基于声学黑洞波动控制技术的槽型轨动力吸振器减振降噪特性研究

轨道交通引起的环境振动噪声问题持续增加,即使目前具有多种控制效果良好的减振降噪措施,但仍有望做进一步的提升。在该研究中提出了一种新型的槽型轨道动力吸振器,将声学黑洞波动控制技术与动力吸振原理相结合。该吸振器设计的目标是保证主结构强度与刚度的前提下,采用附加的声学黑洞阻尼振子作为吸能单元,对主结构的振动能量进行传递、吸收与耗散。为了研究声学黑洞型动力吸振器对槽型轨道振动特性和声辐射特性的影响,利用仿真分析对不同类型的动力吸振器下槽型轨道的位移导纳和振动衰减率进行了评估;采用滚动噪声预测模型计算分析了声学黑洞型动力吸振器的降噪效果并探究了其参数对轮轨振动噪声的影响规律。结果表明:槽型轨在800~1000 Hz频段内的一阶pinned-pinned在未采取措施的情况下振动响应显著,振动衰减率仅为0.68 dB/m,在安装了声学黑洞型动力吸振器之后轨道结构的振动衰减率上升到1.80 dB/m,提高率可达265%。

城市轨道交通S型曲线夹直线与长直线地段振动对比试验研究

夹直线在一定程度上可以保证线型连续和行车平顺,但过短的夹直线长度会导致振动叠加,影响旅客舒适度和列车运行的稳定性,增加运营维护成本。本文通过对城市轨道交通S型曲线夹直线与长直线地段振动对比试验研究,从时域、时频域、振动加速度级及地面Z振级等方面对获得的数据进行分析,解释了夹直线段振动叠加的产生机理,验证了车体垂向加速度峰值在缓直点处会出现峰值提前现象,并阐述了夹直线段的振动叠加现象对地面环境振动的影响。结论如下:车辆在通过S型曲线线形变化点时产生的冲击振动会通过钢轨以弹性波的形式向前传播,与车辆在夹直线段行驶产生的振动叠加;由于弹性波的形式传播的速度远高于车辆行驶速度,因此会导致夹直线段出现振动加速度峰值提前现象;S型曲线夹直线的垂向振动加速度的优势频率要高于长直线段,且更向高频分散;S型曲线夹直线产生的振动叠加现象不会对地面环境振动产生影响。

基于组合赋权法和灰色聚类的轨道质量状态评价

轨道质量状态评价对列车的安全运行以及养护维修具有重要意义,基于博弈论的组合赋权法和灰色聚类构建轨道质量状态评估模型。该模型首先提出包含轨道几何状态和结构状态的综合评价指标体系;其次,利用博弈论在层次分析法、熵权法和变异系数法之间寻求决策最优解,得到各指标主客观权重以及组合权重;在此基础上,再利用灰色聚类根据最大隶属度原则对轨道质量状态进行评价;最后,通过实例分析对该评价模型进行验证并开展研究。研究结果表明,经模型计算的8个轨道单元评价结果中优良比例为75%,并与成都地铁检查的评价结果进行比较基本一致,而单独采用某一种权重方法受主客观影响较大,与实际结果有偏差,进而验证了该模型的指标体系和方法的科学性、合理性,并给出了进一步研究优化的方向。

无砟轨道减振垫层刚度-阻尼匹配设计分析

随着高速铁路路网的不断加密,线路不可避免穿越环境敏感区,由列车运行所引起的振动问题日益严重。目前常采用减振垫层进行振动控制,但其参数取值大多从单一角度考虑,缺乏协调设计,导致减振效果不佳。为探究减振垫层刚度与阻尼合理匹配设计值,在有限元中建立车辆-减振轨道-下部结构耦合模型,利用显示动力学分析不同减振垫参数组合值下轨道结构动力响应,通过规范限值剔除极端工况,利用加速度振级、传递损失、插入损失对不同参数组合值下的减振性能进行全方位、多角度分析。结论如下:(1)轨道各结构动力响应满足规范限值要求时,减振垫层刚度应不小于60 MPa/m,阻尼不小于0.1 MN·s/m^(3);(2)减振效果总体上与刚度呈负相关趋势,在减振垫层刚度-阻尼组合值分别为60 MPa/m、0.1 MN·s/m^(3)与100 MPa/m、0.1 MN·s/m^(3)时,底座板动力响应较小;(3)从传递损失角度出发,减振垫层可有效削弱轨道中、高频段振动能量,从插入损失角度出发,虽然垫层会放大某些低频振动,但对中、高频段减振效果较好,对比后取减振垫层刚度-阻尼组合值为100 MPa/m、0.1 MN·s/m^(3)。研究结果表明,对减振垫参数进行协调设计可最大发挥其减振性能。

