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.

地铁曲线地段扣件刚度对钢轨波磨的影响实测与仿真分析

钢轨波磨是地铁典型病害之一。为抑制钢轨波磨的产生,对某地铁线路的钢轨波磨特征、轨道刚度进行测试,并基于摩擦自激振动理论,研究了扣件刚度对钢轨波磨的影响。结合实测与仿真结果,提出了钢轨波磨控制措施,并通过后续测试对治理效果进行评价。研究结果表明:该线路存在40 mm~60 mm典型波长的钢轨波磨,并且内轨钢轨波磨更为严重。轮轨系统的不稳定振动主要发生在内侧轮轨之间,且频率为445.38 Hz。增大扣件垂、横向刚度可以抑制该不稳定振动,降低轨道结构在400 Hz, 800 Hz频率下的动态响应。波磨治理1年后,内外轨的不平顺幅值并未有明显增长,钢轨波磨发展速度得到明显控制。研究结果可为既有线路钢轨波磨治理以及新建线路钢轨波磨预防提供参考。

地铁钢轨波磨对车辆-轨道振动及噪声特性的影响

钢轨波磨作为地铁线路中最为常见的轨道损伤问题之一,始终未得到根本性的解决。为研究不同轨道结构形式产生钢轨波磨后车辆内部振动噪声以及轨道结构振动的时频域特性,探究钢轨波磨对车辆和轨道的影响,对某地铁线路进行现场动静态测试,获取了钢轨波磨激励下车辆内部的振动和噪声响应以及轨道各部件的振动响应,使用时域指标统计、1/3倍频程谱分析等方法分析轨道振动响应特征和车内振动及噪声响应特征。结果表明:在小半径曲线地段,浮置板轨道产生了特征波长约为200 mm的钢轨波磨,整体道床轨道产生了特征波长约为60 mm的钢轨波磨;浮置板轨道的钢轨、道床板、隧道壁振动加速度有效值分别是整体道床的1.8、5.8倍及0.3倍;钢轨波磨对轨道振动的影响主要体现在中高频范围,在300~400 Hz附近,浮置板轨道振级从钢轨至隧道壁共衰减66 d B,而整体道床共衰减49 d B;列车通过测试区域时,转向架上方与客室中部垂、纵向振动加速度有效值基本一致,而客室中部横向振动加速度有效值约为转向架上方的2倍;车内转向架位置处的异常振动主要来源于钢轨波磨的激励,且短波长波磨所激励的车内振动及噪声更加剧烈。因此,地铁钢轨波磨产生后在轨道及车辆的振动噪声响应中均占主要成分,应及时对钢轨进行打磨处理,研究结果可为地铁工务维修提供理论指导。

地铁轨道交通环控系统的虚拟仿真设计与实现

环控系统是保证地铁轨道安全运营的关键环节。为此,基于项目功能需求和虚拟仿真技术,对深圳地铁轨道环控系统进行了虚拟仿真设计与开发。首先设计虚拟仿真系统项目开发流程,进行三维模型和场景的构建,然后采用PBR的渲染流程制作高真实感纹理贴图,并运用Unity3D进行系统开发。该系统的开发为轨道交通环控系统的运维、救灾和培训实验建立了新的模式,有利于提高工作效率,降低培训和运营成本。

“一带一路”背景下我国对俄罗斯轨道交通建设的推动机制

“一带一路”倡议背景下,我国深入俄罗斯轨道交通建设并发挥显著推动作用。既有中外文献、报道证实了我国在俄罗斯轨道交通项目中的实践能力,但其推动城市发展的内在机制仍待挖掘。本研究解构现实案例,从城市环境与经济社会效益两个层面系统性剖析我国推动俄罗斯轨道交通建设的具体机制。基于上述机制原理,本文提出应提倡全生命周期节能减碳、推进轨道影响区集约紧凑、加强轨道产业链深度合作、关注站点可达性高效联通等优化建议,为我国在“一带一路”倡议下推进国际轨道交通建设提供参考与指导。

