钢轨波磨对地铁车内噪声影响的试验研究

钢轨波磨问题在地铁日常运营中日益突出,这不仅会损伤钢轨,也会增大列车通过时的车内噪声,从而严重影响列车的乘坐舒适性。针对这一问题,以某地铁实际运营线路为研究对象,测试了某区段的钢轨波磨以及列车通过时的车内噪声,并对钢轨进行打磨后再次进行钢轨及噪声测试。通过对测试结果进行对比分析发现,该区段钢轨主波长为25mm及40mm的波磨较为严重,导致列车以65km/h通过时车内噪声在440Hz、710Hz附近幅值很大,列车通过钢轨波磨区段时司机室及客室内噪声A计权声压级明显增加,最大增幅可达20dB(A);打磨后钢轨表面波磨得到明显改善,400~800Hz范围内的轮轨噪声显著降低,司机室及客室噪声A计权声压级最大值显著降低,比打磨前分别降低了10.2dB(A)和11.3dB(A)。     

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。     

小半径曲线钢轨波磨预测模型及在波磨抑制中的应用

根据摩擦自激振动引起钢轨波磨的观点,建立地铁小半径曲线轨道钢轨波磨预测模型;在原有的轮轨系统有限元模型之上将车轮和车轴分离开来,建立带有摩擦接触属性且设置过盈配合的轮轴接触关系模型,探讨车轮和车轴过盈配合模拟方式和整体式轮对模拟方式对波磨预测结果的影响。结果表明:轮对采用车轴和车轮过盈配合模拟方式得出的轮轨系统主要不稳定振动频率,更接近现场实测的波磨频率,表明轮对采用过盈配合模拟方式时计算结果要优于整体式轮对模拟方式,从而可提高钢轨波磨预测的准确性。利用建立的钢轨波磨预测模型研究了单侧轮轨摩擦因数对钢轨波磨的影响,结果显示,控制外侧轮轨的摩擦因数对钢轨波磨影响较小,适当减小内侧轮轨的摩擦因数有助于抑制钢轨波磨。     

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。     

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨打磨限值研究

山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨频发,钢轨打磨是一种常用的抑制钢轨波磨发展的手段,而确定钢轨波磨的打磨限值是关键。根据现场调研构建山地城市地铁平纵曲线交叠区段的车辆-轨道系统动力学模型,采用动力学分析研究波磨特性对轮轨动态响应的影响规律,从车辆运行安全性的角度提出钢轨波磨的安全限值;构建波长为50 mm典型波磨区段的轮轨系统有限元模型,采用瞬时动态分析研究轮轨摩擦耦合振动特性,从钢轨波磨发展趋势的角度提出钢轨波磨的打磨限值。动力学分析结果表明,山地城市地铁平纵曲线交叠区段钢轨波磨波长为30、40、50、60、70 mm时的波深安全限值分别为0.03、0.04、0.05、0.08、0.15 mm。轮轨摩擦耦合振动分析结果表明,轮轨系统摩擦耦合振动随着波深的增大而增大,控制波深打磨限值在0.02 mm以下能有效抑制轮轨摩擦耦合振动并延缓波磨发展。     

整车无砟轨道钢轨波磨计算模型

概述了钢轨波磨研究现状及现有钢轨波磨计算模型。基于刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型、改进的轮轨非赫兹滚动接触力学模型、钢轨材料摩擦磨损模型和磨耗叠加计算模型,建立整车-无砟轨道钢轨波磨计算模型。其中刚柔耦合的车辆轨道耦合动力学模型可以同时考虑钢轨、轨道板柔性以及钢轨周期离散支撑条件等因素;改进的三维非赫兹接触模型考虑不均匀磨损对轮轨接触的影响;材料摩擦磨损模型考虑自旋对磨耗的贡献。钢轨波磨计算模型考虑了轮轨之间的动力作用对波磨形成和发展的影响,以及波磨导致接触表面改变后其对轮轨接触及动力学的反馈作用。该模型可以模拟整车八个车轮和钢轨相互作用所形成的波磨。利用该模型再现了现场残余波磨的初期演化情况,该项研究可为钢轨波磨的减缓和治理提供理论基础和技术手段。     

波磨条件下地铁车轮瞬态滚动噪声特性研究

联合应用隐式-显式有限元及边界元方法,分析地铁线路中几种典型钢轨波磨对车轮声辐射的影响。采用Ansys/LSdyna建立有钢轨波磨存在的三维轮轨瞬态滚动接触模型,获得波磨激励下的轮轨接触力。将该轮轨力输入到有限元/边界元振动声辐射模型,进行波磨激励下车轮声辐射分析。结果表明,该模型能够反映波磨对轮轨作用力非线性的影响;钢轨波磨增大了轮轨间作用力,波磨波长越短,波深越深,对轮轨力的影响越大。对于直型辐板车轮,当钢轨波长较长或波深较小时,车轮声辐射主要由径向模态振动声辐射贡献,当钢轨波长较短或波深较大时,车轮振动声辐射在波磨激励频率处贡献较大。     

