地铁列车-嵌入式轨道系统动力学性能II：轨道参数对动力学性能影响

嵌入式轨道在地铁减振降噪方面具有广阔的应用前景，但仍然需要保证嵌入式轨道具备较好的动力学性能，因此开展其结构和材料参数对地铁列车-嵌入式轨道系统的动力学性能影响研究具有重要意义。基于建立的地铁列车-嵌入式轨道系统的动力学模型，分析承轨槽内填充材料特性、轨道板几何尺寸、轨道板下支承材料特性对系统动力学性能的影响，确定基于动力学性能的轨道参数优选范围。结果表明：填充材料垂向刚度的合理取值范围是每米80~110 kN/mm，填充材料横向刚度的合理取值范围是每米30~50 kN/mm，轨道板下支承刚度的合理取值范围是每平方米1~5 MN/mm。还分析了轨道板几何尺寸的合理取值范围。研究成果为地铁嵌入式轨道设计和参数选取提供了依据，从动力学角度为嵌入式轨道在地铁中应用提供了理论支撑。     

地铁列车-嵌入式轨道系统动力学性能研究Ⅲ:嵌入式轨道与普通轨道动态响应对比分析

嵌入式轨道在地铁中应用具有减振降噪、抑制波磨等优势,目前对嵌入式轨道的动力学性能有一定的认知,然而嵌入式轨道和普通轨道系统在动力学性能上的量化差异有待进一步探明。基于首次在我国某地铁铺设的嵌入式连续支承无砟轨道试验线,在相同条件下开展地铁列车-嵌入式轨道系统和地铁列车-普通轨道系统关键位置动态振动特性测试,对比分析列车通过嵌入式轨道和普通轨道的轨道固有振动特性差异、运行稳定性和平稳性差异、钢轨和车辆关键位置的振动特性差异,评价嵌入式轨道在地铁中的实际应用效果。研究成果为地铁嵌入式轨道的实际运用提供了依据和参考。     

弹性车轮对地铁直线段轨道减振特性研究

为了评估弹性车轮在地铁直线电机线路的减振效果,结合试验与仿真分别对直线段正常工况与极端工况下弹性车轮减振特性进行研究。现场试验获取了直线段正常工况下轨道和隧道壁的振动水平,试验结果表明,弹性车轮对正常工况下的直线轨道系统的振动有一定的抑制作用,减振量可达2~3dB,同时对车轮多边形冲击振动有明显的减振效果。为了进一步探究对轨道存在钢轨波浪形磨耗或钢轨焊接接头几何缺陷的极端工况下弹性车轮的减振效果,建立车辆-轨道耦合动力学模型,将弹性轮对解耦为轮芯、左轮辋和右轮辋,采用6个自由度建模,轮芯与轮辋间通过弹性橡胶层耦合连接。模拟弹性车轮通过有波磨和焊接接头的钢轨时的振动特性,其数值仿真结果表明,在极端工况下,弹性车轮减振效果可达4~7dB,弹性车轮减振效果随着车辆速度的增加更加显著。     

基于Timoshenko梁模型的车辆-轨道耦合系统垂向随机振动分析

将钢轨视为无限长Timoshenko梁,由两层弹簧阻尼系统连续支撑,在频域建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型。提出采用格林函数法求解钢轨运动偏微分方程,可在较宽频域内得到轨道动力响应避免模态截断频率限制,结合车辆方程求解点导纳及传递导纳,运用虚拟激励法将真实轨道谱激励作为系统输入,求解车辆-轨道系统随机振动响应,并将该弹性轨道与传统刚性轨道、简化弹簧轨道模型结果进行对比。研究结果表明,采用格林函数法求解无限长Timoshenko梁弹性轨道模型可快速实现全频域计算,得到轨道系统频率响应特性。利用虚拟激励法及叠加法,可得到轮轨多点接触工况下的车辆与轨道结构随机振动响应。采用刚性轨道结构模型会导致过高估计车辆结构在高频的振动,整个耦合系统振动响应均对速度较敏感。考虑轨道弹性影响的弹性轨道模型更符合实际,采用格林函数法求解轨道模型较为快速精确。     

地铁线路先锋扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响

基于轮轨摩擦自激振动诱发钢轨波磨的观点,研究地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响。根据现场调研建立车辆-轨道的多体动力学模型,验证列车通过地铁线路先锋扣件支撑小半径曲线轨道时轮轨间的蠕滑力饱和情况;基于动力学模型建立相应的导向轮对-钢轨有限元模型,利用复特征值法分析轮轨系统的摩擦自激振动特性。预测得到的轮轨系统不稳定振动频率与诱导钢轨波磨的振动频率相符,验证了建立的导向轮对-钢轨有限元模型的正确性。利用控制变量法研究扣件结构参数对轮轨系统摩擦自激振动的影响规律,发现轮轨摩擦自激振动发生的可能性随着扣件垂向刚度的增大而轻微增加,随着垂向阻尼的增大而明显降低;随着扣件横向刚度和横向阻尼的增大,轮轨摩擦自激振动发生的可能性降低。因此,增大先锋扣件垂向阻尼、横向刚度和横向阻尼,有助于抑制地铁线路先锋扣件支撑曲线轨道的波磨。     

