扣件胶垫刚度的频变性对地铁隧道环境振动的影响

结合车辆-轨道耦合动力学及有限元谱分析技术,提出考虑扣件胶垫刚度频变特性的地铁隧道环境振动频域求解法。在理论与实测结果对比验证的基础上,探讨扣件胶垫刚度频变对地铁隧道环境振动频域分布特征的影响规律。结果表明:建立的地铁隧道环境振动频域求解法及其参数选取方法基本合理,并且在频域范围内有较好的预测精度;在地铁隧道环境振动中心频率25Hz以下,胶垫刚度频变的影响低于0.3dB,可不予考虑,但是频变的胶垫刚度会显著影响中心频率25Hz以上的近场地面高频振动响应,不仅影响其频域幅值大小,还将改变其频域分布;随着地铁轨道不平顺的持续恶化,如不考虑胶垫刚度的频变特性,仅提高胶垫刚度易导致地铁环境振动低频与高频预测结果出现顾此失彼的现象。     

Vossloh300型扣件胶垫刚度频变特性对高铁高频振动的影响

以Vossloh300型扣件胶垫为研究对象,利用配备温度箱的万能试验机得到其在20?℃下的静刚度值。基于Timoshenko梁理论建立车辆-轨道垂向耦合系统随机振动分析模型,探究该型扣件胶垫频变刚度在不同频段内对轮轨系统随机振动频域特征的影响规律。实验结果为:Vossloh300型扣件胶垫静刚度在3~5?Hz激振条件下的测试值为22.4?k N/mm。仿真分析表明:Vossloh300型扣件胶垫刚度频变特性对CRH380型高速动车组轮轨系统高频振动影响较小,但对其1/3倍频中心频率为40~100?Hz影响较大,扣件力最大增幅达30.98%,并且使轨道结构振动增加2?dB。因此,在进行轮轨系统振动分析时,应考虑扣件胶垫刚度的频变特性。     

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。     

基于三维轮轨瞬态动力学模型的钢轨波磨不平顺动力影响与识别

应用有限元理论及ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件,建立三维轮轨瞬态动力学模型,分析高速铁路钢轨波磨不平顺对轮轨系统动力响应的影响特征,在此基础上,探讨钢轨波磨不平顺的识别方法。研究结果表明:钢轨波浪形磨耗会导致轮轨系统产生剧烈的高频振动,在钢轨实测波磨不平顺激扰作用下,轮轨垂向力、轴箱和钢轨垂向振动加速度等轮轨垂向动力学指标均表现出明显的高频振动特征,其高频振动频率范围位于500～700Hz,与相同速度条件下,实测钢轨波磨不平顺的主要波长成分对应;通过对轮轨系统动力响应指标进行小波包时频分析,可有效识别出钢轨波磨不平顺的波长与纵向位置。相关研究成果可为高速铁路钢轨表面短波不平顺的研究及钢轨波磨不平顺的养护维修管理提供参考。     

扣件胶垫频变动力性能对钢轨垂向振动特性影响分析

利用配有温度箱的万能力学试验机,结合温频等效原理与WLF方程的分数阶Zener模型,测试与表征Vossloh300钢轨扣件弹性垫板随频率非线性变化的黏弹性动力性能,并基于有限元方法研究考虑胶垫频变特性对钢轨垂向振动及传递衰减的影响规律。研究结果表明:在双对数坐标系下,扣件胶垫刚度和阻尼系数与频率近似呈线性正相关和负相关。胶垫阻尼频变主要增强中低频范围内的钢轨垂向振动,并能激发出钢轨1阶垂向共振频率;胶垫刚度频变能更准确预测钢轨1阶垂向共振频率;而胶垫频变特性对钢轨pinned-pinned共振频率无影响。考虑胶垫频变特性后,在1阶垂向共振频率以下,钢轨振动在激振点附近快速衰减,超过该频率钢轨振动主要沿钢轨纵向衰减。     

扣件系统频变和温变特性对钢轨振动特性的影响

为研究扣件系统刚度和阻尼的频变以及温变特性对钢轨振动特性的影响,针对钢轨-扣件系统,采用格林函数法推导钢轨任意位置的位移导纳,计算考虑扣件系统频变和温变特性后钢轨的点导纳和位移导纳,并与不考虑扣件系统的频变和温变特性情况进行对比。研究结果表明:在一定频率范围内,激振频率的增大会提升扣件系统的刚度,降低系统阻尼,进而增大钢轨的共振频率,并加剧钢轨大于钢轨共振频率的高频振动响应,不利于高频振动的纵向衰减,但对钢轨的pinned-pinned振动无影响;在一定温度范围内,温度的降低会提升扣件系统刚度和阻尼,有助于减弱钢轨小于共振频率的低频振动响应,却会加剧钢轨的高频振动,进而加剧钢轨振动辐射噪声。     

