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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

扣件胶垫阻尼的频变性对地铁隧道环境振动的影响

以地铁隧道内常使用的DT VI2型扣件为研究对象,采用车辆—轨道垂向耦合随机振动频域分析模型与有限元谱分析模型组合求解法,研究扣件胶垫阻尼的频变性对地铁隧道环境振动的影响。结果表明:与常量的扣件胶垫阻尼相比,随频率变化的扣件胶垫阻尼对地铁隧道环境低频振动影响很小,但会增大其分频最大振级,同时还会降低其分频最大振级以上频带内的振动水平,并且随着频率的持续提高,振动级的下降幅度也会越来越大;尽管可以通过单纯降低胶垫阻尼系数提高地铁隧道环境振动频域的预测精度,但难以保证对各频段振级均有较高的预测精度,因此,如不考虑扣件胶垫阻尼的频变性,易低估地铁隧道环境振动的分频最大振级,同时会高估主频段以上的振动水平。     

合成轨枕式无砟轨道结构垂向动力特性分析

通过合成轨枕式无砟轨道结构的半车—轨道垂向耦合动力学模型,研究了焊接不平顺激励下,扣件刚度、枕下支承刚度等对结构垂向动力特性的影响。分析表明:扣件刚度、阻尼及树脂砂浆弹性模量对行车安全性及平稳性影响不大。扣件刚度增加,对轨道系统的动力特性有一定影响,其中钢轨位移减少最为显著;扣件阻尼增加后,钢轨垂向振动加速度明显减小;树脂砂浆弹性模量增加,轨枕垂向振动加速度减小显著,钢轨垂向振动加速度增加。     

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。     

钢轨扣件弹性垫板的动态黏弹塑性力学试验及理论表征研究

以Vossloh300钢轨扣件弹性垫板为研究对象,利用配有温度箱的力学试验机,结合基于温频等效原理与WLF方程的分数阶Zener模型以及Berg摩擦模型,测试与表征该弹性垫板随温度、频率、振幅非线性变化的黏弹塑性动力特征。研究表明:动载较大且频率较低时,扣件弹性垫板的滞回曲线具有超弹性与塑性非线性力学特征,频率提高后,该滞回曲线将接近线性黏弹性的椭圆形滞回曲线;扣件弹性垫板温/频变的黏弹性动力特征与动载大小基本无关,但随预压力的增加而明显增大;基于温频等效原理与WLF方程的分数阶Zener模型能快速获取扣件弹性胶垫任意温度与任意频率下的黏弹性动力特征,在铁路轮轨振动主频带内更适合描述低温环境下损耗因子的频变特性。     

基于车辆走行性能的 9号直线型道岔允许通过速度研究

基于迹线法和车辆-道岔耦合动力学,考虑长期运营条件下车轮廓形磨耗,针对标准及磨耗后LM型车轮踏面和9号直线型道岔,对道岔区轮轨接触几何和车辆侧向通过道岔转辙器的走行性能展开评价,并分析9号直线型道岔的允许通过速度。研究结果表明:标准LM型踏面的轮轨接触关系优于磨耗后踏面,其允许通过速度高于磨耗后踏面。在相同的速度下运行时,标准LM型踏面的安全性,平稳性均优于磨耗踏面。在标准LM型踏面下运行,道岔侧向允许通过速度由车体横向振动加速度控制,为50 km/h;考虑实际运营条件下踏面磨耗,道岔侧向允许通过速度由脱轨系数控制,为40 km/h。     

级配不良卵石深基坑地表及 支护变形规律研究

以洛阳市地铁1号线卵石深基坑为工程原型,采用颗粒离散元软件PFC^2D,建立级配不良卵石层深基坑支护结构数值分析模型,分析地表沉降和支护结构变形规律。研究结果表明:围护结构插入比对地表沉降的影响存在3个发展阶段,适用于级配不良中密卵石基坑的插入比范围为0.38～0.58。根据对变形规律的分析,得到内撑在控制围护结构侧向位移和地表变形中作用效果不同的结论。通过理论与实测数据对比,论证级配不良中密卵石地层基坑内支撑设计和插入比选择的可靠性。研究成果可为类似卵石地层中地铁深基坑施工提供参考。     

双排桩基悬臂式 挡土墙结构计算方法研究

基于双排桩基悬臂式挡土墙结构与传统支挡结构存在较大的差异性,通过探讨双排桩基悬臂式挡土墙结构的承载机理,提出该结构的简化分析模型以及结构内力与变形的解析计算方法,并通过典型工程的有限元建模计算,验证该计算方法的可行性。研究结果表明:双排桩基悬臂式挡土墙结构可分解为悬臂段、底板与桩基,依次采用悬臂梁模型、简支梁模型与弹性地基梁模型进行设计计算;悬臂段承受填筑体水平土压力荷载;底板承受悬臂段传递的重力、水平力与弯矩,以及上部填筑体的竖向均布土压力荷载;桩基承受荷段受水平土压力,锚固段承受由变形引起的弹性抗力;悬臂段底部、底板纵向跨中断面、底板与桩基连接处以及桩基顶部与锚固点附近为应力集中断面,设计时应注意截面安全检算;理论计算结果略大于数值计算结果,验证了该计算方法的合理性,为结构优化设计提供了思路。     

