谐振式浮轨扣件结构及钢轨减振降噪效果试验分析

介绍一种用于地铁交通的谐振式浮轨扣件的结构、特点及其谐振系统。该扣件利用动力吸振原理，针对地铁钢轨2 000 Hz频率范围设计了内含谐振质量块的橡胶支撑楔块，以吸收钢轨的振动能量，可在一定程度上抑制因低刚度隔振扣件对钢轨振动的影响，降低钢轨的振动和噪声辐射。在成都地铁一号线上进行的实测，其结果表明谐振式浮轨扣件相对于DVT I2扣件钢轨的垂向振动减少了1.5 dB，横向振动减少了0.8 dB，减小了低刚度隔振扣件对钢轨振动增加的影响。     

减振型扣件理论研制和室内试验研究

扣件系统是影响轨道结构振动特性的关键因素,其刚度过大钢轨与轨枕或轨道板耦合作用减弱,钢轨的振动衰减率变小,过大耦合作用增强,会导致轨枕或轨道板振动增强。基于此,应用轮轨系统耦合动力学思想,得出一定轨道和车辆结构参数下的扣件的最佳匹配刚度。并基于铁路轨道设计规范设计制作了减振型扣件样品,通过疲劳测试和动力特性室内测试表明：疲劳前后静刚度损失为1.2kN/mm,扣压力损失为1.67kN,纵向阻力损失为1.6kN,表明扣件系统设计合理,组装疲劳性能合格;垂向激励和横向激励下,在0～5000HZ频段内,减振扣件对轨头、轨腰和轨脚的减振作用均很显著。     

铁路钢轨扣件系统垂向动力模型及振动特性

该文针对铁路钢轨扣件系统,分别考虑了扣压件及垫层的弹性特性,并考虑了扣件系统中扣压件的预压力,建立了详细的垂向动力分析模型,并推导了钢轨受力方程,然后基于车辆-轨道耦合动力学理论,分析了扣件系统垂向振动特性,结果表明:扣压件及垫层的弹性变形均受预扣压力及轮轨动态相互作用力的影响,扣压件及垫层作用在钢轨上的力均含有预扣压力及轮轨力的成分。因此,在铁路轨道扣件系统的动力分析与设计研究中,有必要分开考虑扣压件及垫层的弹性特性。     

考虑轨道伤损的列车-无砟轨道-桥梁系统动力特性

为探讨桥上无砟轨道损伤对列车-轨道-桥梁系统动力响应的影响规律,基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学原理,基于ANSYS+SIMPACK联合仿真,建立了考虑墩台纵向支座刚度、轨道结构及层间接触特性的双线32m简支箱梁桥CRTSⅢ型无砟轨道空间动力学模型。研究了时速200km列车通过条件下,扣件伤损及轨道板和底座板间离缝对车桥系统动力响应的影响规律。研究表明:单个扣件失效对轨道动力响应影响有限,0.07m板缝处轮轨竖向力骤变显著,钢轨竖向位移和钢轨节点反力增大明显;扣件连续失效对系统整体影响更大,其中相邻且对侧扣件失效影响最大;自密实混凝土沿轨道板横向完全脱空后,纵向离缝长度越大,对系统动力响应的影响也越大;相邻轨道板端部自密实混凝土都沿横向完全脱空对系统动力响应影响最大,轨道结构与桥梁结构的垂向加速度、竖向位移均增幅最大,增势最快;离缝长度1.2m,轮重减载率接近限值,继续增加至1.6m时,列车将脱轨;轨道板和桥梁的竖向振动随着离缝长度的增大显著增大,振动骤增会对轨道以及桥梁的耐久性产生不利影响,建议离缝长度检修限值可设为1.2m,并应重点关注轨道板端部自密实混凝土界面脱空情况。     

