城市轨道交通浮置板轨道纵向联板的动力效应分析

城市轨道交通浮置板轨道纵向联结处存在薄弱环节,轨道设计时对板与板纵向联结的动态效应考虑不足。通过引入等效密度及等效地基系数的方法对钢弹簧浮置板轨道系统板下基础进行合理的模型简化,建立了预制式和现浇式浮置板系统振动特性三维有限元分析模型,充分考虑了钢轨、剪力铰和板下基础对浮置板结构振动特性的影响,研究了浮置板轨道系统模态与谐响应特性,分析了浮置板纵向联结处的动力效应特性。结果表明:浮置板轨道在1~200 Hz低频段的模态振型变化主要表现为四种运动方式:刚体运动、弯曲、弯扭组合和扭转;对于预制板轨道系统,浮置板主导整个系统的振动特性表现的频段在系统模态分析和谐响应分析中表现出一致的规律;对于现浇板轨道系统,当频率为32.6~57.8 Hz时,浮置板对系统振动特性的主导作用弱化,表现为过渡频段;浮置板联板动力效应产生的低阶弯曲模态在预制板系统中表现为刚体运动模态;对于由Ns块板组成的浮置板系统,联板效应引起的单块板每阶弯曲模态频率附近的附加模态数为N_(s)/2-1。

基于结构振动响应的长型浮置板轨道隔振器失效检测方法

目前钢弹簧浮置板轨道的隔振器失效判别主要依赖于人工巡检或视觉成像系统,但此类方法效率低、检测滞后且成本高昂。本文提出了一种自动化的检测方法,该方法利用残差学习思想和卷积神经网络基本理论构建数据分类器,并通过列车动荷载作用下的结构动力响应对现役某常见的长型浮置板轨道进行隔振器失效的检测识别。首先,基于车-轨垂向耦合动力学建立考虑隔振器不同服役状态的地铁车辆-浮置板轨道垂向耦合动力学仿真分析模型,进而生成多种运营工况下的数据集,用于网络的训练和性能测试;其次,进一步研究了传感器布置方式对网络检测性能的影响,以决定适宜的传感器布置方案;最后,在实际地铁线路中开展试验,对所提出的方法进行了验证。结果表明:通过对传感器布置位置进行优化,深度残差网络模型的检测准确性显著提升;合理设置传感器的数量也可以提高本文方法的检测性能;此外,通过适当选取传感器布置方案,本文提出的基于深度残差网络的隔振器失效检测方法在仿真数据中实现了98.99%的准确度,并在试验数据中实现了96.33%的准确度。该方法具有较高的可行性和应用潜力,可为地铁浮置板隔振器智能运维提供参考,并有望在未来用于隔振器失效的自动化检测。

车辆载荷下钢弹簧浮置板轨道振动特性分析

建立车辆-钢弹簧浮置板轨道垂向耦合振动有限元模型,分析车载作用下的浮置板轨道和车辆垂向振动特性。结果表明,钢轨和车体垂向振动在浮置板1阶弯曲频率(10 Hz)、P2共振频率、部分阶次的轮对弯曲频率及车轮辐板模态频率处存在明显峰值,其中车体振动在车体浮沉频率(1 Hz左右)处也存在明显峰值。扣件刚度和阻尼的影响主要在轮对1阶弯曲频率以内的车辆-轨道系统耦合振动行为,扣件阻尼在高频处对轨道垂向振动也有较大影响。钢弹簧刚度和阻尼主要影响浮置板1阶弯曲频率附近的车辆和轨道响应,对车辆运行平稳性影响显著。车辆悬挂参数及车体和构架质量对轨道振动基本无影响,簧下质量通过P2共振以及系统约束下的轮对1阶弯曲和辐板对称伞形模态影响轨道振动。增大一系悬挂刚度和阻尼以及二系悬挂阻尼会增大中高频的车体垂向振动加速度,二系悬挂刚度主要影响车体浮沉频率附近的车体垂向振动。车体、构架和簧下质量对车体浮沉运动、浮置板1阶弯曲和P2共振处的车体振动加速度峰值有影响。

