有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫噪声时域建模分析

有轨电车通过小半径曲线时易产生严重的啸叫噪声,产生机理复杂且影响因素较多,目前曲线啸叫的产生机理及其关键影响因素在国内外研究中并未形成统一认识.基于轮轨摩擦曲线下降特性引起轮轨系统不稳定自激振动的曲线啸叫产生机理,建立有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫噪声时域预测模型,主要包括考虑弹性车轮、嵌入式轨道结构特性的轮轨结构动力学...     

有轨电车曲线啸叫噪声试验分析

曲线啸叫噪声是城市轨道交通中一个亟待解决的问题,但目前国内对其研究较少。以70%低地板有轨电车通过嵌入式轨道小半径曲线时为研究对象,通过测试和分析,研究其轮轨啸叫噪声特性及产生机理。测试曲线半径分别是25 m和50 m,试验速度分别是3～9 km/h和4～20 km/h。试验过程中轮轨接触表面状态分别考虑了自然状态、水润滑状态、油润滑状态和固体润滑状态。测试结果表明,未润滑状态下的车外标准点噪声L_(Aeq)在56～91 dB(A),其中87%～92%的工况发生啸叫或轻微啸叫;导向轮对(第一位轮对)内侧车轮发出的啸叫噪声最为显著,其产生机理是轮轨间的横向蠕滑激励车轮1 811 Hz频率处(0, 3)轴向模态振动,从而产生强烈的单频振动并发出啸叫。试验对比了不同润滑状态(水、润滑油、固体润滑剂)对啸叫的控制效果,测试结果表明采取润滑后,测试工况中发生啸叫或轻微啸叫的比例降低到19%～50%,车外噪声L_(Aeq)显著降低。研究补充了国内在有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫方面试验数据,并基于试验数据基本弄清了有轨电车-嵌入式轨道曲线啸叫噪声的产生机理。     

轨道动态特性对城轨车辆车内噪声影响分析

轮轨噪声是关于车辆-轨道耦合作用以及轮轨关系的系统性问题,综合考虑对轮轨耦合匹配、车辆安全性、车辆平稳性、环境振动、车辆振动噪声等方面的影响,钢轨粗糙度和衰减率影响噪声的重要轨道参数,钢轨粗糙度影响400～800Hz的频段,制定合理的镟修周期,定期打磨车轮和轨道可以有效降低车内噪声,打磨后可降低车内噪声2dB以上。轨道衰减率普遍超过标准限值,增加安装振动吸能结构来实现可降低车内噪声,最大降低10dB以上。通过在车轮上安装阻尼结构提高车轮整体的阻尼,实现车轮辐射噪声的有效控制。以上措施可以有效降低车内噪声,提高乘坐舒适性。     

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。     

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。     

摩擦因数对轮轨曲线啸叫噪声的影响分析

为分析摩擦因数为常数时是否会出现曲线啸叫,并探讨摩擦因数对轮轨接触特性和曲线啸叫噪声强度的影响,建立详细的轮轨曲线啸叫噪声预测模型,包括轮轨弹性振动模型、时域相互作用模型和声辐射模型,并用CONTACT软件验证了相互作用模型的正确性。分析结果表明:摩擦因数为常数时,也会出现曲线啸叫。摩擦因数对曲线啸叫频率没有影响,轮对横移量为5 mm、横向蠕滑率为-0.01时,啸叫频率总是与车轮的0节圆3节径轴向模态频率相近;摩擦因数越大,曲线啸叫噪声强度越大;可以用横向力级峰值的个数判断是否会出现黏滑振荡,用接触区域内滑动区所占比例的变化程度表示黏滑振荡的激烈程度,用横向力级最大值或声功率级最大值对应频率预测曲线啸叫频率;提出两个临界摩擦因数:摩擦因数小于0.20时不会出现曲线啸叫,大于等于0.24时会出现啸叫,介于0.20和0.24之间时有可能出现曲线啸叫。     