地铁线路轨道中高频动态特性研究

地铁线路轨道中高频动态特性对轮轨振动噪声和钢轨短波长波磨的产生有重要作用。建立地铁整体道床轨道的三维实体有限元模型,结合现场力锤敲击法测试结果,计算分析地铁轨道的中高频动态特性,分析扣件刚度、轮对载荷对轨道中高频动态特性的影响。研究结果表明:普通扣件(垂向静态刚度约40 k N/mm)-整体轨道结构在150 Hz以下低频模态表现为轨道板和钢轨整体的垂向弯曲振动,在150 Hz~1 500 Hz中高频模态表现为钢轨相对于轨道板的弯曲振动、轨道板单独的弯曲振动和钢轨局部的扭转振动;扣件垂向刚度在10 k N/mm~40 k N/mm范围内变化对频率在750 Hz以下钢轨垂向动态特性有影响,对钢轨750 Hz以上的中高频模态振型影响不明显;轮对模态在1 500 Hz以下主要表现为弯曲和扭转振动,其对轨道的低频模态振型(钢轨和轨道板整体垂向弯曲振动)影响不明显,对轨道部分中高频模态(钢轨的垂向弯曲振动)影响明显。在400 Hz~1 100 Hz频率范围内,考虑轮对影响的轨道垂向模态频率增大,增大范围为10 Hz~56 Hz。     

轨道参数对轮轨耦合系统固有频率的影响

轮轨系统固有振动特性对车轮失圆和钢轨波磨的形成和发展具有重要影响。建立普通短轨枕整体道床轨道有限元模型和簧下质量-轨道耦合系统有限元模型,分析扣件刚度、地基刚度、簧下质量及轨枕间距对轨道和耦合系统固有频率的影响。结果表明：轨道一阶垂向弯曲频率随扣件刚度的增大而增大,地基刚度对轨道一阶垂向弯曲频率的影响较小;耦合系统一阶垂向弯曲频率（P2共振频率）随扣件刚度的增大而增大,随簧下质量的增大而减小;P2共振频率随地基刚度的增大而增大,当地基刚度大于300 MPa/m,地基刚度的变化对P2共振频率影响较小;轨道一阶垂向弯曲频率和P2共振频率随轨枕间距的增大而减小;轨枕间距随机变化可降低Pinned-Pinned共振响应峰值。通过现场力锤敲击与车辆轨道振动测试结果对模型进行验证,仿真结果与现场测试结果基本一致。     

轨道参数对轮轨耦合系统固有频率的影响

轮轨系统固有振动特性对车轮失圆和钢轨波磨的形成和发展具有重要影响。建立普通短轨枕整体道床轨道有限元模型和簧下质量-轨道耦合系统有限元模型,分析扣件刚度、地基刚度、簧下质量及轨枕间距对轨道和耦合系统固有频率的影响。结果表明:轨道1阶垂向弯曲频率随扣件刚度的增大而增大,地基刚度对轨道1阶垂向弯曲频率的影响较小;耦合系统1阶垂向弯曲频率(P2共振频率)随扣件刚度的增大而增大,随簧下质量的增大而减小;P2共振频率随地基刚度的增大而增大,当地基刚度大于300 MPa/m,地基刚度的变化对P2共振频率影响较小;扣件刚度和地基刚度不变的情况下,轨道1阶垂向弯曲频率和P2共振频率随轨枕间距的增大而减小;轨枕间距随机变化可降低Pinned-Pinned共振响应峰值。通过现场力锤敲击与车辆轨道振动测试结果对模型进行验证,仿真结果与现场测试结果基本一致。     

