地铁减振工程措施综述

随着城市的发展,地铁将成为城市交通的重要组成部分,这就产生了地铁运营的振动问题。世界各国在地铁中的减振工程措施有一般减振措施和特殊减振措施。对特殊减振要求地段主要采用浮置板式道床、弹性短轨枕式整体道床轨道、框架式轨枕、减振器扣件、D型可更换式弹性轨枕直接轨道、IST等工程措施。针对我国目前的现状,提出了几点建议。     

钢轨波磨研究进展

为了解轨道车辆运营中普遍存在的钢轨波磨问题,分析了钢轨波磨的形成机理,阐述了钢轨波磨对车辆-轨道系统动力学性能的影响,综述了常见的钢轨波磨检测、监测与抑制方法,并展望了钢轨波磨的研究方向。研究结果表明:车辆-轨道系统耦合振动、轮轨反馈振动、轮轨自激振动和轮轨接触振动是形成钢轨波磨的主因,车辆-轨道结构、线路运营条件、轮轨材料、钢轨型面和车轮踏面轮廓等多方面因素相互耦合作用亦会引起钢轨波磨;重载、高速铁路和地铁钢轨波磨会影响车辆-轨道系统动力学性能和车辆与轨道零部件寿命,也会影响扣件、钢轨、轨枕、轨道板(道砟)和轴箱等零部件的振动特性,各零部件的阻尼、刚度等物理参数与运行条件不匹配时也会造成钢轨波磨,列车长时间运行在钢轨波磨路段时会导致车辆-轨道结构产生强烈共振,造成严重疲劳损伤,影响行车安全;检测与监测是研究和发现钢轨波磨的重要辅助手段,抑制钢轨波磨主要通过改善轮轨接触关系、钢轨打磨、提高钢轨表面材料硬度、添加相关摩擦调节剂和轮轨润滑剂、使用钢轨吸振器技术、优化轮轨系统结构以及调整列车运营规定等措施来实现;目前,钢轨打磨仍是消除和减轻钢轨波磨最直接、最有效和最经济的措施,应提升并改善钢轨打磨技术。      

地铁弹性短轨枕轨道的钢轨波磨萌生原因

为探明我国某地铁线路弹性短轨枕轨道曲线钢轨短波长波磨萌生原因，采用现场试验和数值仿真方法对其开展了研究. 首先，通过现场试验确定钢轨波磨波长与轨道动态特性对应关系；其次，利用车辆-轨道耦合动力学模型计算轮轨接触参量，通过力锤敲击法获得现场轨道导纳特性；最后，基于轮轨接触参量和轨道导纳结果，建立钢轨波磨频域线性分析的数值模型，模拟弹性短轨枕轨道频域下曲线钢轨磨损率特征，分析了弹性短轨枕轨道萌生特定波长波磨原因. 研究结果表明:地铁弹性短轨枕轨道钢轨波磨主要出现在半径小于等于800 m曲线段，低轨波磨程度更为显著，波长为50～160 mm，通过频率为140～280 Hz；轨道在160～210 Hz频率范围的模态振型表现为钢轨和轨枕一起相对轨道板垂向弯曲振动，在250～300 Hz频率范围的表现为钢轨和轨枕垂向反向振动，波磨通过频率与该轨道的160～300 Hz共振频率相近. 弹性短轨枕轨道特定波长波磨萌生主要与其轨道垂向固有特性相关，其波磨特征为频率固定型，波磨波长随车辆运行速度变化而变化.      

轨道高低调整量的影响因素

为了探讨轨道高低不平顺(轨道高低)实际调整量与计算调整量的关系,提出了轨道高低调整量的计算方法;建立了钢轨-扣件-轨下垫板耦合计算模型;对轨下垫板垂向刚度、轨枕间距、松开扣件个数和调整枕个数等影响因素进行了分析.研究结果表明:调整枕只有1个时,轨下垫板垂向刚度对调整量的影响较大;轨枕间距和松开扣件个数对调整量的影响较小;连续多个轨枕调整且计算调整量相同时,中间部分调整枕的调整量可以达到计算调整量.     

轮对结构和扣件刚度对钢轨波磨的影响

为研究地铁线路小半径曲线轨道上钢轨波磨的形成机理和影响因素,基于轮轨摩擦耦合自激振动导致钢轨波磨的观点,建立了小半径曲线轨道上由动车轮对-钢轨-轨枕组成的轮轨系统有限元模型.采用复特征值分析和瞬时动态分析研究了轮轨系统的稳定性和动态特性.计算结果表明:在饱和蠕滑力作用下,轮轨系统存在较强的摩擦自激振动趋势,即产生钢轨波磨的趋势;动车轮对上齿轮箱的安装位置对系统的自激振动影响较小;扣件横向刚度对自激振动的影响较小,垂向刚度对自激振动的影响较为明显;不稳定振动随扣件垂向刚度的增加呈现先增大后减小的趋势,当其垂向刚度约为20 MN/mm时,钢轨波磨最容易发生.     