地铁曲线波磨地段振动特性影响因素分析

为研究地铁曲线波磨地段振动特性影响因素,建立车辆-轨道及轨道-隧道-大地模型,分析不同波磨波深、隧道埋深、轨道减振措施下隧道壁及地面的振动响应。结果表明:减小钢轨波磨波深或增加隧道埋深,隧道壁和地面的垂向最大加速度和加速度分频最大振级均有减小趋势;采取不同轨道减振措施时,浮置板的减振效果最佳;隧道埋深和轨道减振措施的改变,不会改变隧道壁和地面加速度峰值的频段区间及加速度分频最大振级的中心频率;振动在隧道壁传递到地面的过程中高频衰减较快。

路轨协同下地铁配送网络抗毁性分析与关键节点识别

为研究路轨(道路-轨道)协同城市配送中地铁网络的抗毁性和关键节点,支撑路轨协同下城市配送的组网模式以及配送网络的可靠性提升,首先,以相对网络效率、相对负载熵为抗毁性测度指标,基于改进的耦合映像格子(CML)模型,研究不同攻击模式下的网络抗毁性变化;其次,选取反映网络运输效率的中心性指标和反映网络承载能力的现实性指标,构建网络关键节点综合识别模型;然后,通过分析不同指标权重下的网络抗毁性水平,得到最优权重取值下的关键节点集合;最后,以成都市地铁网络为例进行实证分析,验证该模型的有效性和实用性。研究结果表明:在同等扰动强度下,地铁网络面对随机攻击时抗毁能力更强;当面临外部扰动时,相对网络效率与相对负载熵损失在20%以上的节点占比分别为6.3%与6.8%,其中相对网络效率损失最大可达56.3%,相对负载熵损失最大可达50.2%;同时,考虑现实性指标与中心性指标,平均每个关键节点造成的相对网络效率损失与相对负载熵最大损失分别为8.99%与4.38%,需予以重点关注。

地铁盾构下穿古建筑振动监测与保护研究

为确保地铁盾构下穿古建筑物施工安全,确定先评估、先加固、施工监测、后评估、后加固总体技术路线。通过建立古建筑1︰3.52的实体模型并进行振动台试验获取结构阻尼比,利用Ansys进行三维建模,采用结构与模态分析,针对易损结构进行加固预防,为后续振动监测与盾构施工提供参考依据,结合试验区施工监测数据,调整施工参数。结果表明:在静力分析下该结构位移最大值约为14.01 mm,验证了三维模型的有效性。通过模态分析确定结构模型基本频率为0.59046 Hz,最易受损位置为斗枋处。在盾构穿越过程中,古建筑物加速度变化幅度小于0.003 m/s2,振动频带主要集中在0.6~20.5 Hz,振动频带处于正常范围,对古建筑物基本无影响。针对盾构下穿古建筑物提出以“地铁盾构穿越以匀速掘进为主,避免运营高峰期作业,影响区地层之间使用注浆加固,对古建筑物易损结构进行支护,施工时采取隔振减振方案”的总体解决思路,为后续类似工程建设提供参考。

地铁出入线扩散体型声屏障降噪效果研究

针对城市轨道交通地上线运营引起的噪声污染问题,以郑州地铁5号线中州大道车辆段出入线为工程实例,对加装声屏障前后的噪声进行现场测试,采用Virtual Lab软件对声屏障的降噪过程进行仿真模拟,仿真模拟与实测声压级随声源频率的变化曲线具有较好的吻合性,验证了声学仿真模型与计算方法的准确性。采用声压级插入损失表征声屏障的降噪效果,进一步研究三角尖劈型、QRD序列和PRD序列、微穿孔板-PRDⅠ型复合结构等类型声屏障的降噪效果。结果表明:尖劈角度对三角尖劈型声屏障降噪效果的影响较为显著;较高不规则度有利于提高PRD型声屏障对绕射声的扩散作用,降噪效果比QRD型声屏障更佳;PRDⅠ型声屏障的整体降噪效果略高于PRDⅡ型声屏障,适当降低扩散体设计频率、增加阶数和扩大槽宽均能提升PRDⅠ型声屏障的降噪效果;在微穿孔板-PRDⅠ型复合声屏障扩散体端部凹槽中添加微穿孔板共振吸音结构,能进一步提高扩散体端部结构的降噪增益,对改善地铁出入线噪声环境具有理想的应用前景。