轨道系统钢轨振动衰减率动力测试研究

研究目的:钢轨振动衰减率是轨道结构动力分析的重要内容,可反映振动沿钢轨纵向传播的特性。本文采用试验的方法,对比分析剪切型减振器、DTVI_2扣件两种轨道结构型式下的钢轨振动衰减率,并进一步分析北京地铁特殊钢轨波磨的成因及整治措施。研究结论:(1)在大于400 Hz频率范围内,剪切型减振器扣件比DTVI_2扣件具有更大的振动衰减率;(2)剪切型减振器扣件在160~250 Hz频段的振动衰减率较低,大部分低于0.1 dB/m,在该频段不能提供足够的阻尼抑制轮轨相互作用引起的剧烈振动,这是钢轨异常波磨快速发展的主要原因之一;(3)针对性地调节轨道系统振动频率特性以避开轨道共振峰值点,并提高系统动态阻尼抑制钢轨振动,是有效整治异常波磨发展的重要改进措施;(4)本研究成果可为整治北京地铁异常钢轨波磨提供依据。     

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。     

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.     

钢轨波磨区段高速轮轨瞬态滚动接触高频动态特性

考虑轨道—车辆系统耦合振动以及轮轨几何非线性,建立高速轮轨瞬态滚动接触三维有限元模型,利用隐式与显式相结合的方法模拟高速轮轨瞬态滚动接触过程,轮轨接触采用面—面接触算法。基于列车通过频率和钢轨Pinned-Pinned频率,分析非稳态载荷作用下钢轨短波波磨区段轮轨间相互作用以及列车通过频率对波磨区段轨道—车辆系统动态响应的影响。结果表明:在钢轨波磨区段,轮轨瞬态接触力和牵引比随钢轨波磨几何不平顺的变化呈周期性波动,且牵引比与钢轨波磨几何不平顺呈反相位;当列车通过频率与钢轨PinnedPinned频率相近时引起轮轨系统共振,轮轨接触力出现"拍"振特性,在轨枕附近整体振动较大,加速钢轨扣件伤损,而在2个轨枕跨间整体振动较小;在牵引扭矩作用下,轮轨接触存在周期性黏滑振动,轮轨系统共振时,轨枕附近波磨波谷处的钢轨滑动磨损加剧,加速钢轨波磨的发展。     

北京地铁钢轨波磨测试分析

针对北京地铁钢轨异常波磨问题,对地铁5号线各种轨道结构形式进行钢轨振动加速度测试,对地铁4、5号线全线进行车厢内噪声测试,在地铁5号线选择4种扣件形式进行钢轨模态测试.结果表明:对于剪切型减振器扣件,在300Hz左右轮轨的共振效应,是该扣件区段产生钢轨波磨的主要原因;钢轨波磨引起的轮轨接触面不平顺,是产生车内异常噪声的...     

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。     

基于车辆响应的高速铁路周期性轨道短波病害时频特性分析

对基于同步压缩小波变换提取瞬时频率的方法进行改进,使之可完整、准确地提取振动信号的瞬时频率曲线,避免因时频聚集性较差以及交叉项的干扰带来的问题。采用该方法对高速综合检测列车轴箱加速度数据进行时频分析,提取钢轨短波不平顺的瞬时频率,根据其变化特性精确定位钢轨疑似波磨和打磨痕迹区段。结果表明:轴箱加速度波形均呈现周期性;分析区段的振动数据中包含150和75mm 2种波长呈现倍数关系的强振动数据,现场测试发现该处存在较强的钢轨波磨现象,波磨波长为150mm,同时现场还存在波长为75mm的钢轨周期性打磨痕迹;75mm的钢轨周期性打磨痕迹引起轮轨系统的非线性振动,振动频率达到1 125Hz,与扣件固有频率562Hz呈倍频关系,导致扣件产生强烈的共振,从而引发轮-轨接触共振,造成钢轨表面产生塑性变形,形成塑流性波磨,在列车的反复作用下,该处产生150mm波长的波磨。     

