高速列车诱发地面波与轨道强振动研究

在高速运行的条件下,当列车达到某种速度时,列车将引起轨道和大地的强烈振动。本文通过建立轨道振动微分方程,得到单轮作用下轨道变形的解析表达式。在此基础上,利用叠加原理,研究轨道临界速度与单轮和高速列车诱发轨道强振动的关系,分析了轨道基础弹性模量和轨道抗弯刚度对轨道临界速度及轨道振动的影响。计算表明,轨道基础弹性模量是影响轨道临界速度的主要原因。尤其是当轨道基础为软土地基时,轨道临界速度很低,容易被中高速列车超过。当列车速度接近轨道临界速度时,轨道将发生强烈振动。分析还显示当列车速度低于轨道临界速度时,提高轨道抗弯刚度对减小轨道振动的作用并不明显,但当列车速度接近轨道临界速度时,增加轨道抗弯刚度对减小轨道振动的作用则非常显著。     

浮置板轨道竖向振动能量传递分析

从减振降噪的角度讲,应尽量减少输入到结构的振动能量,本文根据浮置板轨道结构的特点,从能量角度出发,根据振动分析中的功率流理论,分析推导了浮置板轨道传递到基础的振动功率流,并就该轨道结构影响振动能量传递特性的参数进行了分析计算。     

轨道系统高频振动导纳特性分析

提出了包含钢轨断面弹性变形、轨下不连接支承、横垂向交叉导纳的轨道高频振动分析模型。分析表明：约１０００Ｈｚ以下，钢轨振动表现为整体振动，再高频率钢轨发生断面弹性变形的振动。分析了影响轨道高频振动的主要因素及我国轨道系统的振动特点。     

高速铁路无砟轨道振动分析

研究目的:通过建立考虑线路随机不平顺的轨道结构连续双层梁模型,提出分析高速铁路弹性支承块式无砟轨道结构振动的数值方法,为无砟轨道结构设计提供指导.研究结论:对轨道结构振动方程进行傅里叶变换,求解傅里叶变换域中的振动位移,再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应.线路随机不平顺是根据实测的功率谱函数在计算机上生成的.相对于其它复杂的车辆-轨道耦合动力学模型,该方法简单可行,借助于Matlab软件使得程序编制容易实现,且能反映轨道振动的基本规律和特点,尤其适合于整趟列车通过时轨道结构振动分析的情况.作为应用实例,对高速铁路弹性支承块式无砟轨道进行了振动分析,分析了线路不平顺等级、轨枕垫板和弹性扣件刚度、轨道基础刚度和列车速度对轨道振动的影响,得到了轨枕块橡胶垫板静刚度和橡胶套靴静刚度的合理设计值范围分别为60～90 MN/m和120～150 MN/m.     

浮置板式轨道结构隔振效果仿真研究

建立列车—轨道结构耦合系统有限元模型,将轨道不平顺作为列车—轨道结构耦合系统的激励源,对普通碎石道床轨道结构和浮置板式轨道结构的列车—轨道结构耦合系统动力学性能进行仿真研究,对比分析这2种类型的轨道结构系统振动响应与系统振动传递函数,评价浮置板式轨道结构的隔振效果。分析结果表明,浮置板式轨道结构与普通碎石道床轨道结构相比,振动加速度降低约70%,距线路5 m处大地振动加速度响应峰值降低约62.8%,相应Z振级衰减约10 dB,竖向振动加速度频率范围由0~200 Hz降到0~60 Hz,有效起到了振动隔离效果。     