TOD导向下的城市轨道交通站区用地绩效评价——以广州若干地铁站区为例

为推动TOD的本土化实践,聚焦于现有的地铁站区用地成果,应用用地绩效评价分析框架并结合TOD用地原则,构建TOD导向下的站区用地“强度—结构—价值”三维绩效评价体系,同时采用改进的TOPSIS法与障碍度模型对广州若干地铁站区进行实证研究,得出案例站区的TOD用地绩效水平,并从中总结TOD用地实践的积极经验。结果表明,部分案例站区已具有一定的TOD用地特征,尤其在用地结构、价值等维度上表现出良好水平,汲取相关成熟经验对于TOD的本土化实践具有较强的借鉴意义,但也需正视传统用地强度模式与TOD理念间的冲突、用地结构的优化与经济、社会等多元价值的协调等重点问题。

基于动态阈值分割法的接触轨图像关键特征点提取方法研究

在地铁系统中,接触轨的状态对于牵引供电系统的安全性至关重要,一旦接触轨几何参数超出正常范围,不仅会导致集电靴无法正常取流,进而影响运营车辆的顺畅运行,而且在极端情况下,还可能引发严重的安全事故。传统的接触轨几何参数测量方法在采集图像时通常面临背景复杂、干扰图像多等问题,以致检测数据量少、检测密度低,从而难以精确提取接触轨的关键特征信息。针对这一问题,文章提出一种新的方法,即结合动态阈值分割法、直线拟合以及投影计算的方式,有效解决接触轨特征点提取的难点,实现几何参数的精确测量。该方法不仅能够准确捕捉到接触轨的细微变化,还能够确保测量结果的可靠性和准确性。为进一步提高测量的便捷性和实用性,研究过程中同步研制出一套接触轨几何参数的便携式测量装置,并在地铁线路上进行现场应用示范,为实际运营中的接触轨状态监测提供有力的技术支持。

面向虚拟编组的城市轨道交通运行优化调度方法

伴随着我国城市化进程持续快速发展,既有的城市轨道交通列车运行控制系统下运力资源的调控能力已经趋于饱和。为了满足不断增长的乘客出行需求,以列车虚拟编组为代表的新技术成为发展方向。为了解决虚拟编组下列车的运行调度问题,提出面向虚拟编组的城市轨道交通运行优化调度方法,建立列车运行和客流变化模型,描述列车运行和乘客人数的动态变化;构建列车时刻表和编组策略的协同优化模型,以实现列车利用率、列车停站时间和乘客等待时间之间的平衡为目标求解优化策略,并根据最优解生成列车调度和编组方案;最后选取北京地铁亦庄线为线路仿真对象,结果表明该模型可以显著提高列车利用率,减少乘客候车时间,具备良好的应用前景。

基于图像处理技术的车载钢轨波磨自动识别与预警系统

[目的]目前地铁轨道日常巡检采用的人工检测和轨道检查车方式存在效率低、成本高等问题,已无法满足日益发展的轨道交通安全运营需求。对此,需要基于图像处理识别技术,研究车载钢轨波磨自动识别与预警系统。[方法]阐明了钢轨波磨自动识别的总方案,从钢轨表面图像的去噪与光照不均校正问题及钢轨表面图像的定位与分割、钢轨波磨区间的定位、钢轨波磨周期估计等方面,详细阐述了基于图像处理的钢轨波磨自动识别与评估方法。基于系统构成和逻辑架构从软硬件角度分别描述了病害自动识别与预警系统的构建,并介绍了该系统在北京地铁的示范应用情况。[结果及结论]该系统能实现对轨道波磨病害的实时检测、定位、评估及预警。示范应用测试结果表明:该系统的钢轨波磨病害识别准确率达到97%以上;与传统人工巡检和专用轨道检测车相比,检测效率极具优势。

循环荷载作用下大坡度地铁道岔钢轨爬行分析

[目的]当道岔铺设在坡道上时会由于列车的循环制动导致轨道的纵向力有所增加,进而产生不均匀的钢轨爬行现象,使得道岔的受力变形规律更为复杂,甚至会影响道岔的正常服役使用,因此需对循环制动荷载作用下的大坡度道岔钢轨受力变形特征进行研究。[方法]开展了循环荷载作用下的扣件纵向阻力试验,建立了9号道岔非线性有限元模型,分析了循环荷载作用下的道岔钢轨爬行规律。[结果及结论]扣件系统在循环荷载作用下会出现阻力退化现象;在第1次列车制动后,道岔钢轨的爬行量最大;在循环荷载作用下,钢轨累积爬行增长量会随着循环荷载作用次数的增加而逐渐趋于稳定;坡度的存在会显著增大循环荷载作用下的钢轨爬行量;列车荷载形式对循环制动荷载作用下道岔钢轨的爬行量影响很小。

