高速铁路轨道运维拨道技术研究

为探讨优化高速铁路拨道换板合理作业参数以进一步提升轨道板更换效率,以既有运营线拨道换板整修为研究对象,结合线上无砟轨道换板作业实际测试,建立了考虑钢轨、扣件、轨道关键部件的线路拨道有限元模型,研究了垫轨、拨轨状态下工装布置间距、扣件松开长度、温差等对拨道作业的影响,为更换不同类型、不同块数伤损轨道板提供数据支持与指导。研究结果表明:进行钢轨横向拨道作业前,需首先分析各垫轨、拨道工装以及轨距拉杆的相对布置间距,确定合理的工装布置方式。拨道作业时,扣件最大上拔力位于未松开的第1组扣件处,上拔力受工装抬轨高度及松开扣件长度的共同影响,与温度不相关,当扣件压力限值取18 kN时,在750 mm的钢轨横向拨道量条件下,线路总长度至少达到80 m即可保证扣件不发生上窜现象。钢轨的最大米塞斯应力位于轨距拉杆处轨底内侧,应力沿着从扣件松开处向拨道中心的方向减小,与钢轨材料弹性柔度成正相关。横向最大拉应力始终位于拨道横移加载处,应力状态均与扣件松开长度近似呈反比例函数关系,且满足钢轨允许最大拉应力限值要求。当施工轨温低于锁定轨温时为钢轨最不利受力情况,为了保证可一次性更换2块轨道板长度,建议最小线路总长度取120 m(扣件松开长度100 m)。研究结果可为进一步优化高速铁路轨道运维技术和保障高铁安全运营提供参考。

400 km/h高速铁路小半径曲线地段橡胶浮置板轨道参数优化研究

为了研究400 km/h高速铁路列车经过小半径曲线地段时的动力响应特性,建立小半径曲线地段CRH380B车辆-轨道动力学模型,结合列车实测数据验证模型的准确性,随后模拟列车以400 km/h速度通过7000 m半径曲线路段的动力响应。结果表明:(1)相较于非减振轨道地段,当橡胶浮置板轨道的减振垫铺设刚度为0.019 N/mm^(3)、0.033 N/mm^(3)、0.042 N/mm^(3)、0.1 N/mm^(3)时,轨道减振效果分别为13.4 dB、13.4 dB、12.5 dB、8.6 dB;(2)道床板厚度、减振垫刚度的建议取值分别为300 mm、0.03 N/mm^(3)。研究成果可为400 km/h高速铁路橡胶浮置板轨道结构设计提供理论依据。

公路隧道内主动降噪声源布置位置仿真模拟

基于声波干涉原理对高速公路隧道内噪声的主动降噪特性进行了理论分析,采用有限元法建立了3条隧道全尺寸断面模型,计算得出隧道内声压级分布,分析了主动降噪时的隧道内声场特性.考虑噪声声源频率的差异,噪声频率越低,隧道内主动降噪效果越好;考虑主动降噪设备位置的不同,将主动声源与噪声源、降噪点的空间距离加和,再与噪声源与降噪点的空间距离作比较,若两者差值为噪声波长的整数倍,则可在降噪点附近实现3dB以上区域降噪.

纵断面线路参数对直线电机列车的动力影响

研究目的:为了确定纵断面线路参数取值对LIM列车运行舒适性和安全性的影响规律,基于首都机场线LIM地铁系统参数建立列车-线路三维耦合动力学模型,分析在纵断面线路参数和车速影响下,LIM地铁系统动力响应特性,拟合得到车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率与竖曲线类型、竖曲线半径、列车行驶速度之间的关系公式。研究结论:(1)凹形竖曲线会增大列车垂向加速度和轮轨垂向力,减小轮重减载率;(2)凸形竖曲线会减小列车垂向加速度和轮轨垂向力,增大轮重减载率;(3)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与曲线半径的倒数相关;(4)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与车速的平方相关;(5)本研究成果可为LIM地铁系统纵断面线路参数优化提供理论依据。