时速120 km地铁多种减振轨道结构振动特征分析

为研究时速120 km地铁多种减振轨道结构的振动特征及振动传播规律,对比分析了某时速120 km地铁线路上的DZ-Ⅲ型减振扣件轨道、GJ-Ⅲ型减振扣件轨道、减振垫浮置板轨道在时域和频域内的实测结果。时域分析结果表明:3种轨道结构的浮置板(道床板)振动加速度幅值大致相等,减振垫浮置板轨道处隧道振动加速度幅值比其余2种轨道处小一个数量级,更有效地削减了振动加速度幅值。频域分析结果表明:在20~80 Hz和0~20 Hz频段内,减振垫浮置板轨道的隧道振动加速度级比另外2种轨道小,减振效果更好。除GJ-Ⅲ型减振扣件轨道钢轨与道床板间在0~80 Hz频段内衰减不明显外,振动加速度的传播大致遵循由钢轨到浮置板(道床板),再到隧道逐层衰减的规律。     

列车通过轨道不平顺和刚度突变时对轨道振动的影响

通过建立轨道振动微分方程,推导了单轮作用下考虑轨道不平顺和轨道基础刚度突变的轨道变形解析表达式。利用该解析解和叠加原理,研究了轨道不平顺和轨道刚度突变对轨道振动的影响,分析了单轮对和TGV高速动车通过不同的轨道不平顺和4种轨道刚度比时的轨道动力响应。计算表明,轨道不平顺和轨道刚度突变对轨道振动有较大影响,其影响随着轨道不平顺振幅、刚度比和列车速度的增加而增加。     

铁道车辆在刚性及弹性轨道模型上的振动模拟分析

应用车辆－轨道耦合动力学原理，对铁路车辆在实际弹性轨道基础上的垂向振动形态进行计算机模拟分析，并将模拟结果与假想的刚性轨道基础上车辆振动模型的计算结果加以综合对比，从而探明传统车辆振动模型与车辆－轨道耦合振动模型分析结果之差异，指出传统模型的适用范围，使铁道车辆振动分析更加切合实际。     

浮置式轨道在垂向弯曲振动模态下的振动放大效应研究

弯曲振动是浮置式轨道的主要振动模态。细致分析弯曲振动模态下浮置式轨道的振动放大效应,对优化轨道隔振设计有重要意义。本文基于有限元理论建立浮置式轨道动力分析模型,采用谐响应法,分析谐振荷载作用下轨道系统在频域内的结构响应,并以隔振效率为评价指标,定量分析弯曲振动模态下浮置式轨道的振动放大效应;探讨轨道结构参数的影响规律,推导一阶弯曲振动固有频率的简化计算公式。结果表明:浮置式轨道在弯曲振动模态下的振动有不同程度放大,一阶弯曲振动模态下的放大较明显,在本文参数条件下振动可放大1.69倍;增大板厚、减小板长及减小板下刚度,可明显减小振动放大效应;板厚大于0.55m或板长小于3.6m时,可不考虑轨道弯曲振动导致的振动放大效应。     

高速铁路轨道振动与轨道临界速度的傅里叶变换法

将傅里叶变换法应用于轨道结构动力分析中。首先对轨道结构振动方程进行傅里叶变换,求解傅里叶变换域中的振动位移,再通过快速离散傅里叶逆变换得到轨道结构的振动响应。建立轨道结构连续弹性单层梁模型和双层梁模型,用傅里叶变换法求得列车通过时高速铁路的轨道临界速度,分析轨枕垫板和弹性扣件的刚度与阻尼、轨道基础刚度及道砟和轨道基础阻尼对轨道振动的影响。研究表明:轨道基础刚度对轨道临界速度有着重要的影响,轨道临界速度随轨道基础刚度的增加而提高;轨枕垫板和扣件阻尼及道砟和轨道基础阻尼对轨道振动非常敏感,阻尼的存在能极大地减小轨道强振动的发生。     

