基于轨道振动理论的梯形轨枕轨道钢轨波磨研究*

研究半径为350 m梯形轨枕曲线轨道上波磨的成因。借助于现场观察和测量,获得波磨的特征参数。调查区段车辆运行速度在35 km/h左右,该波磨的主波长为60~100 mm,其通过频率为110~180 Hz;次波长为30 mm,其通过频率为324 Hz。结合轨道结构振动理论对波磨成因进行预测分析。根据结构特征建立梯形轨枕轨道三维有限元实体模型,利用此模型分析轨道结构的固有特性与波磨通过频率的内在联系,对波磨的成因做出初步解释,利用该模型计算分析白噪声激励下轨道结构的频响特性,进一步揭示波磨形成的机理。将理论计算结果与现场测试数据比较,两者相吻合。研究表明,车辆通过梯形轨枕轨道时,容易引起钢轨相对于轨枕的垂横向弯曲振动,从而加剧轮轨粘滑振动,加速了该轨道曲线段波磨的形成和发展。     

A型地铁车辆车轮多边形磨损成因初探

针对国内某A型地铁车辆振动噪声大的情况,对车轮表面状态进行了勘查,发现车轮普遍存在多边形磨损现象。为探寻车轮多边形磨损的形成机理,计算了轮对的自由模态,并开展了车辆零部件的振动试验。研究表明:轮对扭转和1阶弯曲共振模态是车轮多边形磨损形成的主要原因;车辆在通过梯形轨枕轨道时极易激发轮对的1阶弯曲模态,该线路大量使用梯形轨枕轨道是车轮多边形磨损现象频发的环境诱因。     

不同轨道结构形式下地铁车辆部件振动及应力分析

国内某地铁线路主要存在普通短轨枕整体道床、12 mm弹性短轨枕整体道床、18 mm弹性短轨枕整体道床三种轨道结构形式,为了研究不同轨道结构形式下车辆部件振动加速度及应力的差异,通过现场测试和数值分析的方法,对该地铁车辆部件运行状态及特性进行调查。通过对比测试数据发现,在该线路普通短轨枕整体道床上运行时,车辆部件振动加速度RMS值、一系钢弹簧应力RMS值均超过其他两种轨道结构形式上测试结果的两倍,在不同轨道结构形式下,车辆部件振动加速度、一系钢弹簧应力测试数据的特征峰值频率均与对应区段轨道表面不平顺通过频率吻合。基于线性累计损伤理论,结合一系钢弹簧应力测试结果计算弹簧疲劳寿命发现,在12 mm和18 mm弹性短轨枕整体道床线路运行时,弹簧的疲劳寿命达到设计要求;在该线路普通弹性短轨枕整体道床线路运行时的弹簧疲劳寿命远小于其他两种轨道结构形式下的计算结果,仅9.77万公里。     

普通短轨枕轨道结构钢轨波磨初步研究

研究某地铁普通短轨枕轨道结构小半径曲线上125～160 mm波长波磨形成机理。通过现场调查和试验测试,并结合轨道结构动力学理论对波磨形成机理进行预测分析;建立该轨道结构的三维有限元模型,利用该模型分析轨道结构的模态振型以及频响特性,并总结出该轨道结构的动态特性与钢轨波磨的关系。其中,频响分析时探讨簧下质量对轨道结构响应以及波磨成因的影响。数值计算结果与现场测试结果相吻合。研究发现该轨道结构60～80 Hz的振动是125～160 mm波长波磨形成的根本原因。由于该结构的轨枕直接嵌入轨道板中形成整体,轨道结构隔振性能差,车辆通过该轨道结构时极易发生钢轨和道床板一起相对地基的垂向弯曲振动,从而导致了125～160 mm波长波磨的形成。     

基于有限元梁轨枕的轮轨高频振动模型

基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立车辆-轨道垂向耦合模型,轨枕采用有限元梁模型.在轮对扁疤初速度激励模型和位移激励模型下,计算车辆轨道系统的振动响应,并与轨枕集中质量模型仿真结果进行比较.结果表明,轨枕模型的选取对轮轨力影响较小,但轨枕有限元梁模型可以反映沿轨枕长度方向在不同时刻的振动响应,而且计算出轨枕振动的速度分布可为轨道系统辐射噪声计算提供振动数据.     