基于振幅放大机制的浮置板轨道低频轻质减振

为探讨在浮置板轨道低频振动控制中实现轻质减振和有效减振兼容的可行性,基于振幅放大机制,设计一种杠杆式动力吸振器(LT-DVA)。采用能量泛函变分法建立了配置有LT-DVA的钢弹簧浮置板轨道动力分析模型,以轨道结构的力传递率、位移导纳为评价指标,通过与普通动力吸振器(DVA)进行对比验证LT-DVA的有效性。在此基础上,利用多频控制的思路,在浮置板上引入多个杠杆式动力吸振器(LT-MDVA),以实现宽频控制、高衰减的效果。进一步考虑列车荷载的作用,分析验证动态轮轨力作用下LT-MDVA的低频隔振性能以及对轨道结构动力响应的影响。结果表明:由于振幅放大机制(振幅放大系数为α)的有益效果,LT-DVA的有效惯性质量、刚度、阻尼是同参数DVA的α^(2)倍,即工作能力是DVA的α^(2)倍;在LT-DVA的基础上,LT-MDVA能够有效拓宽振动衰减频段且提升振动衰减能力;相较于普通钢弹簧浮置板轨道,在动态轮轨力作用下,质量比仅为0.02的LT-MDVA不仅能够有效减小传递至下部基础的力(最大衰减约7.5dB),还能有效减小轨道结构的响应(钢轨和浮置板振动最大衰减约7.2dB和7.1dB),抑制浮置板轨道的振动放大现象,而同参数的MDVA几乎没有效果,证明了LT-MDVA能够在浮置板轨道低频振动控制中实现轻质减振和有效减振兼容。

钢弹簧浮置板轨道减振性能现场对比测试

为研究随机列车荷载作用下钢弹簧浮置板轨道(steel spring floating slab track,简称SSFST)上线运营后的减振效果,选取某地铁线路同一区间、同一曲线段内的普通无砟轨道及钢弹簧浮置板轨道典型测试断面,在同一天内开展了现场对比测试。研究结果表明:钢弹簧浮置板轨道减振效果的线上评估结果与列车、轨道的实际运营状态直接相关;在不同列车的随机激励作用下,Z振级相对插入损失(ΔVL_(Z,max))相差超过10 dB,且部分测试样本无法满足特殊减振的设计需求;为获得保守的评价结果,应选择轮、轨平顺状态良好的运营区段开展对比测试;通过合理的养护维修,使运营列车及轨道保持良好的运行状态,是减振轨道区段满足振动控制需求的关键。

随机轮轨动态激励对钢弹簧浮置板轨道减振性能影响分析

为分析随机轮轨不平顺对钢弹簧浮置板轨道减振性能影响,该文采用随机模拟的方法,研究了不同轨道不平顺状态下随机车轮不圆顺在浮置板轨道插入损失评估结果方面的随机特性,以及轨道不平顺发展对插入损失评价结果的影响。研究结果表明:不同轨道不平顺状态下,随机车轮不圆顺作用下隧道壁最大Z振级的插入损失离散超过10 dB,且随着轨道不平顺的发展,插入损失的样本均值和标准差均明显减小;分频插入损失统计结果显示,轨道不平顺的发展对频率低于6.3 Hz的插入损失影响更加显著,对于20 Hz以上频段的统计均值的影响并不明显。

惯性增强动力吸振器-浮置板轨道低频减振性能研究

浮置板轨道(floating slab track, FST)对低频车轨耦合振动具有放大作用,由此引起的低频环境振动难以解决。引入惯性增强动力吸振系统(inerter enhanced dynamic vibration absorber, IDVA),提出带有IDVA的FST,即FST-IDVA,以减小列车移动荷载下的低频振动影响。理论分析给出浮置板轨道结构等效单自由度系统;考虑轮轨激励随机性,应用H_(2)优化理论给出IDVA的设计参数理论解;开发一种Matlab-Ansys联合仿真技术,应用该技术计算8编组列车运行过程中的车轨耦合动力响应。对比无动力吸振器和普通动力吸振器,验证惯性增强动力吸振器对浮置板轨道低频振动的抑制性能。研究结果表明,移动车辆荷载作用下,应用惯性增强动力吸振器后,FST板在其基频处加速度响应、钢弹簧支反力、单块板传往基础的合力均得到有效减小。惯容器的动态质量效果使吸振器与FST之间的相对位移减小大于50%。该技术可在浮置板轨道有限空间内实现更好的低频减振性能。

