中低速磁浮轨道结构垂向振动传递特性研究EI北大核心CSCD

为研究中低速磁浮轨道结构的垂向振动传递特性,基于室内试验与振动理论,建立轨道结构频域分析模型,以结构垂向导纳,位移与力的垂向传递率为评价指标分析了结构的垂向振动传递特性。探究了扣件垂向刚度、扣件垂向阻尼、轨枕支承间距、F轨顶面厚度以及轨枕翼缘厚度对于结构垂向振动传递特性的影响。研究表明:中低速磁浮轨道结构的垂向振动可分为低频整体振动与高频局部振动两个阶段,且结构整体振动时力与位移的垂向传递率较高;F轨沿结构纵向上的垂向位移导纳变化并非随着与激励点距离的增大而减小,而是与结构在不同频率下的振型有关;扣件垂向阻尼增大对力与位移的垂向传递均有抑制作用,其中对于力的垂向传递抑制更加明显;扣件垂向刚度、轨枕支承间距、F轨顶面厚度以及轨枕翼缘厚度都会使结构局部刚度发生改变,从而影响力与位移垂向传递的峰值与频率。     

中低速磁浮轨道-桥梁系统竖向振动传递特性研究

中低速磁浮交通作为一种新兴的交通方式,其轨道结构形式与传统轮轨交通的轨道有较大的区别。为了研究中低速磁浮交通线路中轨道-桥梁系统竖向振动特性,基于某中低速磁浮试验线,以20 m预应力混凝土简支梁为研究对象,建立轨道-桥梁系统竖向振动传递有限元模型并进行振动传递特性分析,随后探讨了激励位置,扣件竖向刚度,轨枕间距对系统竖向振动传递特性的影响。研究表明:系统的位移导纳存在两个峰值,频率分别对应为系统的整体一阶竖弯和F轨的局部一阶竖弯;随着考察点与荷载激励点距离的增大,在F轨局部一阶竖弯频率之后,F轨的位移导纳幅值变化不显著;激励位于扣件处时,在100～200 Hz F轨的位移导纳振动幅值要大于激励位于非扣件处时;扣件刚度和轨枕间距均会影响轨道结构的局部刚度,从而影响F轨的局部一阶竖弯频率值和在此频率点处的F轨位移导纳幅值;F轨的局部变形较明显,建议在后续的时域磁浮车桥耦合振动模型中应考虑F轨的影响。     

磁浮轨道结构强度计算与分析

建立包括F形导轨、H形轨枕以及轨道联接件在内的磁浮线路轨道结构有限元模型,在不同荷载条件下,进行了轨枕间距和轨枕下刚度变化对轨道结构的力学性能影响分析,并依据相关的技术标准对轨道结构设计进行了校核。计算结果表明:设计的磁浮轨道结构导轨、轨枕、及联接件均满足设计强度;减小轨枕间距,有利于减小F轨内外反应面垂向位移差;不同轨枕下刚度对F轨内外反应面垂向位移差的影响并不明显。     

固定谐振荷载作用下曲线轨道动力响应特性研究EI北大核心CSCD

将曲线轨道视为周期性离散支撑结构,根据周期性结构的振动特性,通过引入移动荷载作用下曲线轨道梁的数学模态以及广义波数,得出曲线轨道梁频域响应的级数表达,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道梁平面外弯扭耦合振动的响应特性。通过计算不同频率固定谐振荷载作用下曲线轨梁的动力响应,可以求得曲线轨梁垂向位移频响特性。对单层离散点支撑轨道模型进行计算分析可知:曲线轨道梁一阶自振频率受扣件支点垂向支撑刚度、垂向支撑阻尼系数、扣件支点间距变化影响较大,扣件支点垂向支撑刚度增加时轨梁一阶自振频率提高,垂向支撑阻尼系数增加时轨梁一阶自振频率略有减少,扣件支点间距减小时轨梁一阶自振频率提高;扣件支点间距对曲线轨梁频响特性具有显著的影响,跨中处一阶pinned-pinned共振峰幅值及支点处反共振峰幅值随支点间距的增加而变大;曲线半径对地铁轨道轨梁垂向位移频响特性几乎没有影响。     