扣件刚度频变特性对轮轨振动噪声的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论和声学理论,建立了考虑扣件刚度频变特性的轮轨滚动噪声频域分析模型。模型中,通过车轮有限元分析获得其模态特征向量,建立考虑车轮弹性的动力学方程;钢轨视为由刚度随频率变化的扣件离散支承的铁摩辛柯梁模型;通过等效线性化轮轨接触形成轮轨耦合动力学频域分析模型;将轨道粗糙度作为输入并考虑接触区滤波,计算得到了车轮和钢轨的振动响应频谱及声辐射功率频谱,并分析了扣件刚度频变特性对轮轨垂向振动以及轮轨滚动噪声的影响。结果表明,扣件刚度的频变特性对钢轨导纳特性、轮轨相互作用力频谱、钢轨总声功率影响明显,而对车轮总声功率影响较小;与扣件常刚度模型计算结果相比,钢轨振动沿纵向传播的衰减率增大,钢轨声辐射功率在100~1 250 Hz频段明显减小,轮轨总辐射声功率约减小2.4 dBA,轮轨噪声辐射声压预测值与试验结果对比表明,频变刚度模型可有效修正常刚度系数模型对轮轨噪声的过高估计。     

谐振式浮轨扣件性能仿真分析及结构改进

以某地铁公司现用的谐振式浮轨扣件为研究对象,介绍谐振式浮轨扣件的结构及其谐振系统的设计原理,建立谐振式浮轨扣件的仿真分析模型,得到谐振式浮轨扣件系统垂向刚度及扭转刚度分别为5.49 kN/mm、0.102MN·m/rad。结合谐振式浮轨扣件的性能特点以及在实际使用中的谐振效果,通过锤击频响试验与仿真,得到3个谐振质量块同时作用的谐振频率分别342 Hz、598 Hz、779 Hz,并与DTVI2扣件的试验测得数据对比,发现在这些频率段下谐振式浮轨扣件的钢轨垂向振动明显减弱。最后针对谐振式浮轨扣件实际应用中轨脚容易扭转摆动的问题,在现有结构的基础上在轨脚增加限位块,保证钢轨轨脚的刚度,降低因车轮与钢轨发生侧向滑移磨损加剧轮轨振动从而诱发波磨的可能。     

曲线轨道参数对钢轨振动衰减率的影响研究

建立曲线轨道解析模型,研究扣件刚度、扣件阻尼、扣件间距以及曲线轨道半径对钢轨振动衰减率的影响规律。轨道模型考虑为具有周期性离散支承的曲线Timoshenko梁,在频域内,将曲线钢轨的位移及转角表达为轨道模态的叠加,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道的平面内和平面外动力响应。由于此轨道模型为无限周期性结构,将周期性结构理论应用于轨道模型的运动方程,可以在一个基本元内高效地求解轨道的动力响应。利用此模型计算固定谐振荷载作用下曲线钢轨的速度频响函数,据此计算钢轨的振动衰减率。经计算分析可知:在2 000 Hz以内,扣件刚度对钢轨振动衰减率有一定的影响,随着扣件刚度的增加,钢轨振动衰减率增大;对于100 Hz以上频段,扣件阻尼对钢轨振动衰减率有非常显著的影响,增加扣件阻尼可以显著提高钢轨振动衰减率;如果考虑全频段的钢轨振动衰减率,0.6 m扣件间距要优于0.4 m和0.8 m扣件间距;对于铁路轨道或城市轨道交通的轨道,曲线轨道半径变化对钢轨振动衰减率没有影响。     

一系螺旋弹簧动刚度对车辆-轨道耦合振动影响分析

建立准确表征一系悬挂轴箱螺旋弹簧波动特性的力学模型,运用动刚度矩阵法求解,研究其对悬挂系统隔振性能影响。结合基于格林函数法的车辆-轨道耦合动力学模型,引入弹簧刚度频变特性,对比分析考虑一系螺旋弹簧频变刚度前后车辆动力学性能之间的差异。结果表明,动刚度矩阵法可以精确求解螺旋弹簧随频率变化的动刚度特性,在一阶模态振动频率后弹簧刚度值呈现103等级的剧烈变化,该结果与有限元模型结果一致;一系螺旋弹簧的动态频率特性导致轮轨激励由车轮至构架的振动位移传递率提高到接近于1,而对车体的振动传递率提高到了10-3左右;在整车车辆-轨道动力学计算中,其对轮轨振动影响较小,但车体与构架出现了较高的高频振动能量峰值。包含一系悬挂动刚度的车辆模型更接近实际,为了降低车辆振动,应尽量提高一系螺旋弹簧自振频率并降低动刚度变化幅值。       