基于现场锤击试验的地铁轨道振动特性分析及参数研究

近来,由于轮轨共振而产生的地铁钢轨异常波磨问题备受关注。轨道结构动力特性分析是开展轮轨耦合振动研究的基础,地铁轨道结构的动力特性取决于各组成部分(钢轨、扣件、轨枕和道床等)的物理特性及其组合形式。基于轨道结构的周期性频域解析模型,结合北京地铁在线锤击试验,通过计算轨道结构在脉冲荷载下的频响函数,对0~2000Hz频段内轨道结构的动力响应主频进行分析;并通过改变轨道结构参数,分别研究了不同轨道结构参数对各轨道结构动力响应主频的影响情况。研究结果表明:轨下支撑刚度对钢轨共振频率影响较大,枕下支撑刚度对轨道系统共振频率影响较大,轨下和枕下支撑阻尼仅能改变各共振频率点的响应幅值;轨枕支撑间距对pinned-pinned共振频率影响较大,对其他共振频率点的影响较小。     

地铁小半径曲线轨道扣件参数对钢轨波磨的影响

针对地铁曲线线路中出现的钢轨波磨现象,基于地铁小半径曲线轨道上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浪形磨耗的理论,借助有限元方法,建立不同扣件类型的轮轨系统接触模型,并采用复特征值方法研究在车辆通过小半径曲线线路时轮轨系统的稳定性,研究不同扣件模拟方式及刚度对钢轨波磨的影响。对比计算结果可以发现:相比于使用弹簧阻尼单元,采用实体单元模拟扣件的模型结果更贴近现场数据;在轨下垫板与钢轨分别设置接触和固定连接的模型中,接触模型的仿真结果更加理想。由此可见,研究钢轨波磨时,接触模型是一种较为可取的仿真方式;一定范围内改变扣件的刚度对摩擦自激振动产生时对应频率的大小影响甚微,但扣件的垂向刚度值过小会使波磨现象更加严重。     

地铁小半径曲线段钢弹簧浮置板轨道的钢轨波磨研究

针对我国部分地铁线路出现振动噪声加剧及钢轨异常波磨的现实情况,开展地铁钢轨波磨形成机理的研究。利用多体动力学仿真软件Simpack建立包含地铁车辆和轨道结构的车辆系统动力学模型,研究车辆-轨道系统动力学性能以及弹性轨道系统振动特性对波磨形成的影响。研究结果表明:车辆通过曲线半径300m的钢弹簧浮置板轨道时,产生欠超高的速度以及降低曲线超高均可以降低轮轨间作用力;内侧钢轨的轮轨磨耗指数和横向蠕滑力均大于外侧,尤其在速度为55km/h时,无论轮缘是否贴靠钢轨,内侧钢轨所受应力均相对较大,造成内轨磨耗加剧;从曲线内外侧钢轨和轨道板频谱特性可知,内侧钢轨与轨道板发生共振现象所对应的频率140Hz与现场测试得出的通过频率139Hz相接近。轮轨间横向滑动造成的钢轨磨耗和轨道结构的垂向振动可能是造成曲线钢轨波磨的主要原因。     

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。     

基于梯形轨枕轨道振动特性的钢轨波磨研究

针对我国部分地铁线路出现振动噪声加剧及钢轨异常波磨的现实情况,研究减振轨道钢轨波磨产生原因。利用仿真软件Simpack建立包含地铁车辆和轨道结构的车辆系统动力学模型,分析车辆通过速度与轨道结构振动频率的关系以及弹性轨道结构共振特性,得到梯形轨枕轨道钢轨波磨可能形成原因。研究结果表明:在振动频率230 Hz(R1 200 m)、225 Hz(R2 000 m)以及211 Hz(R3 000 m)处,内侧钢轨与梯形轨枕出现更为明显的共振现象,仿真计算波磨波长和现场实测数据接近;对比相同曲线半径下的普通轨道和梯形轨枕轨道振动频率的分布情况,得出钢轨波磨与轨道结构固有振动特性有关。轨道结构固有振动特性及车辆曲线通过速度是造成钢轨波磨形成的关键因素。     

扣件胶垫老化对地铁振动的影响

以DZⅢ型扣件为研究对象,建立车辆-轨道垂向耦合Timoshenko梁模型,计算钢轨垂向振动加速度,并与一地铁线实测结果进行对比,分析扣件胶垫老化后刚度的变化对轨道振动的影响。结果表明:计算结果和实测结果基本吻合;随着胶垫老化,胶垫刚度从30 kN/mm增加到60 kN/mm时,钢轨垂向振动加速度没有明显的变化;胶垫刚度从30 kN/mm增加到90 kN/mm时,钢轨垂向振动加速度最大值增加了112%,即胶垫刚度增大2倍以上时,钢轨振动加速度所受影响较大;当钢轨振动中心频率125 Hz时,胶垫刚度变化对钢轨振动的影响较小;当钢轨振动中心频率在125~1 500 Hz时,胶垫刚度变化对钢轨振动的影响明显,加速度振级变化最大值可达14.22 dB;随着胶垫刚度的增大,轮轨力的变化比较明显,轮轨脱离的时刻明显增多。