城际铁路桥上纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数研究

为研究城际铁路纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数取值,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立客车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对桥上无砟轨道系统动力响应的影响规律,并基于层次分析法,对桥上无砟轨道系统动力特性进行综合评价。结果表明:随着扣件系统刚度增大,钢轨垂向位移减小,车体振动加速度、轮轨垂向力、轮重减载率和桥梁振动加速度均增大;随着扣件间距的增大,轮轨垂向力减小,车体振动加速度、轮重减载率、钢轨垂向位移和桥梁振动加速度均增大;综合考虑轨道变形以及工程造价,建议扣件系统刚度为50～80 kN/mm,扣件间距为0.6～0.7 m。     

扣件胶垫温变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动响应的影响研究

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著.从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小.从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大.钢轨在8～100 Hz范围内振动减弱,在125～315 Hz振动加剧,轨道板在80～400 Hz振动加剧,桥梁在80～250 Hz振动加剧.     

扣件胶垫温变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动响应的影响研究

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著.从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小.从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大.钢轨在8～100 Hz范围内振动减弱,在125～315 Hz振动加剧,轨道板在80～400 Hz振动加剧,桥梁在80～250 Hz振动加剧.     

地铁波磨下胶垫频变对轮轨高频振动的影响

研究目的:为研究地铁钢轨波磨条件下扣件胶垫频变特性对轮轨系统振动响应的影响规律,本文首先测试并表征地铁扣件橡胶垫板的频变力学特性,然后建立地铁车辆-轨道垂向耦合动力学频域分析模型,并以某地铁实测钢轨波磨数据作为激励输入,计算和分析地铁扣件胶垫频变特性对轮轨系统高频动力响应的影响。研究结论:(1)在双对数坐标系下,扣件胶垫刚度(阻尼系数)随激振频率呈近似线性正相关(负相关);(2)考虑胶垫频变特性后,除钢轨振动加速度外,轮轨系统在波磨诱发频率范围内的动力响应均显著减小,但钢轨振动响应主频仍然在波磨诱发频带;(3)胶垫频变特性会增大轮轨系统在35～90 Hz以及700 Hz以上频段的振动响应,因此在预测地铁环境振动和高频轮轨噪声等问题时应考虑扣件胶垫频变特性;(4)本研究结论可为地铁钢轨波磨条件下轮轨系统的准确动力评估提供理论与试验依据。     

弹性短轨枕空吊对车辆-轨道系统的动力学影响分析

弹性短轨枕减振轨道是城市轨道交通所采用的经济有效的减振措施之一,但由于轨枕空吊的影响,近年来在工程中的用量急剧下降。采用车辆-轨道耦合动力学理论,建立可以考虑单侧轨枕空吊的车辆-轨道空间耦合振动模型,对城市轨道交通弹性短轨枕轨道轨枕空吊引起的车辆、轨道系统的振动响应进行理论分析。结果表明,弹性短轨枕空吊对钢轨扣件、轨枕的动力学影响最为显著,其次是轮轨力,对车体振动的影响为最小。若出现2根以上轨枕的连续空吊,则钢轨扣件系统受力会超出设计允许范围。通过轮轨力或车辆振动参数对轨枕空吊不易检测或识别。     

地铁高架线曲线段DTⅦ_2型扣件T型螺栓异常断裂研究

针对某地铁高架线曲线段DTⅦ2型扣件T型螺栓(简称T栓)出现异常断裂问题,通过对断裂T栓的金相分析,以及对钢轨动位移、轮轨力、T栓应力、钢轨表面不平顺、钢轨和T栓振动加速度的测试,进行DTⅦ2型扣件T型螺栓断裂研究。结果表明:T栓裂纹位于螺栓一侧的头部与杆部过渡位置,裂纹沿45°向螺栓头芯部扩展,T栓断裂为疲劳断裂;T栓断裂扣件的钢轨—T栓的振动加速度响应传递比在700~800Hz频率处存在振动放大与相位不同步现象;曲线内股钢轨存在较为严重的28mm短波波磨,当车速为75km·h-1时,钢轨振动加速度主频在700~800Hz之间,与T栓振动放大频率耦合。T栓断裂的主要原因为:部分T栓断裂扣件系统匹配状况不良,导致在700~800Hz频率处T栓振动放大,钢轨与T栓振动不同步;钢轨短波波磨诱发钢轨700~800Hz高频振动,T栓振动量级超过钢轨,造成T栓根部应力集中部位疲劳断裂。     

