北京地铁采用调频式钢轨减振器抑制钢轨振动的试验研究

北京地铁剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象,经调查和测试分析发现:剪切型减振器扣件轨道系统在200~400Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因,而剪切型减振器扣件轨道系统在此频段内阻尼过小,无法有效抑制钢轨振动。在轨腰处安装一种调频式钢轨减振器来抑制钢轨振动,进而抑制波磨发展,并在北京地铁亦庄线进行了现场试验,主要测试指标为调频式钢轨减振器安装前后钢轨振动衰减率和钢轨振动加速度。试验结果表明:安装调频式钢轨减振器,大大提高了剪切型减振器扣件轨道系统在200~400 Hz频段内的钢轨振动衰减率,有效地抑制了此频段内钢轨的振动。     

调频式钢轨阻尼器对剪切型减振器轨道动力特性的影响

为了探讨采用调频式钢轨阻尼器(TRD)整治剪切型减振器轨道结构区间异常钢轨波磨的可行性,在长25 m的轨道试验平台上采用锤击试验测试了安装TRD前后剪切型减振器轨道的结构动力特性。结果表明:安装TRD可以优化150~400 Hz频段内剪切型减振器轨道结构的频响特性与钢轨的竖向振动衰减率。一方面,TRD降低了此频段内的钢轨频响函数峰值,而该频段内的轮轨共振被认为是导致剪切型减振器轨道钢轨波磨产生的主要原因。另一方面,TRD使钢轨竖向振动衰减率提高了4倍~8倍,抑制了竖向振动沿钢轨纵向的传播;不仅如此,安装TRD后,钢轨的水平向振动衰减率大于原剪切型减振器轨道,即提高了轨道系统沿钢轨纵向对钢轨水平向振动的衰减能力,增强了对钢轨横向振动的约束,在一定程度上增加了轨道的横向稳定性。     

上部锁紧式双层非线性减振扣件钢轨波磨的控制

地铁、轻轨等不断发展极大程度地减缓了交通拥堵、环境污染等问题,与此同时,车辆运营环境的复杂化也使得列车和轨道各部件的损伤也越来越严重,其中比较典型的问题就是轮轨间的钢轨的磨耗。为了降低地铁列车在轨道上运行时车辆和轨道之间的磨损,需要采取各种各样的减振或隔振措施。采用CAT钢轨波磨仪测试了剪切型减振器以及上部锁紧式双层非线性减振扣件两种轨道结构型式下在南京地铁1号线钢轨波磨的情况。在南京地铁1号线连续的6个月对相同区间内的钢轨的波磨进行跟踪测试,确认随着时间的增长剪切型减振器扣件钢轨的波磨在缓慢地增长,增长速度为1.5 dB/月,而上部锁紧式双层非线性减振扣件钢轨的波磨在缓慢地减小,减小的速度为0.7 dB/月。结果可以看出,剪切型减振器区间钢轨波磨严重发展,而上部锁紧式双层非线性减振扣件十分有效地抑制了钢轨波磨的增长。     

采用上部锁紧式双层非线性减振扣件钢轨频率响应试验分析

轨道结构的频率响应指系统容易被激发产生显著振动响应的频率特性,根据频率响应函数可以辨识出轨道系统容易被激发的振动频率范围。采用锤击方法比较采用上部锁紧式双层非线性减振扣件(GJ-32扣件)以及Ⅲ型减振器两种轨道结构型式的钢轨的垂向和横向频率响应特性,同时也对比分析这两种轨道型式钢轨的振动频率响应情况,并结合两种轨道型式钢轨波磨现象,分析钢轨的频率响应特性与波磨特装频率的相关性。结果表明:上部锁紧式双层非线性减振扣件相对于Ⅲ型减振器在200 Hz～400 Hz之间对于钢轨的垂向及横向振动有较好抑制作用;采用这两种减振装置的钢轨的垂向"Pinned-Pinned"共振不是导致钢轨波磨的主要原因;采用Ⅲ型减振器的钢轨垂向频率共振点与现场实测的典型波磨频率高度吻合;在容易产生钢轨波磨的主要频率段,GJ-32扣件具有较好的衰减性和阻尼特性。     

不同减振扣件的轨道结构横向振动测试与分析

轨道结构的固有特性不因车辆系统及列车运营状态的变化而变化,可通过轨道的振动动态频响测试来辨识系统的传递特性和特征参数。基于国内某地铁正常运行的350 m小半径曲线线路,测试双层非线性减振扣件、III型轨道减振器扣件及DTVI2减振扣件等3种轨道结构线路在正常列车运营条件下钢轨动态振动响应及对应线路钢轨波磨水平,得到频率大于400 Hz时III型轨道减振器扣件及双层非线性扣件的钢轨横向振动大于垂向振动。结合线路钢轨波浪磨耗的特征,在车速65 km/h下中等减振扣件(双层非线性扣件与III型轨道减振器扣件)钢轨波磨多集中在50mm～80 mm短波长,分析得到III型轨道减振器扣件及双层非线性扣件的钢轨横向动态振动频响峰值与其钢轨波浪磨耗激励的200 Hz～400 Hz频率范围基本吻合,初步得到区段钢轨波磨形成和发展的影响因素。同时,采用锤击方法对比3种扣件轨道结构型式下轨道的振动衰减率及阻尼特性,综合结果发现双层非线性减振扣件相对于其他两种扣件轨道结构型式特别在400 Hz～630 Hz频段范围对钢轨的横向振动有较好的抑制作用。     

