地铁线路先锋扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响

基于轮轨摩擦自激振动诱发钢轨波磨的观点,研究地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响。根据现场调研建立车辆-轨道的多体动力学模型,验证列车通过地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道时轮轨间的蠕滑力饱和情况;基于动力学模型建立相应的导向轮对-钢轨有限元模型,利用复特征值法分析轮轨系统的摩擦自激振动特性。预测得到的轮轨系统不稳定振动频率与诱导钢轨波磨的振动频率相符,验证了建立的导向轮对-钢轨有限元模型的正确性。利用控制变量法研究扣件结构参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律,发现轮轨摩擦自激振动发生的可能性随着扣件垂向刚度的增大而轻微增加,随着垂向阻尼的增大而明显降低;随着扣件横向刚度和横向阻尼的增大,轮轨摩擦自激振动发生的可能性降低。因此,增大先锋扣件垂向阻尼、横向刚度和横向阻尼,有助于抑制地铁线路先锋扣件支撑曲线轨道的波磨。     

地铁浮轨式减振扣件轨道的轮轨接触有限元分析

为了探究浮轨式减振扣件轨道存在的短波长钢轨波磨问题,采用有限元软件ABAQUS建立三维轮轨静态接触的数值模型,探讨轨道扣件系统垂向刚度和支撑方式对轮轨接触时接触斑、接触压力和钢轨位移等接触参数的影响。结果表明:轨下结构(扣件实体、轨道板等)对浮轨式减振扣件轨道的轮轨静态接触参数影响很小;采用轨腰支撑的浮轨式减振扣件的最大接触压力大于DTVI2型扣件,接触面积小于DTVI2型扣件;浮轨式减振扣件轨道钢轨垂向位移为与DTVI2型扣件的5倍左右,横向位移比DTVI2型扣件轨道小5.2%～13.2%,钢轨翻转角比DTVI2型扣件大146.3%～206.1%;浮轨式减振扣件的垂向刚度对轮轨接触压力分布、接触面积、钢轨横向位移及钢轨翻转角基本没有影响,而对钢轨垂向位移影响较大,垂向刚度越大钢轨垂向位移越小。浮轨式减振扣件较大的钢轨垂向位移及翻转角,降低了轮轨接触的稳定性,易导致波动的轮轨力,萌生钢轨波磨现象,因而需改进该类型扣件的设计,以降低钢轨翻转角。     

扣件支撑长度对车轮-轨道耦合振动的影响

根据轨道结构的链式特征,提出考虑扣件支撑长度的车轮-轨道系统振动的传递矩阵分析方法。对轨道系统的垂向固有振动特性、簧下质量作用时的轮轨垂向振动特性及扣件支撑长度的影响机理进行了分析,结果表明,轨道系统的第1、2固有振动模态分别为钢轨和轨枕的同相和反相共振,其频响特征由钢轨抗弯刚度和分布质量、轨枕质量及扣件和道床的刚度和阻尼决定,不受扣件支撑长度的影响。扣件支撑长度对钢轨pinned-pinned共振和反共振影响显著,随着扣件支撑长度的增加,钢轨的pinned-pinned共振和反共振效应逐渐削弱。簧下质量作用时,轮轨系统的振动主要以P2共振的形式出现,其频率明显低于轨道系统的第1固有频率,轨道系统的振动在pinned-pinned共振区受扣件支撑长度的影响显著。轮轨冲击响应分析表明,轮轨撞击过程中体现了明显的P2共振特征,在撞击初始阶段存在高频P1力波动,显著的轮轨冲击会引起以P2共振频率为基频的高频振动。扣件支撑长度的增加可显著降低pinned-pinned共振区轮轨加速度,但对车轮和轨枕的位移影响不显著。     