谐振式浮轨扣件在高架桥上的应用分析

为减少因地铁列车运行时钢轨产生的振动及其噪声辐射,研发一种改进型谐振式浮轨扣件系统,它充分利用其谐振质量及弹性元件的动力吸振和隔振特点,能有效地减少钢轨及道床的振动。介绍该系统试验中采用的轨道道床及钢轨的振动测试方法,以及在南京地铁1号线高架桥上分别采用DTⅦ2型扣件和谐振式浮轨扣件的轨道系统的减振效果。对比试验表明,谐振式浮轨扣件具有较好的吸收钢轨振动的能力,有很好的钢轨减振及道床隔振综合效果,就道床的振动水平而言,谐振式浮轨扣件道床相比DTⅦ2型扣件道床降低13 d B左右,谐振式浮轨扣件的钢轨波磨也得到了很好的抑制作用。     

扣件失效对车-线-桥系统频率响应的影响

基于车-线-桥耦合动力学理论,运用动柔度法建立了车-线-桥垂向耦合振动频域分析模型,分析了1个和3个扣件失效对耦合系统垂向振动频率响应的影响。计算结果表明:扣件失效对车体振动加速度的影响很小,但对钢轨振动加速度影响较大,且其影响随着失效扣件数量的增加而增大;扣件失效对桥梁振动加速度的影响比对钢轨要小一些;扣件失效对相邻扣件支反力的影响较大,会加速相邻扣件的破坏,引起连锁反应,危及行车安全。     

重载铁路桥上无砟轨道扣件关键参数研究

研究目的:为研究重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统关键设计参数取值,本文基于弹性地基梁理论和车辆-轨道耦合动力学理论,建立32.5 t轴重重载货车-长枕埋入式无砟轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道静、动力学性能的影响规律,提出重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统设计参数取值。研究结论:(1)钢轨垂向位移和钢轨轨底应力随扣件系统刚度的增大而减小,车体垂向振动加速度、轮重减载率、轮轨力和桥梁垂向振动加速度随扣件系统刚度的增大而增大;(2)钢轨垂向位移、钢轨轨底应力、车体垂向振动加速度、轮重减载率和桥梁垂向振动加速度随扣件间距的增大而增大,但轮轨垂向力随之减小;(3)综合考虑轨道变形以及工程造价,建议重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统的静刚度取为40～60 k N/mm,扣件系统的动刚度取为80～100 k N/mm,扣件间距取为0.6～0.65 m;(4)本研究成果可为重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道结构设计提供参考。     

基于强迫振动的列车-轨道-轨下结构垂向耦合动力分析方法及工程应用

将线路与线下结构分解为钢轨子系统和轨下结构子系统,其中钢轨子系统由上层钢轨和下层扣件一一对应的2层节点组成,钢轨处理为具有弹性离散点支承的连续梁,钢轨与扣件间的约束用弹簧-阻尼单元模拟,采用强迫位移和强迫速度的方法处理轨下结构对钢轨系统的作用,钢轨系统对轨下结构的作用则以外荷载方式施加,建立基于强迫振动的列车-轨道-轨下结构垂向耦合动力分析方法。应用该方法进行局部扣件失效对线路和车辆动力响应影响分析。结果表明:该方法能准确分析存在局部病害基础设施的动力特性;局部的扣件失效对轨下结构和车体振动影响较小,但会显著加剧轮轨之间的振动响应,车速350 km·h^-1时钢轨最大垂向位移为正常值的2.94倍,钢轨最大垂向振动加速度为正常值的2.97倍,最大轮轨力和轮重减载率分别较正常值增大了22.0%和50.2%。     

地铁车辆轮轨耦合振动特性研究

轮轨耦合振动模态是系统固有属性,掌握轮轨间的耦合振动特征对减少车轮不圆磨耗和钢轨波磨有必然性和现实性。文章建立了详细的地铁车辆轨道耦合动力学模型,利用扫频分析方法,研究了车辆和轨道参数对轮轨耦合振动特性的影响。结果表明,车辆和轨道间的轮轨耦合振动主要表现为轮轨间P2耦合振动和由转向架轮对间钢轨局部变形引起的高频轮轨耦合振动,如轮对间钢轨的1阶、2阶和3阶弯曲振动等。轮轨P2耦合共振频率主要在30～100 Hz,钢轨受扣件刚度和簧下质量影响最为显著,随着扣件刚度的增加,轮轨P2耦合共振幅值和频率均增加。钢轨“Pinned-Pinned”振动和转向架轮对间钢轨的3阶弯曲模态是影响轮轨高频耦合振动的主要因素。当振动频率小于1 000 Hz时,轮对间钢轨的3阶弯曲是轮轨高频振动的主要驱动力,其主要受轴距、扣件阻尼和轨枕间距影响较为显著。     