扣件胶垫刚度频变的车/轨耦合系统随机振动虚拟辛分析

运用无穷周期子结构的辛数学方法与虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合随机振动虚拟辛分析模型,并用以探讨扣件胶垫频变刚度对轮轨耦合系统随机振动的影响。研究结果表明:扣件胶垫频变刚度对车体垂向随机振动的影响可忽略不计,但却会改变转向架中高频的垂向随机振动幅值,同时还会显著提高轮对与钢轨的垂向随机振动最大功率峰与其第一主频;轮对垂向随机振动最大功率峰与其第一主频随着扣件胶垫刚度频变幅度或低频初始刚度的增大分别呈波浪式渐增与阶梯式上升的变化趋势;在铁路常用扣件胶垫刚度的变化范围内,轮对垂向随机振动最高功率峰的最大增幅是17.5倍,并且其第一主频的最大增量亦可高达40 Hz。因此,为精确预测车辆转向架、车轮及轮下系统的随机振动频域响应,需综合考虑扣件胶垫的低频初始刚度及其刚度频变幅度。     

扣件胶垫刚度的幅频变对轮轨耦合系统随机频响特征的影响

以热塑性聚氨酯弹性体（TPEE）的扣件胶垫为研究对象,首先利用万能试验机测得其荷载-位移非线性曲线。然后,借助非线性静力分析的有限元模型,计算车辆静载与弹条扣压共同作用下该类扣件胶垫的位移幅值及其对应的静刚度。最后,运用车辆-轨道垂向耦合随机振动分析模型,探讨聚氨酯胶垫的常量刚度、频变刚度与幅频变刚度对车辆-轨道耦合系统随机振动频响特征的影响规律。研究结果表明:聚氨酯胶垫的静刚度具有显著的非线性特征,而且在20 kN扣压力与80 kN静轮载共同作用下聚氨酯胶垫的静刚度在19.1 kN/mm~37.9 kN/mm范围内变化,其均值与规范中假设的线性常量静刚度26.7 kN/mm相近;另外,与聚氨酯胶垫的幅频变刚度相比,它的常量刚度会严重低估轮轨系统65 Hz~150 Hz的频域响应。因此,如果车辆-轨道系统中有刚度非线性较强的高分子材料,就必须综合考虑这些材料刚度的幅变与频变特征,否则将难以准确预测轮轨系统及其周边环境振动的频域响应。     

地铁车辆-轨道耦合振动响应分析及轨道结构参数优化

针对在建杭州地铁3号线下穿某文教区工程,根据车辆-轨道耦合动力学理论,分别建立车辆-普通整体道床轨道耦合动力学模型和车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型。基于赫兹非线性接触关系,实现轮轨间的力平衡和位移协调。利用有限元软件ABAQUS,对两种轨道结构模型的动力响应进行计算,研究轮轨耦合动力相互作用机理和轨道振动源强特性,分析浮置板长度、轨道不平顺、扣件刚度、钢弹簧刚度和行车速度对钢弹簧浮置板轨道动力特性的影响,并对轨道结构参数进行优化。研究成果可为该地铁轨道的减振设计提供科学依据。     