轨道不平顺对直线电机轮轨系统动力特性影响

研究目的:基于车辆-轨道耦合动力学理论建立直线电机轮轨系统仿真模型,以多种不平顺为激励源进行动力学计算,分析竖错、扣件松脱两种确定性不平顺对直线电机轮轨交通系统动力特征的影响。结合实际的轨道不平顺管理形式,探讨谐波形式的水平、扭曲以及复合不平顺对车辆运行品质的影响提供理论依据。研究结论:(1)建议在轨道不平顺管理中采用10 m弦方法,重点控制10 m左右波长的不平顺;(2)重点检查板边及板中扣件位置处的钢轨状态;(3)重点保证板端的强度满足要求;(4)严格控制轨道板的下沉量;(5)重点控制直线电机受激扰侧的尾端气隙;(6)车体垂向振动及气隙变化对扭曲不平顺最为敏感,而复合不平顺的存在对车体的横向加速度、脱轨系数及轮重减载率指标更为不利;(7)该研究结论可用于指导线路轨道结构的养护维修工作。

城市轨道交通制式分类及适用性

多制式轨道交通协同发展已成为城市轨道交通系统发展的大趋势。在介绍既有制式分类和各种制式城市轨道交通的基础上,从概念、特征、优缺点、适用性等方面对不同城市轨道交通制式进行对比,明确我国目前轨道交通是以地铁为主的多样性发展结构,指出在制式选择过程中存在制式分类标准不统一、选择过程考虑不周等问题。建议对制式进行准确分类,完善不同制式技术标准,基于城市发展,合理、科学地选择轨道交通制式,实现多制式轨道交通优势互补、互联互通、协调发展。

曲线地段直线电机轮轨列车动力学响应

为研究直线电机轮轨列车行驶于曲线段线路上时,铁路线路条件对列车动力响应的影响规律,以便为修改线路设计规范提供理论依据.建立直线电机轮轨交通列车线路动力学模型,模型中直线电机所受垂向电磁力大小随列车牵引速度和电机气隙的变化而时刻改变.仿真模拟并分析垂向电磁力、车速、曲线半径、超高、轨道不平顺对系统动力响应的影响.结果表明:轨道垂向不平顺和高车速对气隙影响显著;列车通过小半径曲线段时,垂向电磁力对脱轨系数和轮重减载率的消减作用显著;脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、车体横向加速度、车体横向位移这5类动力响应的最大值,同时受车速、曲线半径、超高影响显著.基于5类动力响应最大值的拟合公式,可对车速、曲线半径、超高取值范围进行合理匹配,并确定曲线地段的合理车辆限界.

主动降噪设备对地铁站台轮轨噪声的降噪特性研究

针对地铁低频轮轨噪声,在已设置了屏蔽门的地下车站中增设主动降噪设备,从而减小站台区域的噪声等效声级.构建了地下车站站台层声学有限元模型,通过在北京6号线平安里站站台层进行多测点同步噪声采集,获得了噪声源和站台测点处的噪声信息,据此设置有限元模型中的噪声源并进行模型验证.在隧道内且与钢轨顶面等高的位置增设沿线路纵向等间距分布的主动声源纵列,纵向间距为0.5 m.研究主动声源位置、频率的最优取值,研究结果表明:最优主动降噪频段为150~340 Hz;线路中线沿水平方向同主动声源最优位置的距离近似等于轮轨噪声波长;对于垂向距站台面小于1.75 m的受声点位置,增设主动降噪设备后等效声级普遍降低3~9 dB.