[轮轨磨耗及预测]地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究

基于车辆轨道耦合动力学模型和钢轨材料摩擦磨损计算模型,分析了不同轨道结构参数和车辆运营速度对地铁直线轨道钢轨波磨发生和发展的影响。结果发现,对于不同的变量参数,轮轨接触斑内摩擦功率随时间的变化都具有一定的波动性,且摩擦功率整体波动幅度较为均匀。同时,摩擦功率1/3倍频程图分析结果表明,摩擦功率的特征频率主要集中在中低频范围。在主要特征频率处,扣件纵向刚度、纵向阻尼、横向阻尼和垂向阻尼对钢轨波磨的影响较小,扣件横向刚度、垂向刚度、扣件间距、轮轨摩擦因数和车辆运行速度对钢轨波磨的影响较大。扣件垂向刚度和扣件间距的变化会导致摩擦功率的特征频率发生偏移,主要特征频率从80 Hz偏移至100 Hz,从而导致对应波长的钢轨波磨,说明扣件垂向刚度和扣件间距对特定频率处钢轨波磨的产生和发展具有重要的影响。其余变量的增大并未导致摩擦功率的特征频率发生改变,表明其余变量不影响钢轨波磨的特征频率。     

地铁直线轨道钢轨波磨影响参数研究

基于车辆-轨道耦合动力学模型和钢轨材料摩擦磨损计算模型,分析了不同轨道结构参数和车辆运营速度对地铁直线轨道钢轨波磨发生和发展的影响。结果发现,对于不同的变量参数,轮轨接触斑内摩擦功率随时间的变化都具有一定的波动性,且摩擦功率整体波动幅度较为均匀。同时,摩擦功率1/3倍频程图分析结果表明,摩擦功率的特征频率主要集中在中低频范围。在主要特征频率处,扣件纵向刚度、纵向阻尼、横向阻尼和垂向阻尼对钢轨波磨的影响较小,扣件横向刚度、垂向刚度、扣件间距、轮轨摩擦因数和车辆运行速度对钢轨波磨的影响较大。扣件垂向刚度和扣件间距的变化会导致摩擦功率的特征频率发生偏移,主要特征频率从80 Hz偏移至100 Hz,从而导致对应波长的钢轨波磨,说明扣件垂向刚度和扣件间距对特定频率处钢轨波磨的产生和发展具有重要的影响。其余变量的增大并未导致摩擦功率的特征频率发生改变,表明其余变量不影响钢轨波磨的特征频率。     

车辆轨道关键参数对高速铁路钢轨波磨发展的影响

基于轮轨垂向动力学、轮轨滚动接触理论以及磨耗理论建立高速铁路无砟轨道钢轨波磨发展的理论计算模型,并发展出相应的数值仿真方法。其中轮轨垂向动力学模型包含高速车辆和高速铁路无砟轨道模型;采用Hertz接触理论和Carter二维轮轨接触理论计算轮轨切向力;利用摩擦功磨耗模型计算钢轨表面的磨耗。利用数值仿真再现了高速铁路钢轨波磨的演化过程,以此来研究车辆一系悬挂刚度以及悬挂阻尼,轨道扣件刚度、扣件阻尼以及钢轨硬度对高速铁路钢轨波磨发展的影响规律。结果表明:文中模拟所得的钢轨波磨波长特征与高速铁路上的波磨调查结果相符;较小的车辆一系悬挂刚度,适当的一系悬挂阻尼和扣件刚度,以及较大的扣件阻尼和钢轨硬度有利于抑制高速铁路钢轨波磨的发展。     

山地地铁小半径曲线路段车辆/轨道参数对钢轨波磨的影响

针对山地地铁小半径曲线轨道钢轨波磨频发问题,根据现场调研建立车辆-轨道系统的动力学模型,探究车辆通过小半径曲线时轮轨间的接触特性。根据动力学分析结果建立半车车体-转向架-轨道系统的有限元模型,采用复特征值分析法研究半车车体-转向架-轨道系统摩擦自激振动特性,并研究车辆悬挂参数和轨道扣件参数对整体系统摩擦自激振动的影响规律。采用神经网络结合遗传算法对影响整体系统摩擦自激振动的关键参数进行多参数拟合,并求得车辆/轨道结构关键参数的优化解。结果表明：小半径曲线路段轮轨间的饱和蠕滑力导致半车车体-转向架-轨道系统的摩擦自激振动,从而引起钢轨波磨;车辆结构参数中一系悬挂横向刚度以及轨道结构参数中扣件垂向刚度、扣件横向刚度、扣件垂向阻尼对整个系统的摩擦自激振动具有明显影响。设置一系悬挂横向刚度为5.34 MN/m,扣件垂向刚度为25.45 MN/m,扣件横向刚度为6.9 MN/m,扣件垂向阻尼为6.06 kN·s/m时,能够有效抑制山地地铁小半径曲线轨道上钢轨波磨的产生。     

