Analysis of vibration reduction characteristics and applicability of steel-spring floating-slab track

A coupled dynamics computation model for metro vehicles, along with a steel-spring floating-slab track, is developed based on the theory of vehicle-track coupled dynamics. Using the developed model, the influences of the thickness, length and mass of floating-slab, spring rate and its arrangement space, running speed, etc. on the time and frequency domain characteristics of steel-spring fulcrum force are analyzed. The applicability of steel-spring floatingslab track is discussed through two integrated example cases of metro and buildings possessing distinct natural vibra- tion characteristics. It is concluded that, it is quite significant, in the optimization modular design of the parameters of steel-spring floating-slab track, to take the matching relationship of both the amplitude-frequency characteristics of steel-spring fulcrum force and natural vibration characteristics of integrated structures into comprehensive consideration. In this way the expensive steel-spring floating-slab track can be economically and efficiently utilized according to the site condition, and at the same time, the economic losses and bad social impact resulted from the resonance during usage of steel-spring floating-slab track can be avoided.

不同类型装配式钢弹簧浮置板减振效果分析

为研究不同钢弹簧数量和钢弹簧刚度参数下装配式钢弹簧浮置板轨道的减振效果,且便于运输吊装,提出了三种类型装配式钢弹簧浮置板轨道。通过建立车辆-轨道-隧道耦合动力学模型对比分析了钢弹簧浮置板轨道的动力性能和减振效果,并在深圳地铁某号线路选取对应类型装配式钢弹簧浮置板结构断面和整体道床断面进行现场测试与仿真结果进行对比验证。研究结果表明:钢弹簧浮置板轨道与整体道床相比,钢轨和浮置板的垂向位移增加了57.23%~95.00%,垂向加速度减小了19.93%~60.13%;钢弹簧浮置板在16~200 Hz内的减振效果明显,最大减振效果可达16.61 dB;钢弹簧浮置板轨道均出现了道床的固有频率向低频偏移和浮置板的隧道壁振动加速度级超过整体道床的现象;三种类型装配式钢弹簧浮置板轨道的减振效果为:类型A>类型B>类型C,其中类型A的减振效果最好;仿真数据与现场实测数据误差率为1.43%~14.25%,减振效果误差在0~1 dB内。

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。

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。

钢弹簧失能下车辆-浮置板轨道耦合系统动力特性研究

在列车荷载作用下浮置板轨道会发生钢弹簧失能,为研究此问题对车辆-浮置板轨道系统动力特性的影响,基于车辆-轨道动力学理论,建立车辆-浮置板轨道耦合动力学模型,研究不同钢弹簧失能数量、位置、组合形式对车辆-浮置板轨道系统动力响应的影响。结果表明:当钢弹簧失能数量相同时,同一块浮置板的振动响应板中位置大于板端位置;钢弹簧失能1个时,板中位置钢轨、浮置板位移最大值分别比板端位置大0.49 mm和0.22 mm,加速度有效值分别比板端位置大13.34%和21.42%;单侧连续失能钢弹簧数量≥2个时,列车荷载作用下钢轨和浮置板垂向位移最大值均分别超出《浮置板轨道技术规范》规定的限值4 mm和3 mm;车体在频域上的振动响应主要集中在10 Hz内,钢弹簧失能会导致车体振动响应在频域上增大;单侧钢弹簧失能2个比双侧失能2个的钢轨位移最大值、加速度有效值分别增大17.75%、2.22%,比正常状态下钢轨位移、加速度分别增大37.08%,10.84%。钢弹簧失能增加了系统的振动响应,影响减振效果,应注意及时检修。

钢弹簧浮置板轨道垂向动态特性及对轮轨力的影响研究

钢弹簧浮置板(steel spring floating slab, SSFS)作为一种高等减振轨道广泛铺设于我国地铁线路中,在服役过程中,该轨道在部分线路中出现了钢轨波磨问题,而轮轨动态行为对波磨形成具有较大的影响。为研究该轨道垂向动态特性及其对轮轨瞬态力的影响,建立SSFS轨道的三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,分析在有、无车辆加载下轨道垂向位移导纳特性,模拟钢轨宽频不平顺激扰下轮轨垂向瞬态接触力的响应。结果表明:(1)无车辆加载作用下,SSFS轨道在100 Hz以下(22 Hz、43 Hz、68 Hz等)振动模态表现为钢轨和浮置板共同垂向弯曲,在100~1 400 Hz中高频段表现为钢轨相对浮置板弯曲;(2)车辆加载后,轨道导纳出现59 Hz的P2共振,及64 Hz和72 Hz的轨道整体弯曲振动峰值;(3)柔性轮轨耦合后轨道导纳受到轮对作用影响在364 Hz、489 Hz、623 Hz处出现新峰值,其中,364 Hz、489 Hz为车轮振动模态引起,623 Hz为双轮对干涉引起的钢轨弯曲模态;(4)车辆瞬态通过含60~220 mm波长钢轨不平顺的轨道时,轮轨瞬态垂向接触力在约70 Hz响应最显著,这是由轨道的整体弯曲振动模态被激发引起,该振动是SSFS轨道出现160~200 mm波长波磨的原因。