车轮谐波磨耗对轮轨蠕滑特性的影响分析

为探究车轮谐波磨耗对轮轨间蠕滑特性的影响,建立了4种不同轮轨关系下的车辆-轨道耦合动力学模型。基于多体动力学理论,以实测车轮谐波磨耗为依据,对比分析了4种模型的轮轨振动特性,得到最能反映真实情况的轮轨关系模型。基于柔性轮轨分析车轮谐波磨耗对轮轨蠕滑特性的影响,并进一步探究谐波磨耗下扣件刚度和速度对蠕滑特性的影响。结果表明:柔性轮下的振动响应要高于刚性轮,而刚性轨下的振动响应要大于柔性轨。其发生机理表现为柔性体的固有模态与谐波激励频率相近引发模态共振,使得柔性体的振动响应大于刚性体。对比分析结果表明多柔体更能反映轮轨真实接触状态;车轮谐波磨耗的阶次和幅值对柔性轮轨关系下的蠕滑特性影响显著,整体呈现出随阶次和幅值增大而增大的趋势,且高阶次下,幅值对蠕滑特性的影响更加显著。进一步发现扣件刚度对蠕滑特性的影响与速度呈现相关性,当速度低于250 km/h时,扣件刚度对蠕滑率/力的影响并不显著,但仍呈现出随刚度增大而减小的趋势;当速度高于300 km/h时,扣件刚度对蠕滑率/力的影响比较明显,呈现随刚度增大而增大的趋势。     

扣件胶垫刚度频变的车辆-轨道耦合时变随机振动扩展辛分析

运用扩展辛数学方法、周期拟稳态求解法与随机振动虚拟激励法,建立了车辆-轨道垂向耦合时变系统的随机振动扩展辛分析模型,高效计算了扣件胶垫频变刚度影响下车辆-轨道耦合时变系统的随机振动频域特征,并与车辆-轨道耦合时不变系统的随机振动频域特征进行了对比。研究发现:1）对于低速地铁线路而言,在现有扣件胶垫低频初始刚度及其刚度频变幅度的变化范围内,时变与时不变系统中车轮及轮下结构垂向随机振动加速度频谱的差异很小,因此地铁线路上应用定点激励模型可满足工程要求;2）在高铁线路上,扣件胶垫刚度的频变幅度越大,车轮及轮下结构垂向随机振动加速度的最高功率峰及其对应主频在时变与时不变系统内的差距也越大,因此在扣件胶垫刚度频变幅度较大的高速线路上采用动点激励模型才能保证较高的运算精度。     

基于动柔度法的轨道高架桥橡胶垫减振性能研究

为探讨下橡胶垫对桥梁减振效果,基于动柔度法建立车辆-轨道-桥梁耦合的垂向动力学模型,车辆考虑1/8轮对系统,只考虑一系弹簧阻尼计算车轮动柔度,钢轨看作无限长Timoshenko梁,桥梁简化为简支的Euler梁,扣件系统、橡胶垫用线性弹簧阻尼单元模拟,联合车轮动柔度、钢轨动柔度和线性接触动柔度计算频域轮轨力并施加到钢轨上,计算钢轨、道床板、桥梁的动力响应。采用振动加速度级、加速度级插入损失和Z振级插入损失评价橡胶垫的减振效果,结果表明,采用橡胶垫后钢轨振动响应略有增大,Z振级插入损失为–0.81 d B,道床板振动响应大幅增加,Z振级插入损失为–10.3 d B,桥梁的振动响应减小明显,Z振级插入损失为:15.6 d B,计算结果表明橡胶垫能有效的降低桥梁结构振动,相关的研究为桥梁的减振降噪提供了一定参考。     

考虑扣件温频变的车轨桥垂向耦合系统振动能量研究

通过对扣件进行定频变温试验,结合温频等效原理与高阶分数导数FVMP模型建立扣件的温频变动态力学模型,并在车-轨-桥耦合系统中采用新建模型模拟扣件,基于功率流法系统地分析与评价扣件温频变动态力学性能对车轨桥耦合系统振动能量分布与传递的影响.结果 表明:考虑扣件动参数频变会使中高频段内的轨道结构振动能量增大,对低频段的轨道...