山地地铁浮置板轨道支撑结构钢轨波磨机制研究

基于轮轨系统摩擦自激振动的观点,研究山地地铁线路长大坡道圆曲线段处出现的典型钢轨波磨现象。利用SIMPACK建立山地地铁车辆-轨道动力学模型,验证了列车通过长大坡道圆曲线段外侧轮轨间的蠕滑力处于饱和状态;建立相应区段上由导向轮对-钢轨-道床所组成的轮轨系统有限元模型,采用复特征值分析法从频域角度研究轮轨系统的稳定性;采用控制变量法研究浮置板结构中隔振器的垂向刚度和垂向阻尼、扣件的垂向刚度和垂向阻尼对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律。结果表明：在长大坡道圆曲线段上,外侧轮轨间饱和蠕滑力引起的轮轨摩擦自激振动是导致该区段外轨处钢轨波磨产生的主要原因,诱导频率为459.63 Hz。参数化分析表明,轮轨系统摩擦自激振动随隔振器的垂向阻尼和垂向刚度的增大呈增大趋势,随扣件的垂向阻尼的增大呈降低趋势,而随扣件垂向刚度的增加呈先减小后增大的趋势;当扣件的垂向支撑刚度为40 MN/m时,钢轨波磨最不容易发生。     

科隆蛋扣件钢轨波磨演化对车轨系统的影响

通过多体动力学软件UM,建立了基于柔性轨道的车辆-轨道耦合动力学模型,并基于摩擦功理论的波磨叠加模型,研究减振型科隆蛋扣件轨道的钢轨波磨演化的频率特性及其对车轨系统垂向振动的影响.结果表明:不同速度下波磨的特征频率保持一致,体现了波磨的固定频率特性.在波磨演化过程中,随着速度的增加,在中高频段,车体垂向振动的差异影响逐渐变小,而转向架则相反.速度对轨道结构的振级变化影响不大,钢轨垂向振级最大值出现在160 Hz处,而道床板最大值则出现在16 Hz～31.5 Hz的低频段内.     

地铁钢轨短波长波磨形成原因分析

国内某地铁线路运营后曲线轨道出现了短波长钢轨波磨现象，通过力锤敲击法对不同扣件轨道动态特性进行了测试。利用ABAQUS建立了轮轨三维实体有限元模型，分析了轮轨耦合模态特性以及白噪声激励时轨道频响特性。结合试验和仿真结果，分析了轮轨结构动态特性与短波长钢轨波磨之间的相关性。研究结果表明：普通扣件和减振扣件轨道钢轨波磨主波长分别为30~63 mm和40~50 mm；白噪声激励下，两种轨道分别在450~920 Hz和570~720 Hz范围内的敏感共振频率与列车通过钢轨波磨频率(454~954 Hz和572~715 Hz)相吻合；线路轨道短波长波磨的产生主要与轨道结构高频固有特性相关，轨道短波长波磨通过频率与轮轨耦合模态频率相近，其模态振型表现为轮对弯曲扭转的同时，伴随钢轨相对轨道板的垂向弯曲振动，轮轨耦合高频模态特征加剧短波长波磨的发展。     

高速轨道结构振动及传递特性

高速列车的快速发展使板式无砟轨道得以广泛应用。利用有限元分析软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立车辆-弹性轨道耦合动力学模型,分析车辆运行的安全性和平稳性,研究轨道系统的位移、加速度、加速度功率谱密度、载荷特性,以及不同速度对轨道系统的振动影响,并对系统振动的主要影响因素进行初步探究。结果表明,轨道结构的垂向振动位移、加速度及载荷在由上至下传递过程中呈递减趋势,且钢轨到轨道板的衰减幅度大于轨道板到底座;轨道系统的振动能量主要集中在0~150 Hz范围内,大于300 Hz的钢轨振动能量经扣件衰减后基本未被向下传递,且速度升高,功率谱密度峰值出现的位置向右移动;速度为300 km/h时,钢轨垂向加速度功率谱密度小于100 Hz的峰值频率主要与钢轨固有模态有关,大于100 Hz的峰值频率呈倍频关系,且与轨道系统固有属性相关。联合仿真提高了研究效率,揭示了车辆-轨道系统的垂向振动特性及传递规律,为工程应用提供了参考依据。     