有源声屏障对地铁轮轨噪声的消减性能

为降低轮轨噪声对地面沿线的危害,在临近地铁线路的位置布设有源声屏障,使噪声的低频段和高频段可分别被有源消声系统和声屏障显著消减,为了科学指导有源声屏障的设计,研究由次级源参数变化所导致的声场变化规律。基于边界元理论,建立考虑了列车、声屏障、轨道的半自由场模型,将计算结果同北京地铁13号线实测信息进行对比验证,进而在模型中增设沿轨道纵向等间距排列的次级源,经仿真分析确定次级源最合理位置、消声频段、消声区界线、消声量;构建关于次级声和噪声干涉相消的数学模型,通过理论推导验证了仿真结论的合理性。研究结果表明:次级源最合理位置与轨道对称轴间隔一个声波长度、和声源等高、具有短于半个声波长度的纵向间隔;次级声对150~320 Hz轮轨噪声消减显著,消声区面积与频率呈正相关;在列车左右两侧对称布设次级源纵列的消声效果优于在列车一侧布设的效果;在声屏障的基础上布置次级源纵列,能令声影区内总声压级普遍降低3~12 dB,且令声影区外的放大值基本不超过3 dB,并且确保列车内声场变化不大。

高速铁路运营期沉降后拟合调整纵断面曲线参数

为了确保拟合调整曲线更接近实际不均匀沉降曲线,减小扣件调整量,并避免线路的曲率突变,可在纵坡与竖圆曲线之间设置竖缓和曲线。本文基于高阶连续性数学理论提出了三次抛物线和五次抛物线两种高速铁路纵断面竖缓和曲线类型,分析了两类竖缓和曲线的数学特性和动力学特性,提出了列车运行工况、线路参数、舒适度指标之间的关系式。结果表明:竖曲线半径越小,竖缓和曲线越长,则两类竖缓和曲线的竖向差值越大;在已知列车最高行驶速度和最大牵引加速度的情况下,可确定最小竖曲线半径和最小竖缓和曲线长;列车最高行驶速度和最大牵引加速度越大,加速度时变率限值和竖曲线半径越小,则最小竖缓和曲线长度越大,车速350 km/h条件下的三次抛物线和五次抛物线最小长度分别为106、130 m。

高速列车交会振动对邻近建筑内精密仪器的影响及减振措施研究

随着城际铁路的大力建设,铁路沿线特别是一些放置精密仪器的建筑因振动环境恶化,内部仪器受到反复振动的影响,且当列车高速会车时,引起的振动更为剧烈。本文对邻近线路建筑物内的精密仪器进行数值仿真分析,建立了高速列车会车的耦合模型,提出一种振动叠加的预测方法。对既有振动数据进行采集,用于模型验证。在此基础上,对精密仪器的振动进行评估并提出相应的减振措施。结果表明,既有振动主频在10~20 Hz,在该频段存在振动超限风险;列车高速会车会导致精密仪器无法正常工作。加装减振垫可以有效缓解列车引起的高频振动(40~80 Hz)影响。列车振动与既有振动叠加后,高层振动以10~20 Hz为主,建议在精密仪器处采取减振措施。

时速400 km高铁最小曲线半径地段列车动力学性能研究

为了研究时速400 km高铁列车经过最小曲线半径地段时的动力响应特性,建立曲线地段CRH380B列车-轨道耦合动力学模型,从时域、频域对比仿真数据与综合检测列车实测数据,验证仿真模型的正确性。模拟列车以400 km/h速度通过7000 m半径曲线路段下的各种轨道不平顺工况,以各动力响应峰值为控制指标,并结合相干性分析,得出长波高低与轨向不平顺最大敏感波长分别为150 m和200 m。曲线地段的车体垂向加速度峰值、车体横向加速度峰值、脱轨系数峰值、轮重减载率峰值、轮轴横向力峰值分别是直线地段的1.21倍、7.58倍、4.8倍、1.17倍、3.25倍,表明线路条件改变对车体垂向加速度、轮重减载率的影响较小,对车体横向加速度、脱轨系数、轮轴横向力的影响显著。研究结论可为运营期的行车舒适性和安全性评价、轨道平顺性评价提供理论依据。