固定谐振荷载作用下曲线轨道动力响应特性研究

将曲线轨道视为周期性离散支撑结构,根据周期性结构的振动特性,通过引入移动荷载作用下曲线轨道梁的数学模态以及广义波数,得出曲线轨道梁频域响应的级数表达,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道梁平面外弯扭耦合振动的响应特性。通过计算不同频率固定谐振荷载作用下曲线轨梁的动力响应,可以求得曲线轨梁垂向位移频响特性。对单层离散点支撑轨道模型进行计算分析可知:曲线轨道梁一阶自振频率受扣件支点垂向支撑刚度、垂向支撑阻尼系数、扣件支点间距变化影响较大,扣件支点垂向支撑刚度增加时轨梁一阶自振频率提高,垂向支撑阻尼系数增加时轨梁一阶自振频率略有减少,扣件支点间距减小时轨梁一阶自振频率提高;扣件支点间距对曲线轨梁频响特性具有显著的影响,跨中处一阶pinned-pinned共振峰幅值及支点处反共振峰幅值随支点间距的增加而变大;曲线半径对地铁轨道轨梁垂向位移频响特性几乎没有影响。     

轨道参数对轮轨耦合系统固有频率的影响

轮轨系统固有振动特性对车轮失圆和钢轨波磨的形成和发展具有重要影响。建立普通短轨枕整体道床轨道有限元模型和簧下质量-轨道耦合系统有限元模型,分析扣件刚度、地基刚度、簧下质量及轨枕间距对轨道和耦合系统固有频率的影响。结果表明：轨道一阶垂向弯曲频率随扣件刚度的增大而增大,地基刚度对轨道一阶垂向弯曲频率的影响较小;耦合系统一阶垂向弯曲频率（P2共振频率）随扣件刚度的增大而增大,随簧下质量的增大而减小;P2共振频率随地基刚度的增大而增大,当地基刚度大于300 MPa/m,地基刚度的变化对P2共振频率影响较小;轨道一阶垂向弯曲频率和P2共振频率随轨枕间距的增大而减小;轨枕间距随机变化可降低Pinned-Pinned共振响应峰值。通过现场力锤敲击与车辆轨道振动测试结果对模型进行验证,仿真结果与现场测试结果基本一致。     

轨道参数对轮轨耦合系统固有频率的影响

轮轨系统固有振动特性对车轮失圆和钢轨波磨的形成和发展具有重要影响。建立普通短轨枕整体道床轨道有限元模型和簧下质量-轨道耦合系统有限元模型,分析扣件刚度、地基刚度、簧下质量及轨枕间距对轨道和耦合系统固有频率的影响。结果表明:轨道1阶垂向弯曲频率随扣件刚度的增大而增大,地基刚度对轨道1阶垂向弯曲频率的影响较小;耦合系统1阶垂向弯曲频率(P2共振频率)随扣件刚度的增大而增大,随簧下质量的增大而减小;P2共振频率随地基刚度的增大而增大,当地基刚度大于300 MPa/m,地基刚度的变化对P2共振频率影响较小;扣件刚度和地基刚度不变的情况下,轨道1阶垂向弯曲频率和P2共振频率随轨枕间距的增大而减小;轨枕间距随机变化可降低Pinned-Pinned共振响应峰值。通过现场力锤敲击与车辆轨道振动测试结果对模型进行验证,仿真结果与现场测试结果基本一致。     

轨下扣件支承失效对轨道结构动力性能的影响

通过建立连续弹性离散点支承上Timoshenko梁的钢轨模型,运用车辆-轨道耦合动力学理论,模拟计算了室内模型轨道轨下支承失效状态下轮轨系统动力响应,分析了列车运行速度与扣件失效数量对轨道结构动力性能的影响,并进行了时域与频域内的试验分析与验证.结果表明:轨下扣件失效破坏了轨道结构支承的连续性,轮轨间相互作用增强,并随其失效数量的增加与列车运行速度的提高而显著增大;同时,扣件支承失效将影响其前后毗邻的正常轨道结构的动态特性,形成较长范围内线路不平顺,影响车辆运行平稳性与乘坐舒适度.钢轨频响函数测试表明,由于扣件支承失效改变了该区段轨枕间距与轨下支承刚度,削弱了道床对线路所提供的阻尼,轨道结构的动力性能也产生了显著变化.     