车辆-轨道-桥梁竖直耦合振动程序设计及仿真

为研究轨道交通车辆经过高架桥时的动态特性,以弹性支承块式无砟轨道为例,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立了车辆-轨道-桥梁耦合系统的竖向振动矩阵方程,利用MATLAB软件编写了计算程序。数值算例验证了计算程序的可靠性。通过改变系统参数,探索了轨道不平顺、车辆速度和轨道结构竖向刚度对系统竖向振动响应的影响。结果表明:轨道振动频率分布在0~500 Hz范围内,以20 Hz以内的低频振动为主;桥梁振动频率分布在0~200Hz范围内,以一阶竖向弯曲振动为主;轨道不平顺所产生的轮轨高频冲击力可达轴重的3倍,是车辆-轨道-桥梁耦合系统重要激励源之一;轮轨力和轨道加速度响应对车速的变化敏感,车辆-轨道-桥梁耦合系统位移响应对车速的变化不敏感;扣件和支承块胶垫竖向刚度应根据设计要求在40~80 k N/mm之间进行合理匹配取值。     

扣件失效对高速列车-无砟轨道-桥梁系统垂向振动响应的影响

采用动柔度思想,通过建立高速列车-无砟轨道-桥梁系统垂向耦合频域分析模型来求解在单个或连续多个扣件失效下无砟轨道-桥梁系统的动柔度幅值、相位和纵向衰减率,对比分析无扣件失效、单个扣件失效及连续扣件失效等工况对系统在较宽频范围内动力学响应的影响规律。研究结果表明:无砟轨道结构其支撑的连续性在扣件失效下遭到破坏,钢轨、轨道板、底座层和桥梁的动力学响应增量明显;随着扣件失效数目的增多,各结构的动柔度幅值增长明显,其最大主频前移;由于扣件失效造成钢轨纵向衰减率在较高频段时相对减弱,且相位角提前出现跃升现象;轮轨接触力最大幅值由于扣件失效而略微降低,在车体激励下的钢轨加速度整体向低频移动;计算结果显示,扣件连续失效对系统频域下振动响应影响明显,严重影响桥上无砟轨道几何形位,对行车安全形成一定隐患。     

轨道刚度对车辆-轨道系统频率响应的影响

研究目的:目前,轨道刚度变化对车辆-轨道耦合系统频率响应的影响规律尚不明确,本文基于车辆-轨道耦合动力学理论,以既有提速线路为例,从频率角度,研究轨道刚度变化对车辆-轨道耦合系统振动响应的影响。研究结论:(1)轨道刚度的变化,对车体、转向架的振动影响较小,对轮对及轨道结构的振动影响较大;轨道刚度的增大,对27 Hz以下的低频振动基本无影响,27~70 Hz之间的中低频振动略有降低,100 Hz以上的中高频振动显著增大;(2)随扣件刚度的增大,轮轨力谱以及轮对、钢轨振动加速度谱的最大值均显著增大,且振动频率有向高频发展的趋势;(3)随道床刚度的增大,频率响应谱的最大值变化相对较小,轮轨力、轮对、钢轨和轨枕的振动频率向高频移动;(4)总体上看,扣件刚度对耦合系统振动响应的影响较大,在线路维修时应及时更换恶化的扣件系统,道床刚度变化的影响相对较小,其维修周期可适当延长;(5)该研究可指导轨道结构的优化设计以及轨道的养护维修。     

扣件支承模拟方式对车辆-轨道动力学行为的影响

针对车辆-轨道耦合动力学模型中扣件支承的模拟方式,建立了车辆-轨道动力学精细化空间实体模型,研究了扣件支承方式分别为单点支承、多点支承以及连续支承时,轮轨相互作用力、钢轨振动加速度、钢轨受力变形等动力学行为的差异。结果表明:(1)轮轨相互作用方面,扣件模拟为单点支承时轮轨垂横向力最大,连续支承时轮轨垂横向力最小,多点支承时轮轨垂横向力介于两者之间。(2)单点支承模型的钢轨和轨道板振动加速度明显大于多点支承和连续支承。(3)钢轨在单点支承条件下,由于轨底局部支承应力较大,钢轨的动弯应力和动位移均大于多点支承和连续支承情况。因此,在建立精细化的车辆-轨道动力学模型时采用多点支承形式来模拟扣件系统是较为合理的。     

高架简支箱梁与U梁车-轨-桥耦合振动分析

基于多体动力学与有限元法,利用多体动力学软件Simpack建立箱型梁及U型梁的三维车轨桥耦合振动仿真模型,对列车过桥时箱型梁、U型梁及轨道结构竖向和横向振动进行分析,得到桥梁振动空间分布情况,进一步研究扣件、板下弹性支承与桥梁支座参数对箱型梁和轨道结构的振动规律,并给出各参数的合理取值范围。研究结果表明:列车以80 km/h的速度过桥时,箱型梁与U型梁结构振动空间分布情况差异明显,应重点关注钢轨、轨道板以及箱梁翼板与腹板的竖向振动,U型梁翼缘处横向振动不容忽视;增大扣件刚度能明显减小钢轨变形,但过大的刚度会使箱梁与轨道结构的振动加剧,建议扣件竖向刚度取值为20~50 MN/m;增大板下弹性支承刚度可明显减小轨道板的振动,但过大的刚度会加强钢轨振动,建议板下弹性支承竖向刚度取值为(1.0~1.5)×10~3 MN/m;增大支座竖向刚度在一定范围内可减小轨道板与箱梁的振动,但过大的支座刚度反而会使桥梁振动加剧,不利于减振,建议支座竖向刚度取值为(3~4)×10~3 MN/m。     