轨下连续支承纵向轨枕轨道计算分析

目前工程实践采用的纵向轨枕结构轨下垫和纵向轨枕枕下减振垫的布置模式,一般为2-1-2-1布置(每布置2个扣件布置1个枕下垫)即轨下点支承纵向轨枕轨道模式,文章基于现有的纵向轨枕模型提出设想,设计运用一种新型橡胶减振垫用于填补在钢轨下部,使得钢轨与橡胶减振垫接触并以此分散作用于钢轨上的轮轨力,从而达到减振的效果,建立两种不同的纵向轨枕结构形式的力学简化模型,借助于有限元理论编制程序,对轨下连续支承纵向轨枕轨道和点支撑纵向轨枕轨道进行钢轨和轨枕的受力以及位移大小进行比较,得出纵向轨枕连续支承轨道结构在分散钢轨力和减小钢轨位移具有一定的效果。     

地铁钢轨波磨的基本特征、形成机理和治理措施综述

对世界各国地铁钢轨波磨的基本特征进行了系统梳理，总结了其普遍性与时间集中性，及其与曲线、轨道结构、车辆及其他因素相关性等典型特征，并对其分类方法、形成机理和治理措施进行了综合评述。研究结果表明:钢轨波磨普遍存在于地铁与有轨电车线路中，在新线开通初期与线路改造初期最为严重；一般而言，相对于直线和大半径曲线，小半径曲线的钢轨波磨最为普遍，低轨侧波磨波长短，幅值大，但也有例外，部分大半径曲线及直线上也有分布；波磨的波长特征和发展速度与轨道结构密切相关，轨道结构及部件不匹配时，易出现快速发展的波磨；车轮踏面廓形、轮对定位、悬挂刚度与簧下质量等车辆结构参数会对波磨萌生、发展与表现特征产生影响；波磨的产生还可能与钢轨材质、牵引和制动、运行环境、湿度及摩擦因数有关。地铁钢轨波磨的形成机理主要基于轮轨系统共振、轮轨黏滑(摩擦自激)振动、钢轨振动波反射等理论，对波磨形成过程的纵向动力学影响与系统非线性因素考虑不完善，关于黏滑自激振动与轮轨负摩擦特性对波磨影响的认识还不统一，难以解释直线以及曲线高低轨波磨特征的差异等，对波磨的形成和发展缺乏理论上的主动预测和试验验证；各国主要以钢轨打磨来控制波磨发展，通过调节轨道结构、运行环境，采用钢轨吸振器和轮轨摩擦调节装置，以及优化车辆设计等主动措施来控制波磨的研究仍需进一步开展；未来应针对车辆-轨道系统的动态特性以及实际运行工况下的轮轨微观接触行为和黏滑自激振动特性，开展车辆-轨道系统的轮轨动态磨耗演化仿真，掌握地铁钢轨波磨形成机理和关键因素影响规律，提出控制地铁钢轨波磨的主动措施和轮轨匹配优化设计原则。      

CRTSⅢ型板式无砟轨道减振过渡段动力特性分析

针对高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道减振地段与非减振地段的刚度过渡段进行研究,基于车辆-轨道耦合动力仿真分析,在各级过渡段减振垫刚度按双倍递减的情况下,讨论过渡段范围每一级过渡长度和过渡级数对轮轨动力响应的影响。研究结果表明:当过渡级数一定,每一级过渡长度采用3块轨道板长度(约15 m),轮轨力幅值、过渡段与减振地段交界面板缝两侧扣件下压力差值、车体垂横向加速度幅值、脱轨系数及轮轨减载率均最小,且钢轨挠曲变化率、列车运行品质和稳定性满足相关限值要求;当每一级过渡长度一定时,过渡级数采用3级,轮对垂向位移突变值、轮轨力幅值、钢轨挠曲变化率幅值、板缝两侧扣件下压力、过渡段与非减振地段交界面板缝两侧的错台量和扣件下压力差值均最小,且钢轨挠曲变化率、列车运行品质和稳定性满足相关限值要求;过渡段范围内,列车在经过轨道板缝时存在较大的轮轨冲击作用,尤其在各级过渡段的交界面,轮轨冲击作用更加显著,建议加强对板缝、各级过渡段交界面附近扣件系统的养护和核查。     