地铁浮置板轨道结构隔振研究进展

从地铁轮轨之间的相互作用分析了激振源以及激振力表达模型和施加方式,在阐述浮置板轨道隔振原理、分析橡胶支承浮置板和钢弹簧支承浮置板基本结构的基础上,剖析了基于集总参数模型、连续弹性支承模型、连续弹性点支承模型的浮置板轨道隔振系统动力学建模方法。从动力学性能、模态分析、隔振性能3个方面阐明了浮置板轨道的动态响应性能。针对浮置板轨道隔振存在的主要问题,指出基于可调刚度、阻尼的隔振器参数优化与(半)主动隔振控制技术是其发展的方向。     

柔性支承可倾瓦滑动轴承油膜动力减振特性分析

将传统可倾瓦的机械刚性支点改进为液压支撑,提出一种主动减振可倾瓦轴承——柔性支承可倾瓦轴承。基于有限差分法提出一种新的轴颈中心平衡位置迭代计算方法,通过MatLab编程计算轴承平衡状态的动态特性参数;建立柔性支承可倾瓦轴承内外部油膜等效质量弹簧阻尼系统动力学模型,并对柔性支承可倾瓦轴承-转子系统的稳态及瞬态响应等减振特性进行仿真分析。研究结果表明:双层油膜轴承综合支承刚度小于单层油膜轴承支承刚度,综合支承阻尼在一定条件下会大于单层油膜系统支承阻尼;相比单层油膜轴承,柔性支承可倾瓦在满足一定条件下具有良好的减振特性。     

泡沫铝齿轮阻尼塞减振降噪性能研究

一方面分析了泡沫铝阻尼塞的减振降噪机理,建立了泡沫铝阻尼塞的减振降噪特性理论模型,并根据模型和泡沫铝材料特点对泡沫铝阻尼塞的减振降噪机理进行了理论分析;另一方面,利用自制的实验设备对泡沫铝阻尼塞的减振降噪特性进行了试验研究。理论分析和试验研究结果均表明:泡沫铝齿轮阻尼塞的减振降噪效果明显优于传统中常用的铸铁阻尼塞。     

颗粒阻尼用于鼓式制动器减振降噪

分析了颗粒阻尼用于鼓式制动器减振降噪的可行性,并对其阻尼特性进行了试验研究.建立某鼓式制动器的有限元模型,在考虑摩擦衬片和制动鼓之间摩擦接触的情况下,计算了当制动鼓周缘具有填装颗粒的孔洞时在制动工况下制动鼓的应力状况.向制动鼓周缘的孔洞填充不同材料、不同填充比的颗粒,通过试验获得静态下制动鼓模态阻尼比随颗粒参数的变化情况.结果表明,颗粒阻尼器可有效提高制动鼓的模态阻尼比,具有良好的减振降噪效果.     

附加非线性阻尼夹层的间隙弹性机构减振分析

为了实现含间隙弹性机构低成本的振动控制,提出了部分附加约束阻尼合金夹层的方法.采用符合接触边界条件的非线性弹簧阻尼模型描述碰撞分离过程,建立了多间隙连杆机构的刚体动力学模型;用曲线拟合描述阻尼合金的损耗因子随应变变化的规律,在考虑剪切的基础上给出了依赖于应变和频率非线性阻尼本构关系式;在计入阻尼层非线性阻尼特性和普通材料结构阻尼特性的2节点10自由度的夹层单元模型的基础上,建立了部分附加阻尼合金夹层的系统运动弹性动力学方程.计算结果说明了所提方法对控制含间隙弹性机构的振动是有效的.     

Characteristics of Vibration and Sound Radiation of Metro Resilient Wheel

Resilient wheels are extensively used in urban rail transit, especially for tramway systems, owing to its advantages in noise reduction. A new type of resilient wheel for a metro is designed, and its characteristics of vibration and sound radiation, including the rolling noise of a resilient single wheel coupled with a track, are studied in this paper. A two-step research is presented. Firstly, laboratory experiments were conducted to obtain the vibration response of the designed resilient wheel under the radial excitation on its tread. Secondly, the rolling noise model of the resilient wheel coupled with a slab track used in a metro line is developed. The wheel model is based on the 3 D finite elementand boundary element methods and verified by using the experimental results obtained from the laboratory. The track vibration model is based on the wavenumber finite element method, and the track sound radiation is calculatedby using an e cient frequency-domain Rayleigh method. The interaction of the resilient wheel and the slab track is analyzed considering the measured wheel/rail roughness of the metro. The contribution of the resilient wheel to the reduction of wheel/rail system noise is analyzed. The results show that the resilient wheel can e ectively reduce the wheel/rail rolling noise by approximately 2 dB(A) to 3 dB(A), mainly because the radiated noise by the rail is reduced. In addition, the elastic modulus of the rubber has an important influence on the noise reduction of resilient wheels.     

