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。     

扣件刚度对钢轨振动特性的影响研究

准确合理的扣件刚度参数对轨道结构设计至关重要,目前的研究尚未明确扣件刚度和钢轨振动特性之间的关系。依据单自由度隔振系统的计算公式,结合国内某地铁线路实测数据,重点研究现场钢轨垂向和横向的固有频率、振型和振动传递特性,有限元仿真和现场锤击测试充分验证了理论计算。在此基础上,通过钢轨整体的共振频率反演得到现场扣件的动刚度。该研究可为轨道减振器的仿真计算和优化设计提供依据。     

地铁常用减振轨道钢轨横向振动特性测试分析

研究目的:地铁常用减振型轨道结构由于采用不同的轨道横向限位方式,改变了钢轨的横向振动特性。为研究不同减振措施对钢轨横向振动特性的影响,本文对国内某城市地铁2号线常用减振型轨道结构进行钢轨横向加速度导纳和横向振动沿纵向的衰减率的测试分析。研究结论:(1)在频率100 Hz以下,减振垫浮置板道床的非刚性横向支承使得钢轨横向加速度导纳幅值大于普通DZⅢ-1型扣件整体道床,而钢弹簧浮置板轨道钢轨横向加速度导纳幅值在50 Hz以下大于DZⅢ-1型扣件整体道床;(2) GJ-Ⅲ型减振扣件的采用使得钢轨有着相对较低的横向弯曲共振频率,钢弹簧浮置板道床和减振垫浮置板道床的水平限位方式减弱了浮置板与基底的横向耦合,改变了200 Hz以下钢轨横向振动沿纵向的衰减率;(3) GJ-Ⅲ型减振扣件使得钢轨横向衰减率在中心频率2 500 Hz以下均小于DZⅢ-1轨道,并维持在较小的范围内,不利于减小钢轨横向振动产生的声辐射;(4)本研究成果对目前常用减振型轨道结构中钢轨横向振动特性的研究具有参考价值。     

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。     

基于半解析有限元法的钢轨导波适用模态研究

研究目的:为选择出适用于钢轨导波无损检测的优势模态,采用半解析有限元法并基于哈密顿原理建立钢轨导波传播的控制方程,求解0~100 k Hz频率范围内的钢轨导波频散特性曲线。通过建立有限元模型对钢轨低频范围内的振动模态进行分析,验证半解析有限元法的准确性。在此基础上,提出将有限元法与半解析有限元法相结合的方法,用以分类并追踪钢轨理想导波模态,并根据相应的振型对理想模态导波进行激励和验证。研究结论:(1)随着频率的增大,钢轨导波振动模态数目迅速增加,但频散效应呈减小趋势;(2)对于钢轨基本振动模态,其横截面变形由整体变形逐渐演化为局部变形,其中扭转振动模态适用于轨腰检测,横向弯曲振动模态及竖向弯曲振动模态适用于轨底缺陷的检测;(3)在理想导波模态最大变形位置处施加激励荷载可以成功地激励出理想的导波;(4)本研究结果可为导波传感器设计与优化以及检测试验提供理论参考。     

不同车辆-轨道垂向动力学模型功率流传递特性研究

基于4种不同精细化程度的车辆-轨道垂向动力学模型,利用解析方法建立了形式统一的系统相邻部件间功率流传递函数,给出了车辆一系悬挂、二系悬挂、轮轨间以及钢轨和轨枕间的振动功率流传递特性,分析模型的精细化和弹性化对于各部件间功率流传递特征的影响。以精细化程度最高的模型为研究对象,讨论车辆悬挂参数和部件惯性参数的改变对部件间功率流传递特征的影响。结果表明,简单模型能够较为真实地模拟车辆低频传递特性,但对中、高频传递特性的表达与复杂精细模型相差较大;位于激励源附近位置的轮对和钢轨,在其固有频率附近的振动能量往往具有较强的传播性;簧下质量的变化对轨枕至道砟的传递特性的影响最为明显。     

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。     

铁路轨检车轴箱振动特性分析

轴箱是轮对与构架既相互连接又相互运动的关键部件,它起着承上启下的关键作用。铁路轨检车主要用于钢轨探伤,探伤设备的固定支架一般与轴箱相连,因此研究铁路轨检车轴箱振动特性对于提高探伤设备的使用寿命和探测精度具有重要意义。针对某型号轨检车建立整车车辆动力学模型,在此基础上建立了运动方程,得到车轮—轴箱系统频率响应输出;结合Hypermesh和Abaqus软件建立有限元模型并利用Block Lanczos算法进行了模态分析,得出轴箱前六阶的固有频率和主振型,得到第一阶模态固有频率为637.26Hz;使用SIMPACK动力学软件建立轨检车动力学仿真模型,使轨检车在定义有激励的直线轨道上以70km/h的速度行驶,计算出轨检车的车轮—轴箱系统垂向和横向频率响应输出并得出其共振频率,得到横向和垂向振动共振频率分别为20 Hz和63 Hz。可以发现第一阶模态固有频率远远大于其共振频率,因此轴箱的结构设计合理,在其工作速度范围内是安全的。     

钢轨声辐射特性的数值计算方法

声辐射系数是轮轨噪声预测的重要参数,用边界元方法预测声辐射系数,并以钢轨为例,计算了垂向和横向声辐射系数。计算结果表明:625 Hz以下,钢轨的横向、垂向声辐射系数随频率呈线性变化;1000 Hz以下钢轨的横向声辐射系数强于垂向声辐射系数;1000 Hz以上垂向声辐射系数大于横向声辐射系数,垂向声辐射系数在1000 Hz以上有两个峰值,分别在2000 Hz和5000 Hz;在1500 Hz~3000 Hz范围内钢轨垂向声辐射系数较大,这个频率内以垂向振动对声的贡献最大,这也是钢轨噪声的主要贡献频率;在5000 Hz附近要弱于2000 Hz附近的声辐射系数。该方法能很好地预测结构的声辐射系数,较好地解决了振动与噪声之间的联系问题,为轮轨噪声预测开辟了一条途径。     

车体弹性效应下的垂向振动特性研究

针对高速列车车体弹性振动影响悬挂部件的安全性及乘坐舒适性问题,建立考虑车体弹性的高速列车垂向刚柔耦合动力学模型,车体视为两端自由均质等截面欧拉-伯努利梁,在频域内研究弹性效应下的振动特性及其传递关系。分析结果表明,在特定轨道不平顺波长激励下,车体对称模态响应为零,而反对称模态响应最大;反对称模态响应为零,而对称模态响应最大。当车体固有频率与激励频率一致时,车体会产生共振。一阶垂弯共振速度与共振波长对列车运营有重要影响,一阶垂弯模态频率处车体相关频响函数加速度传递率最大,对车体振动贡献最大,速度越高,对一阶垂弯频率要求越高。提高车体结构阻尼和一系垂向阻尼、适当降低二系垂向阻尼可提高车体垂向运行平稳性。