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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

钢弹簧浮置板轨道振动特性及钢轨波磨成因分析

为研究小半径曲线(R=300 m)地段钢弹簧浮置板轨道振动特性与钢轨波磨成因的关系,基于现场动静态测试获取钢轨波磨静态特征及轨道各部件振动加速度响应,采用短时傅里叶变换对测试数据进行时频分析。考虑簧下质量建立导向轮对-钢弹簧浮置板轨道频域线性分析模型,计算轨道系统模态和频响函数分析可能导致钢轨波磨产生的原因。研究结果表明:钢轨振动加速度在72,136,203,271,337和393 Hz附近存在共振峰,浮置板和隧道壁振动加速度均在72 Hz附近存在共振峰,其中72 Hz附近振动与160~200 mm波长波磨相关。钢轨波磨激励下的钢弹簧浮置板轨道振动加速度响应与其振动固有特性紧密相关。钢弹簧浮置板轨道对于中频(140~300 Hz范围)的减振效果要好于低频(50~100 Hz范围),因此一旦产生对应频率为69~87 Hz范围的钢轨波磨,将会显著降低钢弹簧浮置板轨道的减振效果。轮轨横向力可以激发钢轨相对于浮置板的高阶横向弯曲振动模态,是导致小半径曲线地段钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨产生的重要原因。车辆-轨道系统P2力共振模态及钢轨和浮置板一起相对于底座板的垂向弯曲共振模态可能是导致160~200 mm波长波磨产生的重要原因。钢轨相对于浮置板的横向弯曲共振模态可能是导致30~40 mm和100 mm波长波磨产生的原因。研究成果可为解释小半径曲线段钢弹簧浮置板轨道钢轨波磨成因奠定基础。

纵向连接式浮置板轨道疲劳性能试验研究

研究目的:相较于城市轨道交通,市域铁路列车运行速度更快、轴重更大,截至目前,国内市域铁路在时速160 km没有采用钢弹簧浮置板轨道的先例,也没有对其在市域铁路运营条件下的适应性开展过系统研究。为设计研发适用于市域铁路的钢弹簧浮置板轨道,本文通过开展足尺模型的疲劳试验,分析疲劳前后力学性能变化,进而得到纵向连接式钢弹簧浮置板轨道静刚度及应力应变的变化规律。研究结论:(1)疲劳后浮置板垂向位移整体呈下降趋势,200万次疲劳后其位移平均值减小2.90%,500万次疲劳后其位移平均值减小4.78%;(2)疲劳后浮置板静刚度呈增大趋势,疲劳前、200万次疲劳后和500万次疲劳后,浮置板静刚度分别为185.02 kN/mm、189.11 kN/mm、192.49 kN/mm;(3)浮置板表面中线上应变测点位置的应变在疲劳试验后呈现增大趋势,200万次及500万次疲劳试验后其最大应变值较疲劳前分别增大19.21%和17.70%;(4)浮置板表面边线上应变测点位置的应变在疲劳试验后呈现减小趋势,200万次及500万次疲劳试验后的最大应变值较疲劳前分别减小2.16%和3.11%;(5)500万次疲劳后板缝处混凝土与预制板混凝土粘结界面处于安全状态;(6)本研究成果对于设计研发适用于市域铁路的纵向连接式钢弹簧浮置板结构具有一定参考价值。

地铁列车运行诱发低频振动控制数值研究

地铁列车运行诱发的低频振动问题受到人们的广泛关注,对于低频振动的控制研究具有重要意义。采用移动激振力函数来模拟轮轨之间相互作用力,建立轨道-隧道-地层三维动力有限元模型。核心思想是通过降低地层中能量传递密度的方式来减小低频振动,首先分析地铁列车运行诱发的地层和地表动力响应规律,揭示低频振动的传播衰减机理。之后通过普通整体道床轨道和钢弹簧浮置板轨道两个不同的轨道型式,系统地分析普通整体道床轨道中隧道衬砌参数和道床参数对地表低频振动的影响规律,对钢弹簧浮置板轨道进行优化,增大底板的刚度和厚度,研究优化后底板参数和隔振器排列方式对地表低频振动的控制效果。计算结果表明:低频部分随着与隧道纵向轴线距离的增加,在地层和地表均衰减较慢;普通整体道床轨道中道床刚度和高度、隧道衬砌刚度均对低频振动的影响较大,而隧道衬砌厚度对低频振动的影响较小;钢弹簧浮置板轨道中随着底板刚度和长度的增加,低频振动的控制效果越好,隔振器数量越少,越有利于低频振动的控制。