高速铁路扣件系统高频动态特性研究

为了探究高速无砟轨道扣件系统在低温和高频条件下的动刚度特性，以我国现有的WJ-7B及WJ-8B两款扣件为研究对象，首先提出一种确定扣件系统整体动刚度的测试方法和理论模型，其次建立两款扣件的有限元模型并利用试验结果对有限元模型进行验证，最后利用所建立的有限元模型对扣件整体的动刚度特性及弹条对整体动刚度的影响进行了仿真分析。结果表明，WJ-7B扣件的动刚度受频率影响较大，950 Hz处的动刚度比100 Hz时增加了15～19倍；WJ-8B扣件的动刚度则更受温度的影响，-50℃时的动刚度比10℃时最大增加了23倍；WJ-8B扣件的动刚度在铁垫板与弹性垫板所组成的质量-弹簧系统的共振频率处比弹性垫板的动刚度大为降低，而WJ-7B扣件的整体动刚度则更接近于弹性垫板的动刚度；弹条安装弹程对扣件整体高频动刚度的影响则较小。     

科隆蛋扣件与普通短轨枕过渡段钢轨波磨的瞬态动力学研究

基于轮轨摩擦耦合自激振动导致钢轨波磨的观点,建立位于小半径曲线轨道上科隆蛋扣件和普通短轨枕交界区段的两轮对-钢轨-轨枕有限元模型,在小半径曲线上,轮轨间的蠕滑力通常达到饱和状态,其值等于法向力乘以动摩擦因数。采用ABAQUS软件研究轮轨系统的瞬态动力学过程,获得轮对通过该区段时钢轨表面的振动加速度和接触力的变化规律。通过结果分析可发现,在内轨和内轮上发生了严重的摩擦自激振动,从而产生了钢轨波磨;钢轨的振动在科隆蛋扣件区段比在普通短轨枕区段明显。     

北京地铁剪切型减振器扣件钢轨波磨治理的试验研究

北京地铁近年来投入运营的几条线路中,剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象,经过大量的调查和测试分析发现：剪切型减振器扣件轨道系统在200～400 Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因。为了抑制波磨发展,在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块,并在北京地铁10号线选择两个试验段进行了现场试验,对两个试验段的钢轨走形带粗糙度进行了为期6个月的跟踪测试。测试结果表明：在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块有效地控制了钢轨波磨的发展,并在一定程度上起到了消减钢轨波磨的作用。     

地铁轨道改造前后振动及减振效果试验

针对国内某地铁线路某些区段沿线的建筑物振动与二次辐射噪声严重现象,将轨道原来铺设的普通扣件改造为浮轨扣件,并在跨中钢轨轨腰位置加装阻尼器以降低振动噪声的影响。通过测量列车运营时间内的振动和噪声数据,分析列车通过改造前后线路时的轨道振动、车辆振动和噪声、建筑物振动与二次辐射噪声特性。结果表明：与改造前普通扣件轨道相比,改造后浮轨扣件轨道的钢轨、道床和隧道壁垂向振动加速度有效值分别降低8%,70.6%和71.4%,隧道壁振动降低最显著,由隧道壁垂向振动加速度评估的轨道减振效果为8.28 dB;转向架区域和车内最大声压级降低3.6%和3.4%;昼间建筑物振动和二次辐射噪声降低18.4%和22.0%。车辆、轨道、建筑物的振动与二次辐射噪声的主频均与轮轨系统P2共振频率接近,是引起车辆、轨道和建筑物振动的主要原因之一。     

扣件参数对轮轨滑动接触热弹塑性的影响分析

利用有限元软件ANSYS建立热机直接耦合作用下的轮轨滑动接触热弹塑性有限元模型。采用与温度相关的变摩擦因数和材料参数,运用热机直接耦合法,考虑轮轨间非稳态热传导及轮轨与环境间热对流和热辐射的影响,考虑扣件系统对轮轨接触的影响,分析了不同扣件垂向刚度和扣件间距对钢轨受力和变形的影响。结果表明:轮轨接触斑附近钢轨的最大等效应力和弹性应变出现在钢轨接触表面上;在车轮滑过区域,钢轨最大等效应力和弹性应变发生在钢轨次表面上;钢轨的等效应力、最大变形和车轮垂向加速度在扣件垂向刚度为50 k N/mm时最小;从钢轨的应力、应变、变形和温升方面考虑,扣件间距在0.6~0.725 m间取值均较合理,车轮垂向加速度在扣件间距为0.6 m时最小。     