时速600 km高速磁浮新型轨道精调系统研究

研究目的:为了确保高速磁浮列车行驶在长大干线时具有良好的运行安全性及舒适性,轨道平顺性具有极为苛刻的要求,因此有必要将提供高平顺性的轨道结构和提供支承作用的桥梁相分离,以降低制造及施工难度。故需研究新型轨道结构形式,进而基于该磁浮轨道结构的特点来研发新型精调系统,从而为实现并保持轨道系统的高平顺性提供有效途径。研究结论:(1)提出的在叠合梁或箱形梁上铺设轨道板的新型高速磁浮轨道结构,只需确保轨道板的高精度加工制造及精调,从而避免对轨道梁的整体高精度要求;(2)构建了一套高速磁浮新型轨道结构精调系统,主要包含磁吸式精调棱镜、实现轨道板定位点同精调棱镜空间位置进行转换的精调软件、集轨道板三维精调和下压固定于一体的精调爪、精调爪同轨道板及承重梁之间的连接支撑装置,可解决实现高速磁浮精调工程化的关键问题;(3)本文对高速磁浮新型轨道精调技术的研究成果,可为高速磁浮工程建设及运维提供参考和借鉴。

梯形轨道-板式无砟轨道过渡段设置方案比选

梯形轨道和板式无砟轨道整体刚度差异较大,为实现线路刚度平顺过渡,需在两种轨道结构之间设置刚度过渡段。本文提出了四种不同长度和刚度的过渡段设置方案,通过建立车辆-轨道耦合动力学模型,对比分析四种过渡段设置方案对列车运行平稳性、安全性和轨道力学性能的影响。结果表明:设置过渡段后车体动力响应指标明显改善;设置过渡段时采用二级过渡比一级过渡更为合理;采用二级过渡段设置方案时,增加过渡段长度可改善车体动力响应指标,但过渡段长度大于36 m后对过渡效果的影响不明显;梯形轨道-板式无砟轨道过渡段建议采用二级过渡方案,过渡段长度取6块梯枕对应的36 m。

基于结构动力学的无砟轨道抗震设计参数研究

为了研究合理的轨道结构抗震设计参数,基于轨道结构动力学理论,建立考虑地震激励源的轨道动力学分析模型,计算地震激励引起的CRTSⅢ型板式无砟轨道结构动力响应,进而研究轨道结构参数变化对各动力响应变量的影响规律,得出以下结论:典型地震波的频率基本处在0~10 Hz范围内,轨道结构的三向自振频率均大于10 Hz;地震作用下的轨道位移可能会超过规范限值要求,可通过将复合轨道板和底座相连接的方式加强轨道结构抗震;当扣件刚度或底座板弹性模量递增时,轨道结构动力响应指标均随之递增,因此在确保轨道参数合理匹配的前提下,适当降低扣件刚度、底座弹性模量有利于结构抗震设计;当扣件刚度或底座板弹性模量改变时,轨道板横向位移、底座板纵向应力、钢轨横向加速度显著变化,检算时需重点关注。研究成果可为轨道结构抗震设计、抗震评估、抗震加固措施提供借鉴。

公路隧道内主动降噪声场研究

针对公路长大隧道内噪声声压级超过90dB,且目前多采用降噪路面或隧道壁喷涂吸声材料进行被动降噪的现状,基于声波干涉原理尝试对高速公路隧道进行主动降噪。为了确定公路隧道内主动降噪技术的适用条件、实现方法和降噪效果,采用理论推导和有限元仿真相结合的方法,构建了沥青混凝土路面公路隧道内主动降噪声场模型,在隧道尺寸和噪声源位置确定的情况下,模拟分析噪声源频率、主动声源位置等因素对隧道声场降噪效果的影响,并将模拟结果与现场实际隧道主动降噪试验结果进行对比。结果表明:确定了噪声源位置和降噪区域后,根据所提出的噪声源、主动声源和降噪位置的空间关系式,以及主动声源应位于隧道断面中轴线上、运输车辆限高要求等因素,可以确定使需降噪区域实现最佳降噪效果的主动声源摆放位置;噪声频率越低降噪效果越好,主动降噪技术对100Hz左右的沥青混凝土路面公路隧道噪声降噪效果显著;噪声频率为125Hz时,在隧道断面中轴线上沿纵向每隔3m布置一台主动声源,可在工人检查走行区域的人耳高度处实现横向宽1m、纵向长2m的区域降噪,该区域降噪幅度为3~8dB;研究成果可为高速公路隧道内的主动降噪提供参考。