地铁钢轨短波长波磨形成原因分析

国内某地铁线路运营后曲线轨道出现了短波长钢轨波磨现象,通过力锤敲击法对不同扣件轨道动态特性进行了测试。利用ABAQUS建立了轮轨三维实体有限元模型,分析了轮轨耦合模态特性以及白噪声激励时轨道频响特性。结合试验和仿真结果,分析了轮轨结构动态特性与短波长钢轨波磨之间的相关性。研究结果表明：普通扣件和减振扣件轨道钢轨波磨主波长分别为30~63 mm和40~50 mm;白噪声激励下,两种轨道分别在450~920 Hz和570~720 Hz范围内的敏感共振频率与列车通过钢轨波磨频率(454~954 Hz和572~715 Hz)相吻合;线路轨道短波长波磨的产生主要与轨道结构高频固有特性相关,轨道短波长波磨通过频率与轮轨耦合模态频率相近,其模态振型表现为轮对弯曲扭转的同时,伴随钢轨相对轨道板的垂向弯曲振动,轮轨耦合高频模态特征加剧短波长波磨的发展。     

地铁运行时轨道-隧道-地层振动实测与分析

以上海地铁9号线某曲线段隧道为背景,通过在隧道内部、周围土层和地表布置加速度度传感器,对地铁运行引起的轨道-隧道-地层整个空间内的振动进行了现场测试。通过统计各测点的加速度平均峰值、加速度振级以及振动主频,分析了地铁振动在整个空间内的传播规律。实测结果表明:隧道内部及近处地层以垂向振动为主,但曲线段的地表水平振动可大于竖向振动;地铁振动从钢轨传至隧道壁时会有大幅衰减,从隧道壁传递到地表正上方时,振级反而有所增大;地铁振动在传播过程中振动主频范围也在不断减少。整体振动测试有助于全面认识地铁振动传播规律,对地铁线路设计、轨道结构减振具有较好的指导意义。     

Investigation into the vibration of metro bogies induced by rail corrugation

The current research of rail corrugation mainly focuses on the mechanisms of its formation and development. Compared with the root causes and development mechanisms, the wheel–rail impacts, the fatigue failure of vehicle-track parts, and the loss of ride comfort due to rail corrugation should also be taken into account. However, the influences of rail corrugation on vehicle and track vibration, and failure of vehicle and track structural parts are barely discussed in the literature. This paper presents an experimental and numerical investigation of the structural vibration of metro bogies caused by rail corrugation. Extensive experiments are conducted to investigate the effects of short-pitch rail corrugation on the vibration accelerations of metro bogies. A dynamic model of a metro vehicle coupled with a concrete track is established to study the influence of rail corrugation on the structural vibration of metro bogies. The field test results indicate that the short-pitch rail corrugation generates strong vibrations on the axle-boxes and the bogie frames, therefore, accelerates the fatigue failure of the bogie components. The numerical results show that short-pitch rail corrugation may largely reduce the fatigue life of the coil spring, and improving the damping value of the primary vertical dampers is likely to reduce the strong vibration induced by short-pitch rail corrugation. This research systematically studies the effect of rail corrugation on the vibration of metro bogies and proposes some remedies for mitigating strong vibrations of metro bogies and reducing the incidence of failure in primary coil springs, which would be helpful in developing new metro bogies and track maintenance procedures.     

山地地铁小半径曲线路段车辆/轨道参数对钢轨波磨的影响

针对山地地铁小半径曲线轨道钢轨波磨频发问题,根据现场调研建立车辆-轨道系统的动力学模型,探究车辆通过小半径曲线时轮轨间的接触特性。根据动力学分析结果建立半车车体-转向架-轨道系统的有限元模型,采用复特征值分析法研究半车车体-转向架-轨道系统摩擦自激振动特性,并研究车辆悬挂参数和轨道扣件参数对整体系统摩擦自激振动的影响规律。采用神经网络结合遗传算法对影响整体系统摩擦自激振动的关键参数进行多参数拟合,并求得车辆/轨道结构关键参数的优化解。结果表明：小半径曲线路段轮轨间的饱和蠕滑力导致半车车体-转向架-轨道系统的摩擦自激振动,从而引起钢轨波磨;车辆结构参数中一系悬挂横向刚度以及轨道结构参数中扣件垂向刚度、扣件横向刚度、扣件垂向阻尼对整个系统的摩擦自激振动具有明显影响。设置一系悬挂横向刚度为5.34 MN/m,扣件垂向刚度为25.45 MN/m,扣件横向刚度为6.9 MN/m,扣件垂向阻尼为6.06 kN·s/m时,能够有效抑制山地地铁小半径曲线轨道上钢轨波磨的产生。     