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。     

高架轨道梁结构特性对磁浮系统的动力影响

以德国Transrapid磁浮列车系统为基础,采用现有的磁浮车辆垂向模型,建立了有限元轨道梁模型、磁浮车轨垂向耦合系统模型及其振动微分方程。在此基础上,针对德国在上海的磁浮项目,主要就轨道梁的型式(简支和连续)、支承刚度及轨面不平顺波长对磁浮车辆-轨道耦合系统动力响应的影响等进行了分析。     

横向固定谐振荷载下曲线轨道参数对钢轨位移响应的影响研究

建立曲线轨道解析模型,此轨道模型考虑为具有周期性离散弹簧-阻尼支承的曲线Timoshenko梁。在频域内将曲线钢轨的位移及转角表达为轨道模态的叠加,并将周期性结构理论施加于轨道模型的运动方程,进而在一个基本单元内高效地求解轨道的动力响应。将横向固定谐振荷载作用于钢轨轨头,考虑不同扣件刚度、扣件阻尼、扣件间距及曲线半径,研究上述轨道参数对曲线轨道位移响应的影响。经计算分析可知:钢轨轨头的横向位移响应包括平面内和平面外的位移响应,是钢轨平移和扭转效应的叠加;增加扣件刚度或减小扣件间距可导致轨道系统一阶自振的频率增大,而其幅值减小,对于一阶自振频率以下的频段,钢轨位移幅值也有所减小;随着扣件阻尼的增大,一阶自振的幅值显著下降,对于pinned-pinned共振,随着扣件阻尼的增加,跨中处的钢轨位移增大,而扣件上方的位移有所减小;pinned-pinned共振频率随着扣件间距的增大而减小,而其位移幅值增大;对于曲线地铁轨道,曲线半径对钢轨的横向位移基本没有影响,但对竖向位移影响显著,随着曲线半径的增加,钢轨竖向位移幅值显著下降。     

曲线轨道参数对钢轨振动衰减率的影响研究

建立曲线轨道解析模型,研究扣件刚度、扣件阻尼、扣件间距以及曲线轨道半径对钢轨振动衰减率的影响规律。轨道模型考虑为具有周期性离散支承的曲线Timoshenko梁,在频域内,将曲线钢轨的位移及转角表达为轨道模态的叠加,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道的平面内和平面外动力响应。由于此轨道模型为无限周期性结构,将周期性结构理论应用于轨道模型的运动方程,可以在一个基本元内高效地求解轨道的动力响应。利用此模型计算固定谐振荷载作用下曲线钢轨的速度频响函数,据此计算钢轨的振动衰减率。经计算分析可知:在2 000 Hz以内,扣件刚度对钢轨振动衰减率有一定的影响,随着扣件刚度的增加,钢轨振动衰减率增大;对于100 Hz以上频段,扣件阻尼对钢轨振动衰减率有非常显著的影响,增加扣件阻尼可以显著提高钢轨振动衰减率;如果考虑全频段的钢轨振动衰减率,0.6 m扣件间距要优于0.4 m和0.8 m扣件间距;对于铁路轨道或城市轨道交通的轨道,曲线轨道半径变化对钢轨振动衰减率没有影响。     

山地城市地铁线路曲线段异常波磨现象的产生机理及抑制方法

针对山地城市地铁线路钢轨波磨通常发生在长大坡道大半径曲线外轨处的异常波磨现象,根据现场调研建立了波磨高发区段的车辆-轨道系统动力学模型,研究了As地铁车辆通过波磨高发区段时导向轮对-钢轨系统的动态特性。基于轮轨摩擦自激振动观点建立了相应区间弹性长轨枕支承轮轨系统的有限元模型,采用复特征值分析研究了波磨高发区段轮轨系统的摩擦自激振动特性。综合动力学分析和摩擦自激振动分析,研究了轮轨蠕滑特性、轮轨摩擦自激振动与波磨病害的关联性,从而揭示此类异常波磨病害的产生机理。进一步地,分别研究了车辆动力学参数和轨道支承结构参数对该区段轮轨摩擦自激振动的影响,并提出抑制波磨的相关方法。分析结果表明,在山地城市地铁线路波磨高发区段的缓和曲线到圆曲线处导向轮对外轮与外轨间的蠕滑力趋于饱和,轮轨间饱和蠕滑力易于诱导轮轨摩擦自激振动的产生,从而可能导致曲线外轨处产生波长为50~60 mm的异常波磨。在抑制方法的研究中发现车辆动力学参数的改变对轮轨摩擦自激振动特性的影响不大。同时,在一定范围内减小扣件垂向刚度和垂向阻尼有助于抑制该区段轮轨摩擦自激振动的发生,当扣件的垂向刚度为5 MN/m,垂向阻尼为10 000 N·s/m时,轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性最小。以上均为山地城市异常波磨病害的抑制提供参考。     

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.     