地铁连续刚构桥上无砟轨道无缝线路纵向力分析

【目的】为研究地铁连续刚构桥上无砟轨道无缝线路纵向受力与变形规律,对地铁连续刚构桥上无砟轨道无缝线路设计改进、运营养护维修提供理论指导。【方法】根据梁-板-轨相互作用原理,建立地铁连续刚构桥上整体道床式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,计算伸缩、挠曲、制动、断轨工况下轨道结构和桥梁纵向力及位移,并对轨道结构静力特性进行对比分析,为地铁连续刚构桥上无缝线路轨道结构设计提供参考。【结果】结果表明:双线列车荷载中点与中部梁端处重合时为列车垂向荷载最不利工况,此时钢轨纵向力与钢轨、桥梁纵向位移均为最大,均出现在中部梁端附近,数值分别为70.3 kN与0.6,0.8 mm;双线制动荷载列车尾部位于两侧梁端时为列车制动荷载最不利工况,此时钢轨纵向力与钢轨、桥梁纵向位移均为最大,数值分别为107.8 kN与1.6,1.7 mm。【结论】伸缩力作用下各个端部桥缝处为薄弱部位,在平时养护中应特别注意梁端部桥缝处轨道结构,防止因伸缩力过大而产生断轨;钢轨发生断轨时,在断缝处纵向力、纵向位移均发生突变,严重影响线路行车安全。

基于快速扩散生成模型的地铁轨道异物入侵检测算法研究

针对现有基于无监督的地铁轨道异物检测算法中,对不同视角需要进行单独训练模型的问题,提出一种基于快速扩散生成模型的统一模型检测算法。该模型基于扩散模型,在仅使用正常样本训练一个模型的条件下,实现对多个视角异物入侵检测。检测时,扩散模型对存在异物的图像部分重构为无异物,然后将重构图像和原图进行比对得出存在异物的位置。研究发现,通过合理设计扩散步长和采样时刻,扩散模型能够在不需要扩散过程的情况下,直接对图像中的异常部分进行重构,使其和正常样本一致。为加速扩散模型的采样生成过程,在求解扩散模型的常微分方程的解过程中,分解方程中线性与非线性部分,对线性部分精确求解而对非线性部分进行近似求解。在不添加其他检测网络的条件下,算法利用扩散模型中深度神经网络的编码器部分,对重构图像和原图进行特征提取,在不同尺度上对比两者特征差异,由此得到异常热力图。实验结果表明,该模型在仅需要4次神经网络前馈的条件下,受试者曲线下面积积分比在图像级别和像素级别上分别达到99.05%和97.62%,相比其他单一视角检测模型性能上达到较优水平。本研究为地铁轨道异物检测提出一种仅依赖于正常样本的统一模型的检测算法,能够行之有效地解决已有算法不能对多个视角进行检测的问题。

轮轨润滑对地铁小半径曲线段外轨磨耗影响

[目的]地铁线路小半径曲线段的数量占比高、钢轨磨耗严重,通过润滑改变轮轨接触区的摩擦因数可以有效降低钢轨磨耗,因此有必要对轮轨润滑与钢轨磨耗之间的影响关系进行研究。[方法]介绍了润滑减磨理论;建立侧磨预测模型,将钢轨侧磨量为5 mm作为1个阶段,仿真计算不同侧磨阶段下的外轨磨耗规律;结合润滑减磨仿真计算结果,提出相应的外轨润滑措施。[结果及结论]钢轨上道初期,当钢轨出现侧磨后进行润滑,润滑减磨效果不显著;当钢轨侧磨量达到5~10 mm时,润滑涂敷效果差别显著,可以延缓钢轨磨耗发展时间至少3个月;外轨磨耗后期,钢轨侧磨速度明显加快,润滑涂敷效果差别不显著。建议在钢轨出现侧磨后进行润滑涂敷,当钢轨侧磨量达到5~10 mm时,对钢轨进行重点润滑涂敷。轮轨润滑可以降低钢轨磨耗速率,减缓曲线外轨磨耗发展,延长钢轨使用寿命,降低维修成本。