曲线地段钢弹簧浮置板轨道振动 特性试验研究

为探究曲线地段钢弹簧浮置板轨道结构振动特性,分别在钢弹簧浮置板轨道和普通道床的曲线地段进行现场测试,采用短时傅里叶变换对测试数据进行时-频处理,分析轨道结构振动时频特性。相比普通道床,在钢弹簧浮置板轨道中,钢轨和道床板振动幅值增大,振动频率向高频移动;道床板时频分布的峰值频率与车辆类型和激励原因有关;浮置板轨道中,隧道壁垂向加速度级减小23 dB,横向加速度级则增大6 dB,主要表现在8～50 Hz;隧道壁振动受到轨道板横向振动激励和浮置板轨道振动传递特性两者的影响,通过这个角度解释了曲线地段地段浮置板轨道中隧道壁横向振动放大的原因。     

复合轨枕有砟轨道温度 适应性试验研究

针对复合轨枕线膨胀系数较大的特点,在步入式高低温室内铺设复合轨枕有砟轨道实尺模型,对轨道施加温度荷载,研究其温度适应性。试验中测试了不同温度下的轨距、轨枕长度变化量、钢轨和轨枕的温度。研究结果表明:复合轨枕随温度变化热胀冷缩现象明显,进而引起轨距变化,环境温度变化10℃,复合轨枕有砟轨道轨距变化约0.78～0.81 mm。建议复合轨枕有砟轨道最好铺设在较恒温地区,如隧道内;若在高速铁路中铺设,复合轨枕年温差最大应不超过50℃,同时要注意控制铺枕温度。本文的研究可为复合轨枕的进一步推广提供技术指导。     

茂县隧道挤压性变形段锚杆作用效果分析

针对茂县隧道穿越活动断裂带及其影响区所遇到的挤压性变形问题,通过对1号斜井及左洞前期施工变形统计分析,以及现场锚杆施工存在的问题,针对性地提出锚杆施工工艺的改进措施,并开展长期跟踪监测。研究结果表明:锚杆工艺改进前,1号斜井和左洞收敛均值分别为689.2 mm和624.8 mm,且1号斜井变形不收敛,左洞收敛时间达6个月;锚杆工艺改进后,左、右洞水平收敛均值分别为320.4 mm和141.2 mm,相比左洞工艺调整前分别下降77.4%和40.6%,且收敛时间缩短至约4个月;按"孔腔通畅+非收缩浆液+可简单验证和不可逆转灌注满浆"的思路综合性改进锚杆施工工艺可显著提升锚杆质量,发挥其在抑制隧道挤压性变形中应有的作用。     

2类PBL推出试验破坏机理及承载力影响因素研究

为探明2类PBL推出试验的破坏机理及极限承载力的主要影响因素,基于Abaqus平台运用非线性有限元方法建立2类PBL推出试验的精细有限元模型。计算结果表明:PBL在埋入式试验中的极限承载力与滑移性能均优于标准推出试验,非线性有限元计算结果与试验结果符合较好。2类推出试验的破坏机理及主要构件的破坏形态差异较大,标准推出试验中试件的破坏源于混凝土开裂,而埋入式试验则是由于贯通钢筋被剪断。参数分析表明:在标准推出试验中,PBL极限承载力主要与混凝土强度和开孔板孔径有关;在埋入式试验中,混凝土强度、开孔板孔径和贯通钢筋直径对PBL极限承载力均有较大影响。     

柔性轮胎及摩擦力对永磁悬浮车辆动力性能的影响

针对永磁悬浮车辆,考虑永磁悬浮力、横向力、柔性轮胎及摩擦力特性对整车的影响,通过A级路面不平顺谱建立了车辆-轮胎-轨道耦合动力学模型,利用仿真软件分析了几种不同特性的轮胎对车辆振动的影响。结果表明:永磁悬浮车辆整车的振动是一个复杂的运动,柔性轮胎及摩擦力能有效减小振动,轮胎的弹性模量对垂直浮沉振动影响小,对横向偏移振动有一定的影响。     

新型高温超导磁浮车辆通过曲线时的运动学规律

以所设计的新型高温超导磁浮转向架为例,探究高温超导磁浮车辆通过曲线线路时的运动学规律,并分析车辆过曲线时转向架以及车厢与磁轨的位置关系及几何运动关系。基于磁浮车辆过曲线时所受到的离心力与高温超导体的自导力平衡的假设,推导出车辆过曲线时的几何关系及数学表达式,并给出近似计算公式,为转向架设计提供一定的依据。     

深大沉井基础基底承载力现场试验研究

针对至今尚未解决的深层土体承载能力现场试验确定问题,依托沪通长江大桥主墩深大沉井基础的建设,利用自行研发的深厚土层高压防水自稳型荷载测试装置,开展现场载荷试验,获得了沉井底部土层荷载-沉降曲线。试验结果表明:沉井底部土层极限承载力大于6.5 MPa。在此基础上,借助现有理论分析得出相应地基土体的变形模量为12.69 MPa,地基系数为36.79 MN/m^3。与现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》相比较,地基承载力现场实测值比以安全系数2推算得到的规范值大15.3%。该测试装置的研发和试验结果的获得,为深基础基底土体承载力的现场测试提供了可靠的测试方法和设备,对于深基础设计计算理论的完善、相关规范的修订和施工工艺的优化等具有重要意义。