城市地铁橡胶弹簧浮置板轨道动力特性研究

为研究城市地铁橡胶弹簧浮置板轨道结构的动力特性,建立橡胶弹簧浮置板轨道结构的三维有限元分析模型,对轨道系统进行了谐响应分析,探究了系统的振动传递情况;进一步结合车轨耦合理论,建立车辆-橡胶弹簧浮置板轨道耦合动力学模型,研究了橡胶弹簧浮置板轨道的动力特性.研究表明:相比于普通道床,橡胶弹簧浮置板道床在减缓振动方面表现出显著的优势,能有效降低由车辆运行所引起的振动,增强地铁轨道的运行稳定性,延长轨道结构的使用寿命,从而为提高城市地铁的整体性能和运营效率提供有力支持.

预制式浮置板轨道隔振器/剪力铰设计参数优化研究

为减小列车通过板缝时车轨振动响应、提升预制式浮置板轨道减振性能,以某地铁预制式浮置板轨道为例,采用ABAQUS有限元软件建立列车-预制式浮置板轨道-隧道刚柔耦合动力学模型,计算预制式浮置板总支撑刚度恒定的条件下隔振器纵向间距2.4/1.8/1.2 m、横向间距1.84/1.64/1.44/1.24 m、剪力铰数量为3/4/5、布置形式为中置式/侧置式/上置式时车辆、浮置板轨道、隧道壁源强振动响应。通过对比分析各工况浮置板板端位移及隧道壁源强振动响应,提出了预制式浮置板隔振器布置、剪力铰布置的优化建议。研究结果表明:在预制式浮置板总支撑刚度恒定的情况下,适当增加隔振器的数量,可以降低浮置板板端位移,提高行车平稳性,同时不显著增加隧道壁源强振动。在1.24~1.84 m范围内,随着隔振器横向间距的增加,浮置板板端位移、隧道壁源强振动出现了先减少后增加的变化趋势,隔振器横向间距应存在一个最优值。随着预制式浮置板剪力铰数量的增加,浮置板板端位移和隧道壁源强振动均逐渐降低,但降低幅度亦有所下降,剪力铰对板端位移、源强振动的抑制作用应存在一个上限。在预制式浮置板轨道剪力铰数量不变的情况下,布置形式为上置式和侧置式时板端位移要小于中置式。研究成果为进一步优化预制式浮置板轨道的设计参数提供了参考依据。

移动轮轨力作用下浮置板轨道柔度系数研究

轨道柔度系数矩阵建立了移动轮轨力与轮轨接触点处钢轨位移响应之间的关系,是解析模型中对车辆系统和轨道系统进行耦合的关键和难点。本文在已有三维离散支承浮置板轨道频域解析模型基础上,提出了移动轮轨力作用下浮置板轨道柔度系数的求解方法。利用固定坐标系和移动坐标系间的关系,将浮置板轨道柔度系数的求解转化为对移动谐振荷载作用下钢轨固定点频域位移响应的积分的计算,为三维列车-浮置板轨道耦合解析模型的建立奠定基础,并量化了二维模型和三维模型的计算结果差异。自编程序对浮置板轨道柔度系数进行计算,结果表明:同一转向架内,前轴左侧轮轨力对前轴右侧轮轨接触点处的轨道柔度系数与该力对后轴左侧轮轨接触点处的轨道柔度系数大小相近,二维模型忽略了此影响;二维计算模型无法准确反映板在全部模态频率处的振动响应,进而影响轨道柔度系数的计算准确性;对浮置板轨道动力特性进行精细化分析时,宜使用三维模型。