地铁站台轨顶排热风机对隧道温度的影响研究

夏季高温地区地铁站台排热风机运行时间长,能源消耗大。为探明地铁站台轨排系统对隧道内温度的影响规律,根据深圳地铁站台排热风机控制模式与应用现状,在深圳地铁11号线车站隧道内进行温度监测及站台屏蔽门风量交换测试。结果表明:地铁列车正常运营通过车站站台时,会导致站台隧道内温度产生较大幅值波动;其中轨顶排热风机开启对屏蔽门打开期间的隧道温度下降幅值影响显著,降低隧道温度幅值最大达3.97,为排热风机关闭时的2.4倍,而排热风机对隧道内整个过程的温度变化幅值影响较小;排热风机开启致使站台大量冷空气流入隧道,从而增加了站台空调负荷。研究结果可为轨排系统的合理设置及地铁环控系统简化提供参考依据。

基于3m波长地铁钢轨焊缝接头不平顺的轮轨响应分析

相对于1 m弦测值的焊缝接头动力学评估与管理,基于3 m波长范围的焊缝接头不平顺轮轨响应分析对其服役状态评估与管理具有重要意义。首先,基于车辆-轨道垂向耦合动力学理论建立车辆-轨道垂向耦合模型;然后,借助基于一弦N点弦测法研制的钢轨短波不平顺测量小车,对地铁线路焊缝接头不平顺进行精确测量,并根据传统弦测理论得到1 m弦测值;接着,将实测3 m波长焊缝接头不平顺和1 m弦测值作为车辆-轨道垂向耦合模型的不平顺激励输入,对比3 m波长焊缝接头不平顺和1 m弦测值激扰下的轮轨响应;最后,研究了车速和焊缝位置对轮轨动力响应的影响。结果表明:相比1 m弦测值激扰下的轮轨动力响应结果,3 m波长焊缝接头不平顺激扰下的轮轨力幅值变化不明显,轮重减载率幅值增大11.52%,钢轨加速度幅值增大54.05%,轮对振动加速度幅值增大37.67%;车速提高会导致轮轨力和轮重减载率幅值增大;焊缝中心与轨枕间的距离增加,轮轨力幅值先增加后减小,当焊缝中心距离轨枕0.1 m时,轮轨力幅值最大。

宽频式钢轨动力吸振器对波磨的影响分析

为了解决某地铁钢弹簧浮置板轨道曲线段钢轨波磨问题,首先对钢轨波磨进行了现场测试,其次依据波磨特征进行宽频式钢轨动力吸振器(wide-frequency tuned mass damper,WTMD)的精准调频和研制。然后将WTMD的质量、刚度和阻尼等参数输入到建立的车辆-WTMD-钢弹簧浮置板耦合动力学模型。模型中浮置板和基础考虑为柔性体,轮轨接触采用多点非赫兹接触的Kik-Piotrowski模型求解。以美国5级谱叠加现场实测的波磨不平顺谱作为激励,运用有限元软件ANSYS和多体动力学仿真软件UM进行联合耦合动力学分析,逐次迭代优化WTMD参数。同时,将有无WTMD的仿真分析得到的钢轨振动加速度和现场实测数据进行对比,研究了WTMD对钢轨振动的影响。最后进行了有无WTMD的钢轨振动总振级、钢轨振动衰减率和3次波磨跟踪测试,研究了WTMD对钢轨振动、钢轨振动衰减率和波磨发展的影响。研究表明:设计的WTMD前3阶振动主频分别为518、700、759 Hz,与车辆通过波磨频率(520~830 Hz)一致;仿真和实测的钢轨振动加速度数据吻合较好,安装WTMD后钢轨振动加速度均方根值由200 g降低为20 g,减振效果为8.1 dB;WTMD可以提高钢轨的垂向和横向振动衰减率,抑制钢轨的垂向和横向pinned-pinned共振;3次波磨跟踪测试发现,WTMD安装后,钢轨波磨发展缓慢,无肉眼可见的波磨。通过以上的仿真和试验都验证了WTMD可以有效地抑制钢轨波磨。