嵌入式轨道与扣件轨道曲线啸叫噪声试验分析

嵌入式轨道是一种减振降噪型轨道,可以通过高分子材料的包裹增加轮轨系统阻尼。测试和分析100%低地板有轨电车通过嵌入式轨道和扣件式轨道小半径曲线时产生曲线啸叫噪声,测试曲线半径为50 m,试验速度范围5～15 km/h,测试结果表明,当有轨电车经过扣件式轨道时,导向轮对(第一位轮对)内侧车轮发出的啸叫噪声最为显著,其产生机理是轮轨间的横向蠕滑激励车轮960Hz频率处(0,2)轴向模态振动,从而产生强烈的单频振动并发出啸叫;与扣件式轨道相比,嵌入式轨道对曲线啸叫有一定的抑制效果;建立三维轮轨接触有限元模型,发现耦合模态阻尼受轨道结构阻尼影响较大,改变轨道结构的阻尼能有效的提高轮轨耦合模态阻尼,其中提高轨道结构参数中的横向阻尼是抑制曲线啸叫最有效的方式。     

高速轨道结构振动及传递特性

高速列车的快速发展使板式无砟轨道得以广泛应用。利用有限元分析软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立车辆-弹性轨道耦合动力学模型,分析车辆运行的安全性和平稳性,研究轨道系统的位移、加速度、加速度功率谱密度、载荷特性,以及不同速度对轨道系统的振动影响,并对系统振动的主要影响因素进行初步探究。结果表明,轨道结构的垂向振动位移、加速度及载荷在由上至下传递过程中呈递减趋势,且钢轨到轨道板的衰减幅度大于轨道板到底座;轨道系统的振动能量主要集中在0~150 Hz范围内,大于300 Hz的钢轨振动能量经扣件衰减后基本未被向下传递,且速度升高,功率谱密度峰值出现的位置向右移动;速度为300 km/h时,钢轨垂向加速度功率谱密度小于100 Hz的峰值频率主要与钢轨固有模态有关,大于100 Hz的峰值频率呈倍频关系,且与轨道系统固有属性相关。联合仿真提高了研究效率,揭示了车辆-轨道系统的垂向振动特性及传递规律,为工程应用提供了参考依据。     

基于车内噪声的轨道衰减率限值研究

轨道衰减率是反映钢轨动态特性的重要指标,决定了钢轨的有效声辐射长度,进一步影响轮轨噪声和车内噪声。我国地铁轨道结构型式较多,轨道衰减率也相应地并不统一,目前我国没有轨道衰减率的相关标准,现有的国际轨道衰减率标准并不能与我国车内噪声标准相对应,因此,研究轨道衰减率与车内噪声的内在关联,对基于噪声限值的轨道衰减率控制具有重要意义。首先建立轨道振动预测模型,基于现场测试对模型进行验证,并基于仿真预测分析扣件系统参数对衰减率的影响。根据有限元-边界元方法和轨道衰减率对轮轨噪声的贡献关系,建立基于轨道衰减率的轮轨噪声预测模型;根据线路试验研究,建立轮轨噪声和车内噪声的传递函数,从而采取仿真与试验联合的手段,以轮轨噪声为"桥梁",建立轨道衰减率和车内噪声的对应关系,根据车内噪声限值,量化分析基于车内噪声控制的轨道衰减率限值,确定较为优化的扣件系统参数。成果可为基于车内噪声的轨道衰减率控制,以及扣件系统参数优化设计提供参考。     

北京地铁剪切型减振器扣件钢轨波磨治理的试验研究

北京地铁近年来投入运营的几条线路中,剪切型减振器扣件区段大量出现钢轨波磨现象,经过大量的调查和测试分析发现：剪切型减振器扣件轨道系统在200～400 Hz频段内的轮轨共振效应是引发钢轨波磨的主要原因。为了抑制波磨发展,在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块,并在北京地铁10号线选择两个试验段进行了现场试验,对两个试验段的钢轨走形带粗糙度进行了为期6个月的跟踪测试。测试结果表明：在剪切型减振器扣件内增设橡胶垫块有效地控制了钢轨波磨的发展,并在一定程度上起到了消减钢轨波磨的作用。