地铁浮置板轨道系统导纳特性与钢轨波磨关系研究

为了探明钢弹簧浮置板轨道区段波磨发生机理及与轮轨系统参数影响规律。首先基于现场测试的钢轨波磨特征,分析波磨典型波长及其通过频率;其次建立轮对和钢弹簧浮置板轨道三维有限元模型,分析轮轨共振模态与浮置板轨道钢轨导纳特性,探讨钢轨扣件刚度、浮置板隔振器刚度与轮对振动模态对钢弹簧浮置板区段钢轨波磨的影响规律。结果表明（：1）钢轨扣件刚度对波磨发生和发展有重要的影响。钢轨扣件刚度越低,将激发钢轨较大的振动,在特定频段上过大的钢轨振动会导致对应波长的波磨加剧,进而加速波磨的发展。（2）从轮轨系统模态分析,358 Hz的钢轨横向弯曲变形频率与测试线路产生特征波长为31.7 mm波磨引起的轮轨振动频率较为接近;可通过采取减振措施来抑制轮轨系统在358 Hz处的横向振动响应,会相应地减缓钢轨磨耗。     

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。     

低速工况下浮轨扣件减振降噪及钢轨波磨分析

采用浮轨扣件对昆明地铁钢轨波磨严重、附近环境振动噪声超标的某路段进行改造,分别测试改造前后钢轨变形、轨道系统振动、钢轨波磨、车内振动噪声、敏感建筑物振动及二次辐射噪声变化水平。结果表明,与普通扣件相比,在采用浮轨扣件区间隧道壁振动降低12.2 d B(Z),车内振动噪声分别降低5.3 d B(Z)和6.6 d B(A),钢轨波磨降低4.2 d B(A),敏感建筑物室内振动和二次辐射噪声分别降低6.3 d B(Z)和4.0 d B(A),表明浮轨扣件在低速工况下具有较好的抑制钢轨波磨和减振降噪性能。     

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。     

地铁钢轨波磨对轨道结构振动及减振特性影响

现场调查某地铁线路上普通短轨枕、先锋扣件和钢弹簧浮置板三种轨道的钢轨波磨特征,并分别进行振动测试,研究钢轨存在波磨时,三种轨道结构的振动特性及减振效果。结果表明:三种轨道结构都是内轨波磨明显,外轨表面不平顺幅值相比内轨都很小,可以忽略不计其影响;波磨主波长频率成分很容易在轨道各零部件(包括隧道壁)振动中激发出来,并且会引起较大幅值的振动;在4 Hz~200 Hz频率范围内,波磨激励下的减振型轨道依然具有良好的减振性能,但是与其最初设计用于的减振效果相比,有明显的下降;先锋扣件轨道短波长波磨会削减隧道壁在高频段的减振效果;钢弹簧浮置板轨道的波磨幅值显著,虽然对其隧道壁的减振效果影响不明显,但是会造成钢轨振动增加。     

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。     

钢轨波浪磨耗测试分析研究

本文通过测试广州、成都、上海和南京等城市的地铁线路的钢轨波磨,从线路工况和扣件类型两个方面分析钢轨波磨发生机理。测试数据表明,波磨发生机理复杂,多数发生于减振轨道系统曲线段的低轨,相应锤击测试表明线路工况对钢轨波磨影响大于扣件类型的影响。数据同时表明使用谐振式浮轨扣件区域钢轨无波磨产生或降低改造前波磨。本文根据波磨测试结果和浮轨结构,提出通过钢轨中波动传播特性思路研究钢轨波磨产生机理。     

低支承刚度谐振式轨道减振器对轨道性能的影响

轨道和钢轨振动引起的环境问题是影响城市轨道交通发展的主要问题之一,轨道减振器是目前轨道系统采用的主要减振措施之一,低垂向刚度减振器在保证了良好隔振作用的同时可能增加钢轨的振动,而谐振式减振器可以降低此影响。本文采用数值仿真方法,首先与在线实测数据进行拟合,采用与实测数据一致的轨道参数建立车辆-轨道-地基模型进行动力学计算,结果表明,谐振式减振器可降低轨道道床及地基振动的同时有效降低钢轨振动,包括pinned-pinned共振频率附近的振动,从而抑制钢轨波磨的产生。     