车辆、轨道参数对列车—轨道系统振动响应的影响分析

应用列车－轨道时变系统振动能量随机分析理论，研究了准高速车辆、轨道参数对列车－轨道系统振动响应的影响规律，得出了一些较佳的参数选取范围。     

磁浮式轨道振动俘能机理与试验研究

轨道振动俘能技术是回收利用列车通过时轨道振动产生的能量,为铁路监测设备提供电力供给。现有轨道振动俘能方式对轨道振动参量的要求与轨道运行实际工作状态不符,是制约其进入实用化阶段的瓶颈。本文介绍磁浮式非线性轨道振动换能器的设计、建模和试验验证,提出轨道振动-电磁耦合动力学模型,分析磁浮式非线性轨道振动换能系统的响应特性。研究结果表明:利用磁悬浮的非线性刚度特性可以实现宽频带能量收集;可以通过调节器件参数(线圈匝数、线圈几何形状及表面磁通密度等)来适应轨道小位移的振幅要求;轨道振动-电磁耦合动力学模型可计算车辆行经时轨道结构的发电能力,为电磁式轨道振动俘能装置的设计提供理论依据。     

轨道梁结构对中低速磁浮车轨耦合振动的影响

建立了双级电磁悬浮控制器模型,轨道梁采用Euler-Bernoulli模型,基于单点悬浮控制系统建立"车辆-控制器-弹性梁"耦合动力学数值模型。对控制参数引起的车轨耦合失稳振动的特性进行分析,仿真计算不同轨道梁结构参数下,对中低速磁浮车轨耦合振动影响进行研究。结果表明:发生频率较低的车轨耦合振动时,轨道梁结构参数的改变对车轨耦合振动无明显影响;发生频率较高的车轨耦合振动,轨道梁固有频率随轨道梁结构而改变时,对车轨耦合振动影响明显;轨道梁固有频率不随轨道梁结构参数改变时,对车轨耦合振动无明显影响;轨道梁结构阻尼可以有效抑制车轨耦合振动响应。低频车轨耦合振动,轨道梁结构改变无法控制车轨耦合振动,车轨发生高频耦合振动时,增大轨道梁结构阻尼比及改变轨道梁固有频率均能有效控制车轨耦合振动,因此实际工程中可以考虑轨道梁下安装阻尼器和吸振器来改变轨道梁结构参数和结构阻尼来抑制振动。     

线路不平顺对桥上CRTSⅡ型板轨道振动的影响

研究目的:轨道不平顺引起的列车振动和轮轨相互作用力随着列车速度的提高成倍增大。对车辆-轨道-桥梁耦合振动而言,桥梁变形和轨道不平顺相互叠加形成轨面位移,因而轨道不平顺对系统动力响应的影响更加显著。本文针对轨道不平顺对客运专线高架轨道结构振动特性的影响进行研究,分析三种实测中长波轨道不平顺状态,即路基有砟轨道不平顺、桥上有砟轨道不平顺以及隧道无砟轨道不平顺对高架轨道结构振动响应产生的影响。研究结论:(1)在相同运营条件、相同养护条件下,不同轨道结构的不平顺状态对轮轨冲击作用力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度的影响不同,但对桥梁振动加速度的影响较小;(2)在客运专线轨道中长波不平顺激励下,钢轨振动频率主要分布在20～250 Hz范围内,轨道板、桥面板垂向振动频率分布在20～150 Hz范围内,轨面不平顺度的波长成分是影响轨道结构振动频率分布特性的一个主要因素;轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度受随机不平顺的短波长成分的影响显著;(3)除了轨道结构类型的影响,轨道不平顺功率谱大小与波长特性对轮轨力、钢轨振动加速度、轨道板振动加速度也产生了显著的影响,建议在进行轨道不平顺控制时将轨道不平顺谱纳入高速铁路客运专线轨道质量的评价指标当中;(4)本研究成果对加深认识我国高速铁路轨道不平顺对高架轨道结构振动特性的影响具有一定的理论意义和实用价值。     

基于压电陶瓷的轨道振动能量采集方法

提出一种轨道竖向振动能量采集的新方法.基于轨道竖向振动的激励模型,建立轨道竖向振动理论模型;基于压电陶瓷,建立轨道振动能量转换耦合模型.初步探讨了轨道振动能量采集对轨道安全性的影响,同时对轨道振动能量采集的规模和最佳负载进行了初步估算.结果表明,电能以短暂、爆发性的方式输出,需要匹配快速能量回收电路与储能元件.所提出的轨道振动能量采集方法为轨道竖向振动能量采集、回收和再利用提供了一种可能的途径.     