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。     

基于模态耦合与负阻尼理论的啸叫噪声的研究

车辆通过小半径曲线轨道时会产生高频的啸叫噪声，其产生原因被归结为摩擦蠕变曲线的负斜率引入了负阻尼效应，即负阻尼理论。然而，有研究发现当负斜率被消除时，啸叫噪声仍会产生。为解决该问题，基于模态耦合与负阻尼理论建立二自由度耦合动力学模型，并应用复特征值法分析关键参数对系统稳定性的影响。结果表明当关键参数在一定范围内时，系统较不稳定并易于激发啸叫噪声。由于啸叫噪声的产生和声压级受初始条件的影响，因此有必要对系统进行混沌动力学分析。混沌行为的分析结果可阐明系统从稳态到准周期再到混沌的演化过程。此外，还确定了系统振动行为较易受影响的参数范围。该模型进一步引入了扭转振动自由度用于分析扭转振动对系统振动的影响，分析结果阐明了扭转振动在组合参数区间上对系统振动的影响，这为有效预测及缓解啸叫噪声提供了理论依据和分析方法。     

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。     

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...     

地铁列车-嵌入式轨道系统动力学性能研究I：理论建模、试验分析及验证

嵌入式轨道作为一种减振降噪轨道结构型式,通常是基于城市街道路面的低地板有轨电车系统设计的,而嵌入式轨道的连续支承特性及其减振降噪优点使其在地铁中具有较好的应用前景。嵌入式轨道在地铁中应用,将面临更高运行速度、更大轴重、更复杂线路条件等挑战,地铁列车-嵌入式轨道系统的动力学行为有待研究。建立地铁列车-嵌入式轨道系统的动力学模型,模型包括轨道系统模型、列车系统模型以及轮轨相互作用模型。其中,轨道子系统为嵌入式轨道系统,是建模和研究的重点。模型考虑了TIMOSHENKO钢轨模型、等效弹簧-阻尼单元支承的柔性轨道板模型、以及钢轨周围的填充材料模型,填充材料模型采用考虑质量的黏弹性弹簧-阻尼单元来模拟以考虑填充材料的惯性、弹性和阻尼特性。在我国首例运用于地铁的嵌入式轨道试验线开展了动力学性能试验研究,基于试验分析了动力学性能并通过试验验证了动力学模型的有效性,建立的分析模型和相关结论为嵌入式轨道结构在我国地铁的应用提供了理论基础和参考。     

弹性车轮对地铁直线段轨道减振特性研究

为了评估弹性车轮在地铁直线电机线路的减振效果,结合试验与仿真分别对直线段正常工况与极端工况下弹性车轮减振特性进行研究。现场试验获取了直线段正常工况下轨道和隧道壁的振动水平,试验结果表明,弹性车轮对正常工况下的直线轨道系统的振动有一定的抑制作用,减振量可达2~3dB,同时对车轮多边形冲击振动有明显的减振效果。为了进一步探究对轨道存在钢轨波浪形磨耗或钢轨焊接接头几何缺陷的极端工况下弹性车轮的减振效果,建立车辆-轨道耦合动力学模型,将弹性轮对解耦为轮芯、左轮辋和右轮辋,采用6个自由度建模,轮芯与轮辋间通过弹性橡胶层耦合连接。模拟弹性车轮通过有波磨和焊接接头的钢轨时的振动特性,其数值仿真结果表明,在极端工况下,弹性车轮减振效果可达4~7dB,弹性车轮减振效果随着车辆速度的增加更加显著。     

钢轨波磨对剪切型减振器段振动影响试验

地铁运营中常会出现钢轨波磨,尤其在剪切型减振器地段较为严重。为揭示钢轨波磨对结构振动的影响,选取地铁直线和曲线部分普通扣件和剪切型减振器典型区段进行了钢轨波磨的测量,并对轨道、隧道、地面等结构的振动加速度进行了现场测试。从时域、频域两个方面对比了结构的振动量值和振动传递特性,分析了剪切型减振器钢轨波磨对加速度振级及其减振效果的影响。结果表明:波磨会增大轮轨间动态冲击,使钢轨-道床-隧道-地面的振动显著增加;减振器区钢轨波磨会导致轨下结构振动大于普通扣件区,其减振效果难以实现;减振器区钢轨波磨比普通扣件区严重,曲线半径小、运量较大、速度较快的线路尤为突出,地铁轨道选型应考虑波磨的不利影响。     