既有高速铁路减振措施对曲线地段适应性研究

减振型无砟轨道在一定程度上可解决高速列车运行所引起的振动噪声问题。既有文献以直线轨道为研究对象,从控制轨道振动角度出发,多角度定量或定性分析了轨道结构参数的合理取值。但由于直线轨道与曲线轨道的振动差异,曲线轨道横向振动是否纳入减振考虑范围,直线轨道减振参数对曲线轨道的适应性尚不清楚,亟需开展相关研究。通过多体系统动力学与有限元联合仿真,建立典型曲线地段车辆-轨道刚柔耦合模型,对比直线段、直缓地段、缓圆地段、圆曲线段轨道下部结构振动差异。研究结果表明:在相同的不平顺激励下,曲线地段脱轨系数为0.046,大于直线地段的0.012。随着列车从直线驶入曲线轨道,轨道板垂向振动加速度级在50 Hz减少了2.19 dB,相反横向振动加速度级增大了0.97 dB。采取同样的减振措施后,直线地段与曲线地段减振效果存在较大差异。相较于直线地段,曲线地段轨道板振动响应距规范限制有较多余量。同时,直线地段轨道板与底座板加速度级差值为14.45 dB,而曲线地段增大到17.41 dB。后续针对轨道减振设计时,应在所处地段的轨道模型中进行分析。

周期性浮置板轨道弹性波传播行为及波动效应

为探究复杂周期性浮置板轨道结构中的弹性波传播行为及波动效应的内在机理,基于无限周期结构的弹性波理论建立浮置板轨道结构模型,计算并分析结构带隙特征、弹性波传播机制以及移动荷载激励下的波动效应。结果表明:复杂周期性浮置板轨道结构在0~300 Hz范围内存在8个带隙,且带隙可阻碍弹性波在结构中的传播;带隙特征主要受结构刚度影响,可通过改变钢弹簧刚度、剪力铰剪切刚度和基础分布刚度来调节带隙范围;由于浮置板、轨道和隧道衬砌结构的弹性波局域共振作用,浮置板轨道结构减振效果在0-√2倍共振频率范围内劣于整体道床轨道结构,而在大于√2倍共振频率时才优于整体道床轨道结构;结构加速度响应峰值由荷载速度线与频散曲线的交点所产生,带隙和通带范围内弹性波存在不同的波动效应,且带隙对弹性波正向多普勒效应具有抑制作用。

轨道随机不平顺对地铁振动源强时-频特性影响的仿真研究

目的:为了探究轨道的多种随机不平顺(高低、水平、轨距和轨向)在不同列车速度下对地铁隧道壁垂向振动加速度和轮轨力的影响,以提升行车品质,特进行本研究。方法:以地铁A型车为例,运用动力学分析软件建立考虑柔性轮对的车辆刚柔耦合系统动力学模型。将轨道和轮对视为柔性体,其余部件视为刚体,通过施加多种随机不平顺和改变车辆速度并考虑波磨来模拟不同工况,进行仿真计算。同时采用快速傅里叶变换方法对仿真计算结果进行时域和频域分析,研究隧道壁和轮轨力的振动特性。结果及结论:研究结果表明:随着车辆运行速度的增大,隧道壁垂向振动加速度的峰值有所提高,优势频率分布范围会有稍许扩大,高频成分增多;车轮间相互作用加剧,垂向轮轨力有所增大;隧道壁在4~200 Hz范围内的振动主频为63 Hz,不随速度变化而变化,但加速度级峰值会有所增大。

手性超结构隔振器浮置板轨道系统减振特性研究

针对地铁列车引起的环境振动问题,该研究基于局域共振机理提出了一种具有拉压-扭转特性的手性超结构隔振器,并建立振动传递特性有限元模型与车辆—轨道—基底耦合动力学数值模型,从频响特征与动力响应的角度研究了使用手性超结构隔振器浮置板轨道系统的减振性能,进而研究浮置板垂向位移减小情况。结果表明:手性超结构隔振器的等效垂向刚度主要受支撑杆控制;衰减域的起始频率受软材料包覆层的影响;手性超结构隔振器浮置板轨道在保留钢弹簧浮置板轨道原有减振效果的同时,还增加了对特定频段振动传递的衰减效果,但在衰减域外产生了一个共振峰,通过在结构中设置阻尼可以减小共振峰的影响;手性超结构隔振器浮置板轨道系统可以更有效地控制地铁列车荷载激励所引起的浮置板垂向位移,其对位移的减小效果可达11.5%。

