣件代替刚度较小的科隆蛋扣件时,直线线路上的波磨将得到抑制。因此,适当的增加扣件的刚度有助于抑制直线轨道上的钢轨波磨,然而该方法在曲线轨道上并不适用。     

减振型扣件理论研制和室内试验研究

扣件系统是影响轨道结构振动特性的关键因素,其刚度过大钢轨与轨枕或轨道板耦合作用减弱,钢轨的振动衰减率变小,过大耦合作用增强,会导致轨枕或轨道板振动增强。基于此,应用轮轨系统耦合动力学思想,得出一定轨道和车辆结构参数下的扣件的最佳匹配刚度。并基于铁路轨道设计规范设计制作了减振型扣件样品,通过疲劳测试和动力特性室内测试表明：疲劳前后静刚度损失为1.2kN/mm,扣压力损失为1.67kN,纵向阻力损失为1.6kN,表明扣件系统设计合理,组装疲劳性能合格;垂向激励和横向激励下,在0～5000HZ频段内,减振扣件对轨头、轨腰和轨脚的减振作用均很显著。     

高速列车运行产生的轮轨噪声预测

随着列车运营速度的提高，轮轨噪声是非常重要的噪声源。为了预测和控制高速列车在受到轮轨表面粗糙度和轮轨结构表面的不连续几何缺陷等激起的轮轨噪声，本文综合应用了车辆-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，开发了相应的预测软件WRNOISE，通过与已有的轮轨噪声预测模型TWINS、STTIN及实测数据的比较，研究表明：（1）本文所建模型的计算结果与TWINS模型的结果在噪声主频上是一致的，并且变化趋势也是一致的，这充分验证了本文所建模型的正确性。（2）跟STTIN模型相比，WRNOISE模型在预测车轮和钢轨噪声时更加充分，考虑了车轮的辐板和钢轨轨腰横向振动噪声的贡献。（3）跟有砟和无砟轨道路基区段噪声实测结果相比，WRNOISE模型计算结果与实测结果有一定差异，但从轮轨噪声辐射主导频率看，变化趋势基本一致。     

车轮谐波磨耗对轮轨蠕滑特性的影响分析

为探究车轮谐波磨耗对轮轨间蠕滑特性的影响,建立了4种不同轮轨关系下的车辆-轨道耦合动力学模型。基于多体动力学理论,以实测车轮谐波磨耗为依据,对比分析了4种模型的轮轨振动特性,得到最能反映真实情况的轮轨关系模型。基于柔性轮轨分析车轮谐波磨耗对轮轨蠕滑特性的影响,并进一步探究谐波磨耗下扣件刚度和速度对蠕滑特性的影响。结果表明:柔性轮下的振动响应要高于刚性轮,而刚性轨下的振动响应要大于柔性轨。其发生机理表现为柔性体的固有模态与谐波激励频率相近引发模态共振,使得柔性体的振动响应大于刚性体。对比分析结果表明多柔体更能反映轮轨真实接触状态;车轮谐波磨耗的阶次和幅值对柔性轮轨关系下的蠕滑特性影响显著,整体呈现出随阶次和幅值增大而增大的趋势,且高阶次下,幅值对蠕滑特性的影响更加显著。进一步发现扣件刚度对蠕滑特性的影响与速度呈现相关性,当速度低于250 km/h时,扣件刚度对蠕滑率/力的影响并不显著,但仍呈现出随刚度增大而减小的趋势;当速度高于300 km/h时,扣件刚度对蠕滑率/力的影响比较明显,呈现随刚度增大而增大的趋势。     

浮置板轨道参数激励振动研究

浮置板轨道结构中,浮置板布置的周期性和不连续性导致轨道刚度的周期性变化。车辆行驶在浮置板轨道上时,轨道刚度的周期性变化会引起参数激励振动。为了研究该问题,将钢轨和浮置板视为模态梁,钢轨扣件和隔振器视为线性弹簧-阻尼器;车辆采用相邻车厢距离最近的两台转向架模型,建立了车辆-浮置板轨道耦合动力学模型。应用该模型分析了浮置板轨道参数激励振动的形成机理及影响因素,提出了减小参数激励振动的控制措施。计算结果表明:振动的频率成分主要为车轮通过浮置板的频率及其倍频;轮轨作用力随着车辆速度的提高而增加,随着隔振固有频率的减小而增加;调整浮置板下隔振器的位置和刚度可以降低参数激励振动引起的轮轨作用力。     

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。