气隙对直线电机地铁系统动力响应的影响

应用概率统计和频域分析理论,分析了广州地铁4号线列车行驶过程中直线电机与感应板间动态气隙的实测数据;建立了车辆-轨道垂横向耦合动力学模型,研究了受气隙影响的垂向电磁力对车体和轨道系统的动力影响,并与轨道随机不平顺对系统的动力影响进行了对比。研究结果表明:92.2%的气隙在9~12mm的标准范围内,且服从均值为10.5mm、标准差为1mm的正态分布;感应板上表面与钢轨顶面的高度差是峰值气隙的决定因素,通过气隙静态测量可确定线路的最不利气隙位置;气隙的频域成分以小于0.1m^(-1)的空间频率为主,并存在0.2m^(-1)的频率尖峰,即气隙存在约为5m的周期成分;垂向电磁力对车体加速度影响较小;垂向电磁力可使轨道结构产生上升位移,在同时存在轨道不平顺的情况下,钢轨最大位移可达0.8mm,轨道板最大位移可达1.0mm;轨道不平顺是轨道结构持续振动的主要诱因,垂向电磁力只会在开始作用于轨道结构的瞬间产生较大加速度,垂向电磁力引起的轨道结构最大加速度大于轨道不平顺引起的最大加速度,轨道不平顺和垂向电磁力的共同作用效果远大于单一因素的影响,钢轨加速度可达2 200m·s^(-2),轨道板加速度可达1 500m·s^(-2);垂向电磁力对轮轨垂向力的最大影响在9kN以内;可采用动态和静态检测相结合的方法测量气隙,先应用列车上的动态检测设备测量出线路感应板超限点的大体位置,然后进行人工精确测量,维护后再次使用动态检测法进行气隙合格检验,实现快速、精确、有效维护线路感应板的目的,减小气隙对轨道结构垂向振动的影响。

高速铁路平竖重合段三维高阶连续曲线线形设计

针对平竖重合曲线段存在几何连续性衰减并引起列车运动状态突变的现象,以三维曲线的Frenet标架为基础,结合曲率、挠率建立三维车体运动状态模型,得到了曲率、挠率与车体加速度、急动度的关系,并通过该模型从三维角度分析了三维曲线的几何连续性等级对车体运动的影响;考虑几何连续性对曲率、挠率的要求,提出以曲线曲率、挠率变化最小为目标的线形选择方法,利用三维欧拉曲线创建平竖重合段高阶连续曲线。研究结果表明:传统平竖重合段曲线连接点处几何连续性存在衰减,仅为1阶几何连续,曲率、挠率对列车加速度和急动度起主导作用,几何连续性的衰减是竖向急动度突增的主要原因;二维设计曲线在起点处的竖向急动度为1.206～1.264m·s-3,超过乘客舒适性运动学阈值0.240m·s-3,难以实现二维线形的高阶几何连续;提出的曲线设计方法对连接点处的曲率和挠率都有明确定义,容易在连接点处实现高阶几何连续,且不存在几何连续性衰减,曲线的曲率、挠率变化最小,可有效降低线形参数变化给车体运动带来的不良影响;所建曲线的加速度与急动度在全程均连续且满足运动学阈值,实现了2阶几何连续,最大竖向急动度为0.149m·s-3,为阈值的62.0%,为二维设计的11.7%～12.3%,有效地改善了行车稳定性与乘客舒适性;所建曲线路径与二维设计相比变化小,在2%～3%坡度差时,水平、竖向坐标差分别为0.907～2.305、1.085～2.498m;所建曲线的设计参数同时也是车体运动状态的计算参数,从而可根据列车运行条件直接优化线路的设计。