单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响分析

基于我国某地铁钢轨波磨的调研,采用显式有限元法建立了考虑车轮、车轴和钢轨连续体振动以及车辆、轨道高频结构振动的全轮对三维瞬态轮轨滚动接触模型,在时域内数值再现了轮对通过单侧钢轨波磨轨道段时的滚动接触行为,系统分析了单侧钢轨波磨对两侧轮轨瞬态响应的影响。相比于作者之前开发的半轮对滚动接触模型,该模型可将轮轨横向蠕滑和大自旋考虑在内。结果表明：地铁运行速度越高,波磨侧的不均匀磨损现象越严重;计算的五个速度中,波磨造成的瞬态激励在30和120 km/h时更易传递至无波磨侧,进而促进无波磨侧钢轨萌生波磨;轮对越是向波磨侧横移,波磨侧不均匀磨损越严重,但无波磨侧不均匀磨损逐渐降低,即相较于直线段,横移更大的曲线段上的外侧钢轨波磨更不易引发另一侧钢轨的波磨。     

轮对辐板开孔对钢轨波磨的影响

基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动从而导致钢轨波磨的理论,研究轮对辐板开孔对地铁小半径曲线钢轨波磨的影响,利用ABAQUS仿真软件分别建立无孔和开孔的轮对与钢轨、轨枕组成的有限元模型,采用复特征值方法研究辐板开孔距离、开孔大小和开孔个数对钢轨波磨的影响。结果表明:小半径曲线工况下饱和蠕滑力会导致钢轨波磨;辐板开孔距离对钢轨波磨的发生概率是有影响的,较小的开孔距离可以得到相对良好的稳定性;辐板开孔大小对钢轨波磨的发生概率影响较小;相比较无孔辐板和其他开孔个数辐板,辐板开4孔稳定性最好,可降低钢轨波磨的发生概率。     

地铁车辆不同速度通过曲线段车内噪声研究

地铁列车在正线运行时会在车内产生噪声,而列车通过曲线段时车内噪声则更为显著。针对这一现象,首先对某地铁线路实际运营的B型地铁列车以不同速度通过曲线段时司机室和客室内的噪声进行了现场测试;然后进行了频域分析及A计权后的1/3倍频程频谱分析,得到了司机室和客室噪声频率特性分布;最后对通过曲线段时车内噪声A计权声压级进行了时变参量分析,得到了声压级随车速的分布特性。结果表明,车内的噪声主要由低频的车辆结构噪声和中频的轮轨噪声组成;低频结构噪声频率不随车速的增加而变化,而幅值有所增加;中频轮轨噪声的频率和幅值都随车速的提升有明显的提升;将车辆曲线通过速度降低到55km/h以下可以有效改善通过曲线段时噪声过大的问题。     

地铁车辆起动区段钢轨波磨成因分析

为研究地铁出站口附近直线起动区段钢轨波磨形成原因,利用有限元软件ABAQUS建立了三维实体轮对-轨道瞬态滚动接触模型,并结合现场实测,从时域和频域上对波磨现象进行了分析。研究结果表明：车辆起动过程中,车轮与钢轨表面接触带会产生准周期特性的滑移区域,且滑移区域中心之间的距离与实测波磨的波长范围接近,从而验证了模型的合理性和有效性;轮轨系统的不稳定摩擦自激振动是导致实测区段钢轨波磨产生的根本原因,正是由于轮轨蠕滑力“饱和-非饱和”的周期特性,最终促使了波磨的形成;钢轨和车轮的垂向振动加速度等级在160~230 Hz频率范围内均出现了峰值区域,且频率范围与实测波磨的特征频率范围174~198 Hz接近,这进一步说明钢轨波磨是轮轨系统摩擦自激振动引起的车轮-钢轨共振所产生;在忽略初始不平顺的前提下,钢轨表面的波磨会随着车轮运行次数的增加呈现线性增长趋势,因此适当地采取钢轨打磨以及轨面润滑等措施尤为重要。     