多带隙联合的声子晶体滤波梁弹性波传播特性

提出了一种包含Bragg散射、整体局域共振和局部局域共振机理的多带隙联合声子晶体滤波梁,通过传递矩阵法与Bloch定理求得无限周期结构各阶带隙为0~170 Hz、180~262.6 Hz、552.3~597 Hz、974~1 563 Hz、1 903~2 667 Hz;并调节结构参数,得出带隙调制规律和带隙机理。同时,与其他3种工况声子晶体梁带隙特征进行对比分析,证明了声子晶体滤波梁在带隙宽度、丰富度以及弹性波衰减率方面均有着相对优势,具备更好的过滤或抑制结构中弹性波的性能。此外,求解近声子晶体滤波梁的振动传递系数,得出在各阶带隙范围内,弹性波的传播存在明显衰减,验证了带隙的存在。最后为探究弹性波在带隙/通带范围内的波动模式,分别提取位于带隙/通带范围梁体位移分布,发现在带隙频率范围内的弹性波沿波动方向快速衰减,表现出带隙特性;通带频率范围内的弹性波无明显变化或衰减,表现出通带特性。

基于应变模态变化率的钢轨损伤检测

为了准确、快速检测出钢轨中的损伤及其损伤位置和程度,提出了基于应变模态变化率的钢轨损伤检测方法。以五跨钢轨为例,通过数值仿真分析和实验室足尺模型测试表明:基于频率的变化可判断钢轨发生损伤,但无法确定损伤的位置及程度;基于应变模态的变化和基于应变模态变化率的变化可判断钢轨发生损伤、确定损伤的位置和程度;损伤程度对于损伤识别的影响较大,损伤程度越大,损伤单元的应变模态变化率就越大,钢轨的前两阶应变模态变化率可以确定损伤的发生、位置及损伤程度。

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1.2 kN/mm,扣压力损失为1.67 kN,纵向阻力损失为1.6 kN,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0～5 000 Hz频段内,减振扣件对轨头、轨腰和轨脚的减振作用均很显著。

桥上无砟轨道橡胶减振垫减振性能试验研究

以成都—都江堰高速铁路工程为背景,通过现场测试试验,研究桥上无砟轨道铺设橡胶减振垫的减振效果。结果表明:铺设橡胶减振垫后,减振垫上钢轨和轨道板的振动略有放大,但影响甚微,而减振垫下底座板、桥梁及地面的振动显著降低,其中底座板的最大振动加速度降低了85%左右;时域内,在距线路中心线0,15和30m处地面的最大竖向加速度振级均降低了9.5dB左右;频域内,在0～6.3Hz频段内,橡胶减振垫的减振效果不明显;在8～20Hz频段内,由于与轨道—桥梁—大地系统本身的自振频率重合,反而放大了地面的振动;在25～100Hz频段内,减振作用明显,且距线路中心线越远,减振效果越显著,但距线路中心线不同距离处对应最大减振作用的频段和插入损失值不同,0m处最大减振作用出现在31.5Hz频段,插入损失值为7.8dB,15和30m处最大减振作用均出现在40Hz频段,插入损失值分别为13.6和16.4dB。可见,橡胶减振垫能够对25Hz以上频段的振动起减振作用。

带槽扩展层静音钢轨理论与试验研究

降低轮轨噪音的有效方法之一是增加钢轨阻尼,增加钢轨阻尼能抑制钢轨振动,进而降低钢轨辐射噪音。基于此,提出一种带槽扩展层静音钢轨。与传统静音钢轨不同,在钢轨和阻尼层之间增加一层带槽扩展层。它可以扩大阻尼层剪切变形,从而很大程度提高阻尼层耗能能力。通过大量数值仿真实验得出该结构最佳材料参数和结构参数组合,并制作出其实物原型,进行实验测试。测试结果表明:带槽扩展层约束静音钢轨在垂向激励下噪声声辐射声压级能降低8.2dB(A),横向激励下噪声声辐射声压级能降低9.4dB(A)。

扣件弹条动力特性现场测试与研究

为揭示扣件弹条在运行过程折断的原因,通过现场测试,得到弹条在客车和货车以不同速度运行下的工作模态,并进行仿真分析,以验证识别结果的正确性。结果表明:不同行车条件下,弹条振动的优势频率是固定不变的。采用省时Ibraham时域法(STD)、复指数法和自回归滑动平均模型(ARMA)分析法对弹条的加速度进行识别,均可以较为准确地得到弹条的工作模态;边界条件不一样,如道钉螺栓扭矩不同,左右侧弹条的工作模态是不一致的;弹条的前两阶固有频率是容易被激起共振的频率,在弹条设计应重点考虑避免之,在现场弹条安装和运行维护时,对道钉螺栓的扭矩要特别注意。