考虑剪力铰与钢弹簧变刚度下浮置板轨道减振特性研究

针对浮置板轨道中浮置板端部位移偏大的问题,研究剪力铰设置与钢弹簧变刚度两种方式对浮置轨道位移的改善效果。将剪力铰简化为剪切弹簧阻尼单元,根据浮置板挠度分布及钢弹簧间距调整浮置板下钢弹簧刚度,基于振型叠加法和龙格-库塔法数值计算研究不同剪力铰刚度与钢弹簧刚度下浮置板轨道的减振特性。研究表明,设置剪力铰可以有效减少浮置板端部的位移差,但主要对端部3 m左右范围内的浮置板位移改善较为有效,剪力铰刚度并非越大越好,刚度取值应使浮置板和钢轨的位移波动幅度尽可能小。在钢弹簧总刚度不变的前提下,根据浮置板挠度分布调节钢弹簧刚度对浮置板位移和端部位移差的改善效果不大,但可以有效减少钢轨位移及其波动幅度,且长型浮置板轨道下的减振效果更好。适当扩大钢弹簧间距从而增大弹簧刚度可以改善浮置板轨道的位移响应,但间距过大时浮置板位移会出现剧烈波动。研究可为浮置板轨道的减振设计提供一定参考。

浮置板轨道周期结构弹性波传播特性及异常多普勒效应

浮置板轨道因其良好的减振性能被广泛应用于城市轨道交通中。为研究浮置板结构的弹性波传播模式,本文基于广义平面波展开法,对其特征方程进行程序求解,得到了无限周期结构的复频散曲线。发现在0至300 Hz范围内存在八个带隙,并提出了相应的理论分析。力锤激励试验也验证了带隙对弹性波的阻碍作用。根据波模式特性,发现双周期轨道结构的带隙形成机制与单周期轨道结构不同,即在双周期情况下,局部布拉格散射或局部共振无法阻止耦合弹性波的传播。频率-波数域的计算结果表明,异常多普勒效应发生在带隙范围,而常规多普勒效应发生在通带范围。

轮轨激励对橡胶垫浮置板轨道减振效果的影响

以某一组临近的普通整体道床和橡胶垫浮置板轨道为研究对象,对比测试振源加速度,同步调研上线运营列车的净运营里程,并开展车轮不圆顺测试,分析不同轮轨不平顺状态下橡胶垫浮置板轨道的减振效果。结果表明:在评价减振轨道的振动控制能力时,除了针对插入损失(或对比损失)开展客观评价外,也需要分析随着轮轨动态激励的增强是否会导致减振轨道段振动响应超过振动限值的问题;测试线路列车车轮呈现明显的7—9阶多边形磨耗特征,且随着轮轨激励的增强,Z振级相对插入损失的评价结果逐渐增大;橡胶垫浮置板轨道分频减振能力的评价结果与不同频段的激振原理直接相关,轨道扣件系统的自振频率(63 Hz)处轮轨动态激励的增加导致普通轨道的隧道壁振动响应增幅更大,该中心频率处的对比损失随着净运营里程的增加而变大。

浮置板轨道对市域铁路桥梁段低频噪声影响研究

浮置板轨道是一种减振型轨道结构,其通过隔振装置能有效降低轨道和桥梁之间的力传递率,从而保证较优的减振效果,因此在大量的工程实践中将浮置板轨道作为降低桥梁噪声的重要措施。但是浮置板轨道自身也是一个重要的低频噪声源,在以往的研究中考虑桥梁噪声时很少考虑轨道板自身的声辐射。基于此,以市域列车-浮置板轨道结构为研究对象,采用有限元-边界元法对市域铁路桥梁噪声与浮置板噪声进行分析。得到以下结论:若不考虑浮置板轨道自身噪声时,浮置板轨道结构能有效降低市域列车桥梁段的低频噪声15dB;考虑浮置板轨道自身噪声时,浮置板轨道结构的降噪效果并不显著,表明在车外低频噪声分析中,轨道板自身声辐射不应该被忽略。