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。

地铁车辆以磨耗车轮通过钢弹簧浮置板轨道时的较好平稳性速度

[目的]为使地铁乘客获得较好的乘车体验,探究轨道线路铺设浮置板时车体平稳性较好的通过速度区间。[方法]利用仿真软件建立了地铁车辆-浮置板轨道-路基的动力学模型,分析了标准车轮及磨耗车轮通过地铁有无钢弹簧浮置板轨道时的车体振动状况。对比了不同速度条件下,增设浮置板前后车体垂向平稳性指标时域及频域的变化;对比了车体在浮置板轨道系统下,车体以磨耗车轮与标准车轮通过时,车体的垂向振动加速度等参数时域及频域的变化规律。[结果及结论]不同速度时,浮置板会使列车的平稳性指标增大,相比无浮置板时平均增长了5.8%;横向平稳性指标在速度低于60 km/h时,其对平稳性指标有减小作用。浮置板系统中,磨耗车轮的存在会加剧车体垂向振动,这种现象在列车高速行驶时表现更突出。地铁车辆通过轨道时的垂向振动加速度频率主要集中在低频区段的0~10 Hz,横向振动加速度频率区段主要集中在0~30 Hz。地铁车辆通过存在浮置板路段且速度在48~60 km/h区间时,磨耗车轮的车体垂向平稳性指标在1.8左右,横向平稳性指标在1.1左右,数值均较低,即车体振动及横向运动较小,平稳性较好。

施工偏差对钢弹簧浮置板结构尺寸及减振性能影响

[目的]施工偏差会对施工项目造成不同程度的影响,因此有必要研究施工偏差对钢弹簧浮置板结构尺寸及减振性能的影响。[方法]针对具体现场施工时,地铁隧道内曲线段现浇钢弹簧浮置板产生的施工偏差问题,利用数学几何方法建立了多工序映射理论模型,考虑不同偏差组合工况,分析获得基底和浮置板厚度的偏差范围。在此范围内,基于ABAQUS软件建立动力学模型,分析施工偏差对减振性能的影响。[结果及结论]当隧道中心线偏移时,基底厚度的变化范围为75.72~281.75 mm,浮置板厚度的变化范围为278.28~325.00 mm。在基底厚度偏差范围内,钢轨振动响应峰值集中在低频段12.50 Hz以内;当基底厚度为65 mm时,其对减振性能的影响最大,减振性能降低了23.90%。在浮置板厚度偏差范围内,钢轨振动响应峰值集中在低频段3.15 Hz以内。当浮置板厚度减小为45 mm时,其对减振性能的影响最大,减振性能降低了24.24%。

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。

地铁隧道钢弹簧浮置板轨道减振性能测试与分析

地铁轨道振动对周边环境产生负面影响,为减缓轨道振动影响,某城市地铁建设工程隧道段采用了一种钢弹簧浮置板轨道以削弱其振动影响。为评价其减振效果,在铺设了浮置板轨道段和普通轨道段的隧道测试地铁线车辆在四种工况下引起的隧道壁振动加速度和轨道位移值,论文对浮板轨道及普通轨道在减振特性及减振效果上的差异进行了比较分析。通过实验结果分析得出采用评价模式对城市新建地铁隧道选择轨道形式及减振效果评价具有参考意义。

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.

地铁曲线地段钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨成因及控制方法

随着地铁列车行驶速度与行车密度不断提高,越来越多的线路出现了钢轨波磨现象,引起了严重的环境振动噪声问题。为研究曲线地段钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨的成因,对某地铁线路钢轨波磨情况以及轨道动力响应进行了现场测试,建立曲线地段轮对-钢弹簧浮置板轨道系统有限元模型,探究轮轨间摩擦系数、扣件刚度以及隔振器垂向刚度对钢轨波磨的抑制作用。结果表明,钢弹簧浮置板曲线地段波磨波长为30~50 mm,列车通过该波磨区间时会引起416~694 Hz的振动;轮轨系统位于曲线地段时的不稳定振动主要发生在内轮与内轨之间,导致内轨产生更为严重的钢轨波磨,412.56 Hz的不稳定振动是引起钢弹簧浮置板地段产生钢轨波磨的重要原因;随着曲线半径减小,钢轨波磨产生的可能性增大,特别是列车通过半径小于600 m的曲线时,轮轨间摩擦自激振动十分容易发生;降低轮轨间摩擦系数、增大扣件刚度与隔振器垂向刚度均可有效降低轮轨系统发生自激振动的趋势,从而抑制钢轨波磨的产生与发展;考虑轨道结构减振的需求以及负阻尼比的增长幅度,应优先选择增大扣件刚度的措施来抑制钢轨波磨的产生与发展。