地铁列车-嵌入式轨道系统动力学性能研究Ⅲ:嵌入式轨道与普通轨道动态响应对比分析

嵌入式轨道在地铁中应用具有减振降噪、抑制波磨等优势,目前对嵌入式轨道的动力学性能有一定的认知,然而嵌入式轨道和普通轨道系统在动力学性能上的量化差异有待进一步探明。基于首次在我国某地铁铺设的嵌入式连续支承无砟轨道试验线,在相同条件下开展地铁列车-嵌入式轨道系统和地铁列车-普通轨道系统关键位置动态振动特性测试,对比分析列车通过嵌入式轨道和普通轨道的轨道固有振动特性差异、运行稳定性和平稳性差异、钢轨和车辆关键位置的振动特性差异,评价嵌入式轨道在地铁中的实际应用效果。研究成果为地铁嵌入式轨道的实际运用提供了依据和参考。     

高速移动载荷下的轨道振动特性

考虑高速移动载荷作用下轨道结构的离散轨枕支撑、钢轨剪切变形及转动惯量对轨道振动响应的影响,建立基于Timoshenko梁的双层黏弹性离散支撑轨道振动模型,利用Fourier变换法求解具有周期性支撑的轨道响应,通过与文献中试验结果对比,验证其在固定简谐载荷下计算结果的正确性。研究表明,轨枕的离散支撑使得轨道刚度呈现周期性变化,跨中最小,轨枕上方最大,形成高速轮轨系统的参数激扰;移动载荷作用使轨道系统呈现以速度为变量的共振特性,载荷原点导纳随车速提高先增大后减小,此外,低速时轨道振动响应最大值出现在载荷点位置,随着速度提高,最大轨道振动响应滞后于载荷点;移动载荷使得轨道系统各阶振动主频出现变化：低阶振动主频随速度提高而降低,达到一定速度时降低为0,之后又随速度提高而上升;高阶振动主频也随速度提高而非线性下降;由于移动载荷的多普勒效应,轨枕离散支撑引起pinned-pinned共振和反共振出现上、下分叉,分叉频率偏移量为轨枕通过频率之半。基于Fourier变换法实现高速移动载荷下的轨道振动响应分析,为高速轨道系统设计提供参考。     

无缝线路轨道的温度力与振动特性关系的研究

研究钢轨在纵向温度力的作用下无缝线路轨道的动力特性。通过建立无缝线路轨道模型来分析温度力变化对振动模型及谐振频率产生的影响，以及轨道参数如钢轨类型、支座刚性和轨枕间隔距的变化对振动特性的影响。并得出一些初步的结论。     

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。     

基于频域方法的轨道随机振动特性及试验验证分析

基于系统工程思想,运用频域分析方法,对轨道结构随机振动特性进行仿真计算与分析,并结合铁路现场测试结果对理论计算结果进行试验验证。结果表明：钢轨振动能量主要集中在1 300 Hz附近,而中、低频率的振动主要体现为轨枕与道床的振动;在整个分析频域范围之内,仿真计算得到的轨道结构振动加速度功率谱密度与试验测试结果吻合较好,且轨道结构振动加速度平均值的计算与试验结果差异不大。     

两种新型材料地铁轨枕的频响特性和减振特性分析

为了研究环氧树脂材料和不饱和聚酯材料制作的地铁轨枕的减振性能，通过力锤敲击试验和理论分析的方法，对比分析了两种新型材料轨枕和传统混凝土轨枕的频响特性和减振特性。通过分析三种轨枕的频响特性数据发现，对于轨枕的多数垂向共振频率所对应的共振峰，三种轨枕共振峰的共振频率和共振峰值无明显差异；对于轨枕的多数横向共振频率所对应的共振峰，三种轨枕共振峰的共振频率无明显差异，但不饱和聚酯材料轨枕的共振峰值最小。通过分析三种轨枕的阻尼比发现，两种新型材料轨枕比传统混凝土轨枕的减振性能都更好，其中不饱和聚酯材料轨枕的减振性能在三者中最好。     