时速120km地铁钢弹簧浮置板轨道曲线段减振效果测试分析

为掌握高速行车条件下钢弹簧浮置板轨道在曲线段的减振效果,开展时速120km地铁曲线段轨道振动现场测试,研究在不同曲线半径条件下普通轨道与钢弹簧浮置板轨道的振动特性,分析钢弹簧浮置板轨道减振效果变化规律。结果表明:与2000m大曲线半径线路相比,地铁列车通过750m小曲线半径线路时,普通轨道的隧道壁垂向振动最大Z振级平均值增大9.1dB,钢弹簧浮置板轨道的隧道壁垂向振动最大Z振级平均值增大11.71dB;在750m小曲线半径线路条件下,钢弹簧浮置板轨道减振效果为5.69dB;在2000m大曲线半径线路条件下,钢弹簧浮置板轨道减振效果为8.30dB;钢弹簧浮置板轨道在大曲线半径线路条件下减振频率范围更宽、减振效果更好。

钢弹簧浮置板轨道减振效果现场与实验室测评研究

为研究分析钢弹簧浮置板轨道减振特性,现场对比测试隧道壁和基础位置的振动特性和减振效果,通过电磁式激振器施加冲击激励对实验室基础位置插入损失进行测评研究,并结合现场测试规律进一步估算出隧道壁位置减振效果。研究表明:振动从基础传至隧道壁后大幅衰减,普通整体道床轨道最大Z振级衰减11.2 dB,钢弹簧浮置板轨道最大Z振级衰减20.0 dB;测点位置和车次对钢弹簧浮置板轨道减振效果评价具有较大影响;实验室测评钢弹簧浮置板轨道在6.3 Hz~12.5 Hz不具有减振效果,在16 Hz以上频段减振效果较好;基础位置的减振效果为7.5 dB,估算隧道壁位置Z振级插入损失为16 dB左右。

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。

钢弹簧浮置板轨道参数研究

针对钢弹簧浮置板轨道参数变化对其动力特性的影响,选取道床板长度、道床板厚度、弹簧刚度、支承间距、扣件刚度5个参数及其不同水平值,进行正交试验,并建立相应的三维有限元模型。采用模态分析方法对钢弹簧浮置板轨道进行动力特性研究,获得了轨道的固有频率和振型,分析其传导比特性。分析结果表明:影响钢弹簧浮置板轨道低阶固有频率的主要参数是支承间距、道床板厚度和弹簧刚度,而影响高阶固有频率的主要参数是道床板长度;无论参数如何改变,钢弹簧浮置板轨道主要以道床板的振动为主;传导比最大峰值出现在基频附近,且随着道床板长度的增加而增大。

浮置板轨道的模态分析

为了研究低频振动对地铁线路附近精密仪器的影响，设计一种新型参数的浮置板轨道。应用MIDAS／GTS软件，对浮置板轨道进行三维的模态分析，得到6种不同分析工况下轨道的固有频率、振型和振型参与质量，并进一步研究浮置板轨道的传导比。结果表明：①设计的浮置板轨道基本频率为5．7～8．2Hz，弹簧刚度不变、支承间距增大，或者支承间距不变、减小弹簧刚度，均可以降低浮置板轨道的基本频率；②浮置板轨道的振型以道床板振动为主，同一支承间距下，弹簧刚度不同，浮置板轨道振型相似；同种弹簧刚度下，支承间距不同，振型在低阶部分差别较大，在高阶部分相似；③浮置板轨道的基本频率越低，浮置板轨道的传导比峰值就越小。

钢弹簧浮置板轨道低频特征试验研究

利用北京交通大学轨道减振与振动控制试验室开展钢弹簧浮置板轨道低频特征测试,研究钢弹簧浮置板轨道弹簧刚度和支承间距等参数变化对低频振动的影响,并比较钢弹簧浮置板轨道和普通轨道的低频减振效果。试验结果表明:①弹簧总刚度越大(支承间距不变且弹簧刚度越大,或弹簧刚度不变且支承间距越小),浮置板轨道基频越大,轨道板到基底竖向加速度级传递损失越小,轨道板到隧道内的竖向传递函数值越大;②钢弹簧浮置板轨道基频越小,在其工作频段,减振效果越好;但在基频附近,振动放大现象越明显。相对于普通轨道,钢弹簧浮置板轨道明显降低了10Hz以上频段的振动响应,最大减振量为25dB;同时基频处的振动放大量为25dB;③对于轨道板到隧道内的竖向传递函数,普通轨道的值比钢弹簧浮置板轨道的值大,前者在0.012～0.028之间,后者在0～0.01范围内。