钢轨阻尼器控制钢轨波磨噪声的应用

随着近年来城市轨道交通的快速发展,钢轨波磨问题以及因其产生的振动噪声问题越来越受到人们的关注,它直接影响乘客的舒适度。青岛科而泰环境控制技术有限公司研发的一种钢轨阻尼器能够显著增加钢轨阻尼,有效控制钢轨波磨振动与辐射噪声。应用该技术对北京地铁某线路的钢轨波磨振动噪声进行治理,取得良好的减振降噪效果,钢轨垂向振动降低12.0 d B,钢轨横向振动降低6.0 d B,隧道内噪声降低7.7 d BA,车厢噪声降低7.6 d BA。     

钢轨波磨对地铁轨道振动特性影响研究

某城市地铁线路使用科隆蛋扣件,波磨现象严重。为了研究钢轨打磨对轨道振动的影响,分别在钢轨打磨前后对同一轨道断面进行振动测试。同时在该断面打磨后换装上部自锁式双层非线性扣件,并对其进行振动测试,对比分析科隆蛋扣件与上部自锁式双层非线性扣件的减振效果。测试结果表明：打磨之后有效地控制了钢轨波磨,打磨后的振幅显著低于打磨之前,其中低轨垂向的减振效果最好,达到了9.2 dB;打磨之后新安装的上部自锁式双层非线性扣件对钢轨波磨发展有明显抑制作用,其减振效果与科隆蛋扣件大致相当。     

钢轨波浪磨耗产生和发展机理及其控制

通过研究轨道系统不连续支承钢轨柔度的变化及轮轨系统动柔度关系,提出了＂轮轨柔度差变＂机理,该机理能有效地描述钢轨波浪磨耗产生和发展的原因,通过轨道动柔度理论计算和实验验证及运营条件下实际钢轨波浪磨耗现象的比较,得出一致的结论,从而充分证明了轮轨柔度差变和钢轨不连续支承及轨道支承刚度变化是钢轨波浪磨耗形成的主要原因之一,根据本文提出的钢轨波浪磨耗产生和发展机理,降低轮轨柔度差变及控制钢轨振动能够有效抑制钢轨波浪磨耗的形成与发展。通过在线对采用低刚度谐振动力阻尼隔振扣件的线路与原有普通线路上采用刚度较高扣件的轨道线路上钢轨粗糙度在不同时间间隔进行的测试比较,结果表明,在普通线路上采用刚度较高扣件的轨道线路上钢轨的粗糙度较高,而在安装低刚度谐振动力阻尼隔振扣件的线路上钢轨粗糙度反而有所下降,同时其钢轨本身在垂直方向及横向振动水平也有所下降。     

钢轨波磨对高速车辆振动特性的影响

为了准确研究高频激励下的车辆振动响应,综合考虑了车辆主要部件和轨道弹性振动的影响。对于车辆模型,采用刚柔耦合动力学理论来模拟车体、构架、轴箱和轮对;轨道模型包括基于Timoshenko梁模型的弹性钢轨和基于有限元理论和模态叠加法的轨道板。通过采用单一正弦函数来描述轨道波磨不平顺,分析了钢轨波磨激励对车辆系统动态响应的影响,同时调查了车速、钢轨波磨波长和波深对车辆系统振动响应的影响规律。结果表明:在钢轨波磨作用下,轮轨相互作用力和车辆系统响应均出现了周期性波动;轮轨力随着速度的增加先缓慢增加,再急剧增加,最后又保持缓慢增长趋势;钢轨波磨在一定速度下能导致构架端部和轴箱端盖发生比较严重的弹性振动;轮轨力随着钢轨波磨波深的增加而变大,随着其波长的增加而减小。     

谐振式浮轨扣件减振性能测试研究

为测试谐振式浮轨扣件振动特性和钢轨表面波磨,对南京地铁谐振式浮轨扣件进行锤击和波磨测试,同时对比测试Ⅰ型扣件、DTVⅠ2扣件和DTVⅡ2扣件3种典型常用扣件。测试结果表明,谐振式浮轨扣件固有频率、刚度和钢轨表面粗糙度最低,振动传播衰减率最好,谐振式浮轨扣件同时具有较好的减振和抑制钢轨波磨能力。     

调频式钢轨阻尼器对曲线轨道动力特性影响研究EI北大核心CSCD

建立垂向安装有具有两阶自振频率的调频式钢轨阻尼器(Tuned Rail Damper,TRD)的曲线轨道频域解析模型。将此曲线轨道视为离散支承的无限周期结构,引入周期无限结构理论,结合频域模态叠加法,通过求解轨道某“基本元”内一点的动力响应,进而得到安装有TRD的曲线轨道上任意位置处的动力响应。对安装TRD的曲线轨道动力特性进行计算分析可知:TRD能够显著降低曲线轨道在TRD自振频率附近频段内的振动响应并有效抑制曲线轨道的pinned‑pinned共振;安装TRD后,曲线轨道钢轨振动衰减率明显增大;TRD对不同半径曲线轨道的动力响应均具有一定的抑制作用;移动谐振荷载作用下,当荷载激振频率大于轨道自振频率时,安装TRD的曲线轨道时域振动响应被不同程度地抑制,当荷载激振频率与TRD自振频率一致时,轨道的振动响应显著降低。     

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。