基于压电螺旋梁的地铁浮置板振动能量收集装置

为解决地铁轨道中振动能量的收集问题,根据钢弹簧浮置板的固有频率,设计了一种基于压电螺旋梁的振动能量收集装置。通过有限元仿真和数字图像相关法试验验证了该装置与钢弹簧浮置板的固有频率匹配情况,并利用扫频试验和落轴试验证明该装置具有振动能量收集能力。研究结果表明,在1~100 Hz范围进行扫频试验,在压电螺旋梁振动能量收集装置共振频率点处,压电片可产生13 V的开路电压,并点亮15个额定电压为1.5 V的发光二极管,落轴试验在落轴高度为20 mm处压电片可产生6 V的开路电压,并点亮10个额定电压为1.5 V的发光二极管,验证了该装置可实现地铁轨道中振动能量的收集,并为低功耗微型传感器供电。

基于流固耦合的浸水钢弹簧浮置板减振效果分析

为养护维修浸水情况下的浮置板轨道,基于流固耦合理论建立浸水条件下钢弹簧浮置板振动模型,分析浮置板和基础结构间存在积水情况时,车致振动影响下不同浸水深度浮置板轨道的减振效果。结果表明:钢弹簧浮置板的板底积水影响浮置板结构的减振性能;当积水深度小于板侧空间高度的1/2时,隧道壁在其峰值频率63 Hz的振动已经增大5 dB左右;当积水深度达到板侧空间高度全满时,隧道壁加速度级在63 Hz处增大13.4 dB,增加约30.7%;隧道壁在63 Hz和80 Hz的振动级插入损失也分别增大13.36 dB和13.67 dB;浮置板板侧空间有1/2及以上的高度浸水,峰值频率对应的浮置板、隧道壁的垂向振动级较正常情况分别大5d B、10dB以上时,建议及时排水。

地铁钢轨表面短波不平顺对钢弹簧浮置板道床减振效果的影响测试研究

随着地铁线路运营时间的延长,部分区段钢轨表面出现不均匀磨耗,形成波长迥异的钢轨不平顺。钢弹簧浮置板道床具有良好的减振效果,被应用于各地铁线路。为研究钢轨表面短波不平顺对钢弹簧浮置板道床减振效果的影响,分别在直线段与曲线段选取钢弹簧浮置板道床测试断面和普通整体道床测试断面进行钢轨表面短波不平顺测试及振动测试。结果表明:直线段钢轨表面状态良好及钢轨表面短波不平顺地段钢弹簧浮置板道床的减振效果分别为24.3 dB及24.4 dB,曲线段钢轨表面状态良好及钢轨表面短波不平顺地段钢弹簧浮置板道床的减振效果分别为20.5 dB及20.3 dB,钢轨表面短波不平顺对钢弹簧浮置板道床的减振效果影响较小。

预制钢弹簧浮置板道床顶升精度探析

城市轨道交通线路在经过密集居民区、医院、精密实验室、剧院等特殊路段时,车辆运行发出的振动和噪音会严重影响周边环境和居民生活,因此在轨道工程轨道施工中,常采用钢弹簧浮置板道床,其减振、降噪效果最为显著,而在钢弹簧浮置板道床顶升施工中,浮置板顶升后的精度一直是控制难点。本文以苏州市轨道交通6号线预制钢弹簧浮置板道床为例,探讨了城市轨道交通预制钢弹簧浮置板道床曲线段顶升后的精度,结合实践,分析影响顶升后精度的主要原因,给出解决对策,规避施工难点,有效提高施工精度,总结施工经验并为后续同类型施工提供参考。

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。

轨道型式对地铁与建筑物共建结构振动响应的影响

以上海某地铁站与建筑物共建工程为例,现场实测由于地铁运行引起的车站站厅层、上部结构各楼层的动力响应,建立道床—共建结构—地基二维动力有限元模型。通过对比分析计算和实测的共建结构竖向振动加速度的时域谱和1/3倍频程振级谱,探讨普通轨道、科隆蛋高弹扣件轨道和钢弹簧浮置板轨道在引起共建结构振动响应方面的差异。研究结果表明:采用科隆蛋高弹扣件轨道时,共建结构同一位置的加速度峰值约是普通轨道的1/2,而固有频率为6 Hz的钢弹簧浮置板轨道的加速度峰值仅为普通轨道的1/10左右,但钢弹簧浮置板轨道引起的振动周期和持时相对较长;科隆蛋高弹扣件轨道与钢弹簧浮置板轨道均有明显的减振效果,所不同的是前者对25 Hz以下、后者对25 Hz以上频段的竖向振动有较好减振效果;钢弹簧浮置板固有频率的变化对该共建结构振动响应的影响很小。