客运专线土质路基上无砟轨道结构的振动特性仿真研究

依据系统工程理论的思想,建立列车无砟轨道结构耦合系统的有限元模型,时客运专线土质路基上板式、双块式无砟轨道结构和普通碎石道床轨道结构在高速行车条件下的耦合系统动力学性能进行了仿真分析研究.对比分析这3种类型的轨道结构系统振动响应与系统振动传递函数,评价无砟轨道结构的振动特性.结果表明:无砟轨道结构的平顺性很好;结构各部分的振动随着列车行驶速度的增大而增大;钢轨、道床板、路基的主要振动频带范围均随着列车行驶速度的增大而增大;有砟轨道的弹性最好,板式无砟轨道的弹性次之,双块式无砟轨道的弹性较差.     

武广客运专线瓦屋特大桥减振型无砟轨道设计与研究

武广客运专线瓦屋特大桥设计采用了减振型单元板式无砟轨道结构。为分析其减振工作性能,本文采用车线桥耦合振动理论,分别建立了车辆、减振型板式无砟轨道和桥梁动力学模型及其运动方程,将车辆、轨道和桥梁分为2个由非线性轮轨接触力联系的振动子系统,采用迭代法求解这2个子系统,用自编的车线桥耦合振动程序对减振型无砟轨道的车线桥耦合振动进行了分析,并与减振前计算结果进行了对比。     

城市轨道交通轮轨噪声探讨

轮轨噪声在轨道交通噪声中占主要部分。根据国内外对轮轨噪声理论的研究，分析了城市轨道交通轮轨噪声的产生机理及滚动噪声与振动之间的关系，并就增加轨道结构弹性能降低轨道结构振动作了叙述。运用轨道部件的振动加速度功率谱密度函数与轮轨噪声功率谱密度之间的关系，分析了轨道结构弹性对降噪的作用。对治理轮轨噪声提出一些建议。     

地铁常用减振轨道振动特性及减振效果对比研究

对中等减振扣件轨道、梯形轨枕轨道、钢弹簧浮置板轨道、普通整体道床轨道进行环境振动现场实测,对比分析地铁列车通过时不同轨道的钢轨、道床、隧道壁振动加速度(垂向、横向)及钢轨动态变形(垂向、横向).结果表明:4种类型轨道的钢轨振动加速度相差不大;中等减振扣件轨道的道床振动加速度小于普通整体道床轨道,另外2种减振轨道明显大于普通整体道床轨道;钢弹簧浮置板轨道的隧道壁振动加速度明显小于其他轨道;钢弹簧浮置板轨道减振效果最好;中等减振扣件轨道的钢轨动态变形明显大于其他轨道.     

地下线路浮置板轨道减振特性仿真分析

为了分析地下线路采用浮置板轨道的减振效果,建立了车辆—轨道—隧道—土层—建筑物的三维有限元模型,分别计算了采用普通整体道床轨道和浮置板轨道两种工况下建筑物的三向振动加速度。结果表明:列车运行引起的建筑物振动,以垂直于线路方向的横向振动为主,其次为垂向振动,平行于线路方向的纵向振动最小;采用浮置板轨道后,楼柱节点的横向、纵向加速度振级明显减小,且随着距地面高度的增高,降幅基本一致,约为11 dB;采用普通整体道床轨道和浮置板轨道时,楼板垂向振动规律基本一致,即随着楼层的增加,楼板垂向振动呈现先减小后增大的趋势,但是相差较小。