一系悬挂与扣件参数对钢轨波磨的影响分析

基于摩擦自激振动可能导致钢轨波磨的观点,建立了更为完善的小半径曲线上轮轨系统摩擦自激振动模型,应用复特征值分析方法研究了轮轨系统的不稳定振动发生趋势,讨论了一系悬挂与轨道扣件刚度和阻尼参数对轮轨不稳定振动发生趋势的影响。计算结果表明:在饱和蠕滑力作用下,轮轨系统存在较强的不稳定振动发生趋势,即产生钢轨波磨的趋势;转向架一系悬挂刚度和阻尼参数对轮轨系统的自激振动影响较小;相对于一系悬挂,着重改善整体轨道上扣件的刚度和阻尼参数更有利于抑制钢轨波磨,且其中高轨上的扣件参数对钢轨波磨的影响起主要作用。     

高速铁路扣件动刚度频变和温变特性研究

以我国高速无砟轨道常用的3种扣件（WJ?7B,WJ?8和Vossloh 300）为研究对象,基于轮轨宽频激励的特点,提出了一个确定扣件系统动刚度的试验方法和理论模型。根据该试验方法,采用力锤激励,在装配情况下测试了3种扣件在100~800 Hz频率范围内、不同温度（-50~10℃）条件下的动态响应,结合理论模型确定了3种扣件的动刚度。研究结果表明：WJ?8和Vossloh 300扣件的动刚度对温度的变化比较敏感,WJ?8扣件在-50℃时的动刚度比10℃时最大增加了23倍,而Vossloh 300扣件在-50℃时的动刚度比10℃时最高增加了67倍;WJ?7B扣件的动刚度则受频率的影响更大,800 Hz时的动刚度是100 Hz时的12~17倍;WJ?8和Vossloh 300扣件的阻尼比均随着温度降低而增大,在玻璃化转变温度时达到极值,此后随着温度继续降低而开始下降。该结果可为极端低温环境下的扣件设计和选择提供参考。     

科隆蛋扣件段钢轨波磨产生机理及发展特性

为研究地铁钢轨波磨的产生机理和发展特性,通过建立车辆-轨道空间耦合模型和钢轨波磨评价模型,从频域和时域的角度分析波磨产生机理,并运用波磨增长率对科隆蛋扣件轨道钢轨波磨的产生机理和发展特性进行研究。基于频域的分析,对轨道结构模型进行模态分析和频响分析,发现存在与实测波磨通过频率接近的轨道结构固有频率,说明该频率所对应的振型更容易被激发出来,促使轨道结构发生共振现象,形成相应频率的波磨。基于时域的分析,运用车辆-轨道耦合模型,计算钢轨垂向振动加速度、钢轨垂向位移的时程曲线并进行频域变换,发现存在与实测波磨通过频率接近的特征频率,说明轨道结构相应频率下的振动是促进波磨形成的重要原因。车速的改变对波磨增长率的特征频率没有影响,体现了波磨的固定频率特性。随着列车运行次数的增加,特征频率对应波长的波磨逐渐形成并不断发展;波磨的波长范围和发展速度随着列车速度的增加而逐渐增大。     

系统参数对垂向轮轨耦合系统频率的影响

基于模态叠加法及特征值算法,提出一种计算轮轨耦合系统各阶频率的方法,分析了系统参数对于轮轨系统固有频率的影响规律。研究表明：离散支承导致轨道系统存在明显的Pinned-pinned共振现象,连续支承现象不明显,Pinned-pinned共振频率与钢轨抗弯刚度成正比,与轨道参振质量及扣件跨距成反比,轮轨共振为轮对和轨道质量在轨道弹性基础上的复合振动,其固有频率明显低于轨道自振频率;系统参数对轮轨共振频率的影响较大,随着轮对质量的增大而减小,随着扣件等效刚度的增大而增大,扣件频变特性使得轮轨共振频率明显增加;轨道不平顺会诱发轮轨共振现象,恶化轮轨相互作用,其中波长为100~300 mm波段对应的共振速度为23~68 km/h。