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。     

地铁轨道曲线半径与钢轨波磨的相关性研究

现有地铁线路钢轨波磨80%以上出现在小半径曲线轨道内股钢轨上,而大半径曲线和小半径曲线外股钢轨几乎没有出现钢轨波磨。为了探索这一现象深层次的原因,基于摩擦自激振动导致钢轨波磨的机制,分别建立Simpack车辆多体动力学曲线通过模型和轮轨系统ABAQUS有限元摩擦自激振动模型,采用复特征值分析法对不同曲线半径轨道的钢轨波磨进行研究。结果表明:随着曲线轨道半径增大,摩擦自激振动产生的概率减小,即钢轨波磨发生概率下降,且钢轨波磨主要出现在低轨上而高轨较少;随着曲线半径增大,在曲线半径400~450 m范围内,轮轨蠕滑力逐渐由饱和状态变为不饱和状态;蠕滑力饱和时轮轨系统有可能出现摩擦自激振动,即产生钢轨波磨,当蠕滑力不饱和时,轮轨系统就不会出现摩擦自激振动,因而大概率不会发生钢轨波磨。     

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。     

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。     

隧道工况下城轨车辆轮轨粗糙度对车内噪声的影响分析

随着运营时间的增加,轨道粗糙度增高,车内噪声随之增大,乘客舒适性降低。基于线路测试数据探寻轮轨粗糙度和车内噪声之间的关系,当列车以60km/h的速度运行于隧道内,波长为31.5-50mm的钢轨粗糙度超过C级钢轨粗糙度12dB时,车内噪声达到83dB;波长63-200mm的钢轨粗糙度对车内噪声影响较小。车轮整体粗糙度幅值超过A级幅值约11dB,车内噪声达到83.3dBA;列车以80km/h的速度运行,车轮整体粗糙度幅值超过A级幅值约6dB时,车内噪声达到83.1dBA,此时车内噪声总值超过相标准限值。制定合适周期的轮轨打磨策略,有利于降低噪声对乘客的影响。     

轮轨接触参数对钢轨波磨的影响

基于轮轨间蠕滑力饱和引起轮轨系统摩擦自激振动导致钢轨波磨的理论,建立由车轮-钢轨-轨枕组成的有限元模型,采用复特征值方法研究小半径曲线轨道低轨上轮轨接触参数对钢轨波磨的影响。结果表明:小半径曲线轨道低轨上轮轨间蠕滑力饱和可能导致钢轨波磨;轮轨接触角对波磨的波长及产生趋势几乎没有影响;轮轨牵引角对波磨的波长几乎没有影响,但对波磨的产生趋势有较大影响,随着牵引角的增大,产生波磨的趋势逐渐降低。研究表明:在小半径曲线轨道低轨上,牵引角随着曲线半径的减小而减小,系统发生摩擦自激振动的趋势增强,低轨上更容易出现波磨,这就是曲线半径越小钢轨波磨越严重的原因。     

轮轨摩擦自激振动引起小半径曲线钢轨波磨的瞬态动力学

钢轨波磨问题一直困扰着地铁线路,对其产生机理的研究有着重要的理论和应用价值。基于轮轨摩擦自激振动引起钢轨波磨的观点,建立轮对稳态通过小半径曲线时由轮对-钢轨-轨枕组成的轮轨系统有限元弹性振动模型,在模型中假设轮轨蠕滑力饱和且等于法向力与摩擦因数的乘积。应用有限元软件ABAQUS分析该模型的运动稳定性,重点研究轮轨系统摩擦自激振动的瞬态动力学过程,获得了轮轨系统发生摩擦自激振动时轮轨振动和接触法向力的变化规律。结果显示内轮和内轨接触摩擦副发生严重的摩擦自激振动,并对这个摩擦自激振动引起钢轨波磨的机理进行了解释。     

地铁线路上一种钢轨波磨现象的成因分析

针对地铁线路直缓点附近区间上的一种特殊钢轨波磨现象,根据现场条件建立车辆-轨道系统数值模型,并对模型的有效性进行了验证;运用数值模型分析上述线路区间的轮轨界面黏滑特性,解释了该类钢轨波磨的形成原因;结合轮轨系统动力响应特性,分析促使钢轨波磨生成和发展的波长固定属性的成立条件。结果表明：在线路直缓点附近区间,导向轮对和从动轮对内外侧轮轨界面均会发生横向黏滑运动,而轮轨界面发生纵向黏滑运动的概率较低,且黏滑运动的交替发生,导致了钢轨表面初始波磨的形成;当导向轮对和从动轮对内外侧车轮经过线路直缓点时,外侧轮轨接触表现为轮缘-轨距角接触,且接触形式的改变造成了轮轨系统法向力的波动,说明直缓点的存在赋予了轮轨横向黏滑运动的相位同步特征,能够保持钢轨波磨的波长固定属性,因此,钢轨波磨最终形成并不断发展,而且内轨表现为轨面波磨,外轨表现为侧面波磨,这与实测区间波磨现象一致。     

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。