钢轨-扣件耦联系统的动力特性试验

为了从源头抑制轨道交通产生的振动噪声,采用力锤激励法实测了扣件-钢轨耦联系统的加速度阻抗,从加速度阻抗曲线上得到了钢轨的振动模态及相应固有频率处的加速度阻抗幅值,通过不平顺波长与激振频率关系推出了不同行车速度下最不利不平顺波长。对钢轨进行了频率响应分析、脉冲响应分析和脉冲响应函数的时频分析,分离出了钢轨振动优势频率,其值与从加速度阻抗曲线识别得到的结果一致,同时还得到了优势频率的振动持续时间。试验说明,优势频率是钢轨振动与辐射噪声的主要频率,只要能控制优势频率的振动,就可以抑制钢轨的全频域振动与噪声。

新型局域共振橡胶减振垫振动传递特性测试分析

为了研究一种应用于浮置板轨道结构的新型橡胶减振垫的振动传递特性,对比某基于局域共振新型减振垫与普通橡胶减振垫的减振性能,研究预压质量与激振加速度对振动传递特性的影响,对新型橡胶减振垫进行刚度试验与振动传递特性试验,测试其在30~200 Hz频率下的传递特性,试验过程中采用不同的预压质量与激振加速度,振动传递特性测试采用加速度激振的方法,以加速度传递率作为减振垫振动传递特性的评价指标。结果表明:新型减振垫加速度传递率更小,减振效果更好,最大可以减小10 dB左右;减振垫上方预压质量对振动传递特性有较大影响,预压质量越大,加速度传递率越大,减振效果越差;减振垫的刚度对其振动传递特性有一定的影响,激振的加速度幅值对加速度传递率影响较小。

新型交叉式静音钢轨的理论与试验研究

为降低轮轨噪音,提出了一种新型交叉式静音钢轨.与传统的静音钢轨不同,其在钢轨和阻尼层之间增加了一层扩展层,且扩展层与约束层交错布置.采用有限元法对该结构进行了优化设计,根据优化结果(扩展层宜用厚1 mm的铝材,阻尼层宜用IPN型阻尼材料,约束层宜用厚2 mm的钢材)制作实物并进行了试验测试.测试结果表明:在垂向和横向激励下,该交叉式静音钢轨振动持续的时间仅为标准钢轨的1/5,噪声声辐射声压级分别比标准钢轨降低10.4和13.2 dB.

连续梁桥上无缝道岔合理化布置研究

为了进一步研究连续梁桥上无缝道岔-梁-墩合理布置形式,基于梁轨相互作用关系,建立了"岔-板-桥-墩"一体化空间计算模型,并编制了相应程序。计算分析表明:连续梁跨度应适中,建议取为32 m+48 m+32 m的一联三跨连续梁,岔前或岔后距离梁端宜在20 m以上,固定支座宜布置在连续梁中间跨的两端,尽可能离岔心近一些。在需要增大桥墩刚度且又难以实现时,可考虑将连续梁相邻桥墩支座设置成双固定支座,这样同时可以起到减小桥上无缝道岔受力与变形的作用。

轨道交通扣件系统时频特性测试与分析

为了得到安装在不同扣件系统下钢轨的振动特性,室内以WJ-7型扣件为样品,采用力锤激振法对其进行动力测试。基于MATLAB软件信号分析处理平台,利用线性短时傅里叶变换,非线性Page变换和Zhao-AtlasMarks变换对振动信号的时频特性进行对比分析。研究结果表明:钢轨轨脚振动主要集中在中高频,其中在2 250Hz振动能量最大,且持续时间最长;短时傅里叶变换(Short-time Fourier transform,简称STFT)具有较高的时间和频率分辨率,可以将轨脚的时域、频域和时频域的固有属性一一对应起来;非线性Page时频分析在能量较高的高频段具有较好的分辨率,而在低频段显得无能为力;非线性Zhao-Atlas-Marks分布时频分析在低频段效果较好,在高频段不是很理想。该分析结果可为轨道结构的振动噪声控制提供依据。

特殊工况下桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔温度力研究

为进一步研究桥上纵连板式无砟轨道无缝道岔受力和变形的特点,分析了其在实际工程中常见的底座板发生收缩徐变、底座板存在施工温差和底座板断板三种工况下温度力的变化规律。基于梁轨相互作用关系,建立了"岔—板—桥—墩"一体化空间计算模型,利用有限元法,编制了相应计算程序。经计算分析表明,随着底座板收缩徐变的增大,基本轨温度力和伸缩位移增大;随着底座板施工温差的增大,基本轨温度力和伸缩位移有较大的增长;底座板断板后,会显著增大岔区基本轨温度力和伸缩位移。