轮缘润滑对列车曲线通过动态响应影响分析*

为研究轮缘润滑对重载列车曲线通过性能的影响,建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型,该模型主要包含重载列车系统模型、有砟轨道系统模型和考虑多点接触和复杂接触状态的轮轨滚动接触模型。利用该模型对比分析惰行工况和驱动工况下,轮缘润滑对重载列车曲线通过时轮轨动态相互作用的影响。研究结果表明：轮缘润滑对机车曲线通过时的轮轨动力相互作用影响显著,在机车轮对通过小半径圆曲线过程中,当存在轮缘润滑时,外侧轮缘位置处的轮轨纵向蠕滑力明显较无轮缘润滑时明显降低,轮对导向能力削弱;在惰行和牵引工况下通过圆曲线时,存在轮缘润滑的轮对冲角均明显增大;轮缘润滑对重载列车钩缓系统响应影响不大。     

基于车内噪声的轨道衰减率限值研究

轨道衰减率是反映钢轨动态特性的重要指标,决定了钢轨的有效声辐射长度,进一步影响轮轨噪声和车内噪声。我国地铁轨道结构型式较多,轨道衰减率也相应地并不统一,目前我国没有轨道衰减率的相关标准,现有的国际轨道衰减率标准并不能与我国车内噪声标准相对应,因此,研究轨道衰减率与车内噪声的内在关联,对基于噪声限值的轨道衰减率控制具有重要意义。首先建立轨道振动预测模型,基于现场测试对模型进行验证,并基于仿真预测分析扣件系统参数对衰减率的影响。根据有限元-边界元方法和轨道衰减率对轮轨噪声的贡献关系,建立基于轨道衰减率的轮轨噪声预测模型;根据线路试验研究,建立轮轨噪声和车内噪声的传递函数,从而采取仿真与试验联合的手段,以轮轨噪声为"桥梁",建立轨道衰减率和车内噪声的对应关系,根据车内噪声限值,量化分析基于车内噪声控制的轨道衰减率限值,确定较为优化的扣件系统参数。成果可为基于车内噪声的轨道衰减率控制,以及扣件系统参数优化设计提供参考。     

轨道减振措施及研究现状

为了削减轨道交通的振动影响,轨道减振措施不断发展。轨道交通众多减振措施具有不同的减振性能,主要包括钢轨减振、扣件减振、轨下基础减振等,在国内外已有大量应用。国内外学者分析研究了各减振措施的减振性能、参数影响及减振措施间的相互组合,有助于轨道减振结构的优化,提高轨道减振效果,改善轨道沿线环境。     

Friction-induced vibration of an elastic slider on a vibrating disc

The in-plane vibration of a slider-mass which is driven around the surface of a flexible disc, and the transverse vibration of the disc, are investigated. The disc is taken to be an elastic annular plate and the slider has flexibility and damping in the circumferential (in-plane) and transverse directions. The static friction coefficient is assumed to be higher than the dynamic friction. As a result of the friction force acting between the disc and the slider system, the slider will oscillate in the stick-slip mode in the plane of the disc. The transverse vibration induced by the slider will change the normal force on the disc, which in turn will change the in-plane oscillation of the slider. A numerical method is used to solve the two coupled equations of the motion. Results indicate that normal pressure and rotating speed can drive the system into instability. The rigidity and damping of the disc and transverse stiffness and damping of the slider tend to suppress the vibrations. The in-plane stiffness and damping of the slider do not always have a stabilizing effect. The motivation of this work is the understanding of instability and squeal in physical systems such as car brake discs where there are vibrations induced by non-smooth dry-friction forces.