采用调频式钢轨减振器（TRD）治理地铁钢轨异常波磨损害的研究

随着地铁网络化建设及环保意识的提高,目前,在建地铁多采用大量的不同类型减振轨道结构的技术措施。在各类减振轨道结构中,扣件减振是最经济,最方便施工,养护维修及更换的减振措施,在国内外城市轨道交通中均广泛地被采用。然而,在对我国新开通的城市轨道交通线路调研中,发现采用减振扣件（如III型或IV型剪切型减振扣件）的一些大直线区段出现了钢轨异常波纹磨耗现象。     

地铁曲线地段钢轨横向稳定性控制措施研究

城市轨道交通线路列车发车间隔短、运行时间长的特点,对轨道结构产生高频的冲击荷载,易导致相关结构伤损的发生。尤其在半径曲线地段,存在未被平衡的横向力,钢轨产生较大的横向变形,导致轨距扩大与钢轨磨耗的产生,极大影响到行车安全。为探究钢轨横向稳定性的控制措施,本文建立了钢轨结构受力分析模型,分析曲线半径大小、扣件横向刚度与道床横向阻力等因素对钢轨横向稳定性的影响,以期为线路的养护维修提供理论支撑。     

支撑刚度对载流摩擦磨损特性的影响

在CETR UMT-2摩擦磨损试验机上,用自行设计的夹具,研究了支撑刚度对钢铝复合轨与受电靴摩擦副之间的载流摩擦磨损特性的影响,测量了法向力随时间的变化曲线与受电靴的磨损质量和弹簧在加、卸载过程中的变形能,分析了变形能与载流摩擦磨损特性之间的关系。分析结果表明:随着载荷的降低,载荷振幅均增大;弹性支撑时的载荷振幅和磨损质量总体上较刚性支撑的小;弹簧的摩擦耗能与变形能的比值越大,吸振能力越强,载荷振幅越小,载流磨损质量越低。可见,弹性支撑能降低载荷的振幅,保证良好的受流,选择合适的加载范围和一定刚度的弹簧支撑能有效地降低电弧烧蚀带来的材料损失,延长摩擦副的使用寿命。     

有砟道床梯形轨枕横向阻力试验与构成分析

梯形轨枕具有稳定性好、振动小的优点,并能减弱传递给轨道的动荷载,使得梯形轨枕在高速铁路、重载铁路、城市轨道交通中均有较好表现,但是其横向阻力一直未进行系统试验研究. 本文研究了不同砟肩宽度（200、300、400、500 mm）梯型轨枕道床横向阻力,分析了阻力构成,并与Ⅲc型轨枕对比. 结果表明,在砟肩宽度均为500 mm道床上,平肩式梯形轨枕与平肩式及砟肩堆高150 mm、Ⅲc型轨枕相比,阻力分别提升了约55%、14%,并且,平肩式道床砟肩宽度由200 mm增加至500 mm过程中,梯形轨枕道床横向阻力无明显增长,其横向阻力主要由3部分构成,其中轨枕底面与道床摩擦提供约34%,枕心部位提供约47%,轨枕端部提供约19%. 试验表明,采用梯形轨枕,可选用较小截面尺寸的道床,从而大幅节约建设用地及道砟用量.      

钢轨磨耗型波磨计算模型与数值方法

分析了国内外铁路钢轨波浪形磨损理论模型,提出了车辆轨道垂、横向耦合动力学、轮轨滚动接触力学和钢轨材料摩擦磨损模型为一体的钢轨磨耗型波浪形磨损计算模型,发展了相应的数值方法。模型中车辆结构和轨道下部结构被简化成等效的质量、弹簧和阻尼系统,钢轨用Euler梁代替,并考虑它的垂向、横向弯曲变形和扭转变形,利用修改的Kalker三维弹性体非Hertz滚动接触理论和相应的数值方法计算轮轨蠕滑力和摩擦功,假设材料单位面积磨损量正比于轮轨接触面摩擦功密度。利用该模型和相应的数值方法分析了几个磨耗型波磨情况,结果表明该模型可以模拟轨道多种缺陷(轨缝、扁疤、凹坑、轨枕间距、随机不平顺等因素)引发的钢轨磨耗型初始波磨和发展规律,可以模拟由于钢轨在机械加工或打磨过程中形成的初始波磨的演化过程,可以通过改善轨道特性来消除或减少波磨的发生和发展。     

轨道参数对轨道系统导纳特性的影响

利用轨高频振动模型预测了各在数对轨道系统导纳特性的影响,结果表明：道床刚度、轨枕质量和轨枕垫刚度是影响轨道系统二阶共振频率以下共振和反共振的主要因素,随着床刚度增加,或轨枕质量减小,或轨枕垫刚度增加,第一、二阶共振和第一阶反共振频率增加,道床阻尼、轨枕垫阻尼主要影响第一、二阶共振和第一阶反共振振幅,阻尼越大,共振峰值和反共振谷值越平缓。轨枕跨度的变化,最主要要影响与跨相关振型的振动,如第二阶反共振、第三阶和反共振频率 ,其共振或反共振频率随机枕跨距增是降低。     