轨道梁特性对磁浮车轨相互作用研究

为缓解磁浮系统车轨耦合振动,目前往往采用增大轨道梁质量的方法来降低车轨系统耦合所带来的不利影响,但在研究过程中却忽略轨道梁刚度及车辆运行速度的变化对车桥振动的影响。为此,该文首先介绍磁浮轨道梁结构、特性要求以及车轨相互作用方式;然后采用车辆轨道垂向耦合动力学模型,仿真分析轨道梁刚度和车辆运行速度对磁浮车辆与轨道之间相互作用的影响。研究表明:轨道梁刚度对车轨振动响应影响较大,同时车速的影响也不能忽略。为以后轨道梁设计、安装及分析磁浮车轨相互作用提供一定的参考价值。     

弹性轨枕轨道振动特性研究

弹性轨枕轨道是目前城市轨道交通运用较为广泛的轨道类型,钢轨是弹性轨枕轨道主要的振动和声辐射结构,通过研究钢轨的振动特性能够为控制振动和辐射噪声提供相关数据指导。在频域角度研究弹性长轨枕和弹性短轨枕轨道钢轨的垂向振动特性,分析不同轨枕结构及结构参数对钢轨垂向振动的影响,包括轨枕支撑刚度,轨枕质量以及轨枕尺寸对钢轨垂向振动的影响。结果表明：弹性轨枕轨道轨枕结构及结构参数的改变只会影响钢轨的0-400Hz范围内的垂向振动特性。     

弹性轨枕轨道振动特性研究

弹性轨枕轨道是目前城市轨道交通中运用较为广泛的轨道类型,钢轨是弹性轨枕轨道主要的振动和声辐射结构,通过研究钢轨的振动特性能够为控制振动和辐射噪声提供相关参考数据。在频域角度研究弹性长轨枕和弹性短轨枕轨道钢轨的垂向振动特性,分析不同轨枕结构及结构参数对钢轨垂向振动的影响,包括轨枕支撑刚度、轨枕质量以及轨枕尺寸对钢轨垂向振动的影响。结果表明:弹性轨枕轨道轨枕结构及结构参数的改变只会影响钢轨在0～400 Hz范围内的垂向振动特性。     

高速铁路简支箱梁结构噪声优化措施

混凝土箱梁在列车动荷载作用下会产生振动进而辐射低频结构噪声,影响沿线居民生活品质。以一跨高速铁路32m双线混凝土简支箱梁为研究对象,对箱梁板厚、翼缘斜撑、翼缘横隔板对结构噪声的影响进行研究。首先,基于车辆-轨道-桥梁系统频域模型求解扣件力;然后,将频域扣件力施加在桥梁-轨道有限元模型中进行谐响应分析求解箱梁振动。最后,利用边界元法以节点位移为边界条件求解桥梁结构噪声最大声压级。结果表明:在满足受力的前提下适当增加板厚可有效降低桥梁结构噪声;增加腹板厚度桥梁结构噪声降噪量最好,腹板厚度增大4 cm时结构噪声减小3 d B(A)~5 d B(A);设置翼缘斜撑可降低桥梁结构噪声约10 d B,斜撑间距4 m为宜,而对A计权声压级降噪效果不明显;设置翼缘横隔板可降低结构噪声约9 d B,三角隔板和弧角隔板降噪效果相当。     

扣压力失效状态下WJ-8扣件垂向力学行为研究

为研究扣件扣压力失效对车-轨系统动力性能的影响,通过建立WJ-8扣件精细化分析模型研究了扣件在不同受力阶段的垂向非线性刚度行为,提出了改进的抗拉刚度双线性模型和不受拉弹簧模型用来表征扣压力失效的扣件,并分析了不同扣件失效类型对车辆-轨道系统动力响应特性的影响。分析结果表明,扣件垂向刚度可离散为抗拉刚度与抗压刚度。当上拔力超过扣件扣压力后,扣件的垂向抗拉刚度迅速减小,无法保持对钢轨上移的约束作用。扣件扣压力失效和完全失效都削弱了钢轨的约束,增大了钢轨振动。其中扣压力失效主要增加钢轨在8 Hz~50 Hz范围内的振动,完全失效下钢轨振动在全频段内都有所增加。     

电磁轴承振动传递特性研究

通过有限元方法建立转子的仿真模型,结合电磁轴承动态模型获得整个电磁轴承支承转子闭环系统状态方程。基于该状态空间模型,计算转子受外扰力作用时轴承处力传递率频域响应、在外冲击力作用下位移响应及动态力响应,以此考察电磁轴承的振动传递特性,并与滚珠轴承进行对比。计算结果表明,电磁轴承的刚度阻尼等支承特性与滚珠轴承显著不同,其力的传递率频域响应较平缓,无滚珠轴承支承时某些频率附近的突出峰值。在冲击力作用下电磁轴承支承时,转子位移及动态轴承力振动均能较快恢复稳定状态,振动传递明显减小。