地铁钢轨波磨演化过程中的特性分析

调查分析了广州某条地铁线路轨道短波长钢轨波磨现象形成原因。首先,现场测试了线路钢轨波磨状态,对比分析了采用相同车辆结构和运营条件的另一条地铁线路钢轨波磨特征的差异。然后,基于地铁轮对-轨道高频相互作用线性理论和钢轨磨损理论,建立了钢轨波磨频域分析模型。最后,基于力锤敲击测试方法获得了轨道结构动态特性,利用钢轨波磨频域模型计算分析了地铁车辆通过半径800 m曲线时的钢轨磨损率特征。结果表明:(1)地铁线路采用的GJ-III型减振扣件和DTVI型普通扣件长轨枕轨道在大半径(大于等于800 m)曲线均出现了30~40 mm波长钢轨波磨现象,其产生不是由轮对固有模态特性所致。(2)当车辆以90 km/h速度运行时,仿真获得的轨道钢轨磨损率在1030~1130 Hz和620~840 Hz范围表现最大,易萌生22~24 mm和28~40 mm波长波磨;仿真结果与现场测量的钢轨波磨特征吻合。(3)轨道垂向位移导纳值在620~840Hz高频段表现低是导致该地铁线路出现30~40 mm短波长波磨的主要原因。     

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。     

地铁运行时轨道-隧道-地层振动实测与分析

以上海地铁9号线某曲线段隧道为背景,通过在隧道内部、周围土层和地表布置加速度度传感器,对地铁运行引起的轨道-隧道-地层整个空间内的振动进行了现场测试。通过统计各测点的加速度平均峰值、加速度振级以及振动主频,分析了地铁振动在整个空间内的传播规律。实测结果表明:隧道内部及近处地层以垂向振动为主,但曲线段的地表水平振动可大于竖向振动;地铁振动从钢轨传至隧道壁时会有大幅衰减,从隧道壁传递到地表正上方时,振级反而有所增大;地铁振动在传播过程中振动主频范围也在不断减少。整体振动测试有助于全面认识地铁振动传播规律,对地铁线路设计、轨道结构减振具有较好的指导意义。     

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。     

轮轨摩擦自激振动引起科隆蛋轨枕钢轨波磨的理论研究

基于轮轨系统间摩擦力可能引起摩擦耦合自激振动从而使钢轨发生波磨的观点,假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦因数的乘积,建立车辆通过直线轨道时由4个轮对和2根钢轨组成的轮轨系统有限元摩擦自激振动模型。应用有限元软件ABAQUS分析该模型的自激振动发生趋势,预测钢轨可能发生波磨的频率。计算结果显示,钢轮在频率为241.56、252.65、253.14 Hz时可能发生波磨。仿真结果与现场测试结果的对比表明,该模型能够有效预测地铁科隆蛋轨枕直线线路上钢轨出现的波磨。     

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。     

双块式轨枕预制环形生产配套设备及技术探讨

高速铁路建设采用双块式轨道系统时,需要使用大量的轨枕。在保障质量的前提下,为提高双块式轨道的生产效率,本文介绍了双块式轨枕生产线的预制生产技术。     

矿山运输设备动力学特性分析

建立了大型矿车与矿井运输轨道的耦合动力学模型,根据牛顿第二定律建立了矿车振动数学模型,根据伯努利一欧拉梁模型建立轨道振动数学模型,以Simulink为仿真工具对矿车越过轨道连接处的台阶时车体及轨道的振动特性进行了动态模拟。在频域及时域范围内分析了矿车及轨道的振动特性,提出利用摩擦吸能装置来吸收矿车振动能量,从而控制其振动。