高速列车动力学性能研究进展

为更深入全面了解高速列车系统动力学研究现状，综述了高速列车动力学性能对车辆运行稳定性、安全性和平稳性的影响，总结了列车安全评价方法和动力学试验方法在车辆动力学中的应用，基于轮轨间作用力，分析了轮轨磨耗对列车动力学性能的影响，概括了车-桥耦合模型、弓网系统以及列车空气动力模型在车辆系统动力学中的研究内容。分析结果表明:车轮异常磨耗会导致舒适性下降，合理的车轮镟修能有效降低车轮非圆化和车辆系统关键部件的振动，降低车内振动噪声，增加列车运行稳定性、安全性和平稳性；合适的轮对定位刚度和抗蛇行减振器的刚度和阻尼有利于提高列车蛇行运动稳定性和转向架运动临界速度；钢轨波磨严重时会导致钢轨扣件松动，缩短车辆构架和钢轨的使用寿命；通过合理的钢轨廓型打磨可消除曲线波磨，改善轮轨关系；行波效应对车辆安全性影响很大，与相同激励下的各项参数相比，车速为350 km·h-1、行波速度为300 m·s-1时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力都有所降低；横风作用下受电弓气动抬升力增大，影响接触网安全，增大弓头阻尼和弓头刚度可改善弓网受流特性。      

连续梁桥上无缝道岔伸缩力与位移计算

将钢轨和梁体视为杆单元,轨枕视为梁单元,扣件阻力、道床阻力和桥墩刚度视为弹簧单元,建立了计算连续梁桥上无缝道岔伸缩力与位移的有限元力学模型,根据变分原理和“对号入座”法则建立了模型求解的非线性方程组,分析了道岔设计参数对桥上无缝道岔伸缩力和位移的影响。研究结果表明:伸缩调节器布置在道岔的后端,连续梁固定墩的纵向力可降低43.2%;增加连续梁固定墩纵向刚度有利于减小钢轨位移;连续梁固定支座的位置对系统的受力与变形有双重影响,实际设计时应综合考虑。     

浮置板下声子晶体隔振器带隙特性研究

为了提升浮置板轨道的减振效果,阻碍浮置板垂向振动能量向轨下基底的传播,提出了一种基于声子晶体局域共振机理的浮置板轨道隔振器. 运用有限元方法研究了声子晶体隔振器的局域共振带隙特性,并验证了带隙频率范围内声子晶体隔振器对振动的抑制作用;计算了声子晶体隔振器的垂向刚度,建立了三维声子晶体隔振器浮置板轨道有限元模型;计算了整体结构的力传递率与基础加速度响应,并与传统钢弹簧浮置板的计算结果进行了对比. 研究结果表明,声子晶体隔振器存在声子晶体局域共振带隙,对50～150 Hz频带内的振动有抑制作用;声子晶体隔振器与传统钢弹簧垂向静刚度相近,均为6.0 kN/mm;保留了钢弹簧浮置板轨道的低固有频率隔振性能,并且在50～120 Hz频带具有带隙抑制特性,在51 Hz附近力传递率可减小10 dB左右;基础加速度响应在51～150 Hz频带内明显小于普通钢弹簧浮置板轨道,其中51～60 Hz频带内基础加速度相比钢弹簧浮置板轨道减小30%左右. 因此声子晶体隔振器有助于提高浮置板轨道的减振性能.      

高架轨道结构振动特性分析

目前高架轨道是城市轨道交通的主要结构型式之一,为分析其结构振动特性,通过建立高架轨道垂向振动解析梁模型和有限元模型,采用动柔度法计算高架桥速度导纳和轨道速度导纳,并分别考虑桥梁支座刚度、桥梁截面形状对高架桥振动的影响以及高架桥基础和扣件刚度对轨道结构振动的影响。结果表明,桥梁支座刚度和截面形状在低频段对高架桥的振动有较大的影响,在高频段影响较小;高架桥结构对轨道的振动在20 Hz以下有明显的影响,在20 Hz以上基本没有影响;提高扣件刚度有利于减小轨道的竖向振动,但同时增大了轨道的固有频率。     

涂油技术对曲线钢轨磨耗与振动的影响分析

小半径曲线轨道往往会加剧钢轨的磨耗与振动,影响列车的安全性和舒适度,增加维修养护的工作.文章以台湾铁路沙仑支线中洲车站端的爬升曲线为监测地点,在曲线前后端安装钢轨涂油器,进行为期6个月轨旁钢轨振动和磨耗的观测测量;分析小半径曲线轨道在润滑前后,列车经过时钢轨的磨耗和振动变化,观察涂油技术对钢轨磨耗和振动的影响.