钢轨波磨对车辆-轨道动态响应的影响

在对我国某地铁A型车、轨道结构、行车速度以及钢轨波磨状态等进行现场调查的基础上,根据车辆-轨道耦合系统动力学理论,建立车辆-轨道垂向耦合动力学数值分析模型,计算分析波磨波长、波深和行车速度对轮轨相互作用及车辆运行稳定性的影响,并且以轮重减载率限值标准为判定依据,计算分析了不同波长情况下波磨波深的建议控制值。研究结果表明:轮轨作用力随波磨波深和行车速度的增加而呈线性增长,随波磨波长的增加而减小;钢轨波磨和行车速度对车体振动响应的影响可以忽略,而波磨和行车速度对轮对振动响应影响十分明显,整体表现为波磨深度和行车速度越大轮对振动加速度越大,波磨波长越长轮对振动加速度越小;以0.65的轮重减载率限值标准为判定依据,分析20～60mm波长范围内波深控制指标,建议波长为20、30、40、50、60mm短波钢轨波磨波深分别达到0.05、0.04、0.06、0.06、0.09mm时进行打磨处理。     

WJ-8型小阻力扣件轨下橡胶垫板滑出动力学研究

基于轨下胶垫滑出后扣件支撑刚度减小和轮轨系统动力学基本原理,建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,计算分析轨下胶垫滑出对车辆与轨道结构的动力学性能的影响,得出以下结论:(1)随着轨下胶垫滑出量的增加,车辆与轨道结构的振动加速度、钢轨与道床板的垂向位移、最大轮轨力、减载率均有增大趋势;最小轮轨力有减小趋势;且随着轨下胶垫滑出量的增加,车辆以及轨道结构的动力学指标的变化趋势逐渐增大。(2)基于车辆以及轨道结构的动力学指标,轨下胶垫滑出量不宜大于120 mm。     

钢弹簧失能下车辆-浮置板轨道耦合系统动力特性研究

在列车荷载作用下浮置板轨道会发生钢弹簧失能,为研究此问题对车辆-浮置板轨道系统动力特性的影响,基于车辆-轨道动力学理论,建立车辆-浮置板轨道耦合动力学模型,研究不同钢弹簧失能数量、位置、组合形式对车辆-浮置板轨道系统动力响应的影响。结果表明：当钢弹簧失能数量相同时,同一块浮置板的振动响应板中位置大于板端位置;钢弹簧失能1个时,板中位置钢轨、浮置板位移最大值分别比板端位置大0.49 mm和0.22 mm,加速度有效值分别比板端位置大13.34%和21.42%;单侧连续失能钢弹簧数量≥2个时,列车荷载作用下钢轨和浮置板垂向位移最大值均分别超出《浮置板轨道技术规范》规定的限值4 mm和3 mm;车体在频域上的振动响应主要集中在10 Hz内,钢弹簧失能会导致车体振动响应在频域上增大;单侧钢弹簧失能2个比双侧失能2个的钢轨位移最大值、加速度有效值分别增大17.75%、2.22%,比正常状态下钢轨位移、加速度分别增大37.08%,10.84%。钢弹簧失能增加了系统的振动响应,影响减振效果,应注意及时检修。     

基于扣件FVMP模型的车-轨耦合随机振动分析

针对高速铁路钢轨扣件,结合其动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数理论建立扣件动参数频变FVMP模型,并将该模型应用于车辆-轨道随机振动模型中,采用格林函数法及虚拟激励法分析扣件动参数频变对车辆及钢轨结构振动的影响。计算结果表明:扣件的动参数对频率和温度具有明显的依赖性,而高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种力学行为;扣件动参数的频变特性对车体的垂向振动无较大影响,但对频率在20～70 Hz范围内的转向架随机振动有一定影响;考虑扣件动参数频变特性后轮对与钢轨振动所受影响较大,轮对加速度功率谱密度在中频段的峰值相差64.2%,钢轨加速度功率谱密度在中频段的峰值相差55.2%;扣件FVMP模型得到的轮轨随机振动频域分布向高频偏移,且中高频段内轮轨振动响应减小;忽视扣件动参数随频率变化的特性将难以准确表征轮轨中高频段内的振动响应。