提升钢弹簧浮置板轨道稳定性的抑振调频装置研究

在轨道板上安装抑振调频装置是提高钢弹簧浮置板轨道稳定性的有效措施。基于有限元方法与车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑抑振调频装置的车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型,计算分析抑振调频装置刚度、阻尼和预紧力3个关键参数对钢弹簧浮置板轨道自身稳定性、减振效果及行车平稳性的影响。结果表明:抑振调频装置可有效抑制浮置板轨道振动,调节轨道板固有频率;轨道板位移频响幅值随抑振调频装置刚度、阻尼的增大呈指数规律减小,受预紧力影响不明显,当刚度在0~10 kN·mm^(-1)、阻尼在0~100 kN·s·m^(-1)范围变化时,抑振调频装置的调节效果显著且易实现;增大抑振调频装置的刚度、阻尼和预紧力均可有效降低轨道系统和车辆的振动加速度,但各自的作用不同,刚度最为明显,其次是阻尼,预紧力较小;在钢弹簧浮置板轨道上设置刚度为6.5 kN·mm^(-1)、预紧力为2 kN、阻尼为60 kN·s·m^(-1)的抑振调频装置后,基底加速度较减振扣件轨道和未安装抑振调频装置的浮置板轨道分别降低了74.5%和15.6%,有效提高了轨道系统的稳定性。

基于振动响应的浮置板轨道钢弹簧失效影响及检测方法

为了研究钢弹簧失效对装配式浮置板轨道动力性能的影响,并有效检测钢弹簧在线路运营过程中的服役情况,基于深圳地铁某线钢弹簧浮置板轨道结构,利用ABAQUS软件建立了含有钢弹簧失效的车辆-浮置板轨道垂向耦合动力学有限元模型,探究了单个及组合钢弹簧失效对浮置板轨道动态性能的影响,并提出了基于振动传递率函数和奇异值熵理论的钢弹簧失效检测方法。研究结果表明:车辆垂向加速度对单个或多个钢弹簧失效的敏感度较低;相较跨中位置,浮置板端部发生单个钢弹簧失效对轨道结构的振动响应影响更大;当多个钢弹簧失效时,钢轨和浮置板最大垂向位移较单个钢弹簧失效显著增大,且全部超过相关限值,这将对浮置板轨道结构的稳定性产生较大影响;在钢弹簧失效后,检测点之间振动传递率的最大值及平均值相比于失效前有所减小,并且失效前后的奇异值熵也发生明显变化。本文通过提取各测点垂向加速度响应,结合振动传递率函数的最值、均值及奇异值熵指标的检测方法能较好地反映钢弹簧的失效情况,以期为今后钢弹簧损伤检测的工程应用提供理论指导。

市域快轨钢弹簧浮置板轨道行车安全试验

研究目的:为研究钢弹簧浮置板轨道在不同车速下的动力学性能、分析其用于160km/h车速市域快轨的安全性,铺设了8块共200 m长的钢弹簧浮置板道床试验段,在试验段开行用于市域快轨的列车并由60km/h逐级提速至160km/h,测试5个断面的轨道动位移和轮轨力,分析不同车速下的行车安全性。研究结论:(1)当试验列车车速逐渐增至160km/h时,钢弹簧浮置板轨道各项安全性指标并未随着车速增加而显著增加;(2)浮置板轨道各测试断面板上垂向动位移均未超过3.0 mm,且随车速增加有降低趋势;(3)不同车速下脱轨系数均小于0.3,轮重减载率均小于0.4,轮轴横向力均小于20 kN,且均有较大的安全余量;(4)本文研究可为市域快轨高等级减振措施的设计和实施提供试验依据。

市域快线钢弹簧浮置板静载强度试验研究

城市轨道交通以其巨大的社会效益和经济效益在国内得到了迅速发展。同时,它还面临着一些亟待解决的关键技术,如列车提速、列车诱发振动对轨道结构和周围环境的影响等。因此,钢弹簧浮置板受到广泛关注。基于此,设计一种适用于时速160 km市域快线的新型钢弹簧浮置板轨道,通过在实验室开展足尺模型静载试验,研究2倍列车轴重荷载作用下新型钢弹簧浮置板轨道的静载强度和承载能力,包括钢轨和浮置板的变形,浮置板应力及裂缝发展规律。研究结果表明:1)钢轨相对垂向位移随静载增加呈非线性增长,浮置板垂向位移随静载增加呈线性增长,且在650 kN之后增长速率有所提升,双倍轴重750 kN荷载作用下分配梁处钢轨最大相对位移为1.524 mm,浮置板板中最大位移为1.135 mm;2)浮置板受力以纵向应力为主,应力随静载增加呈线性增长,650 kN后,应力变化加剧,达到750 kN时,板边底面纵向拉应力为5.33 MPa,超过C50混凝土轴心抗拉强度;3)荷载达到750 kN时,浮置板跨中底面产生裂缝,最大裂缝宽度为0.14 mm,荷载达到1 100 kN时,最大裂缝宽度为0.28 mm。研究结果表明,新型高速钢弹簧浮置板在不利的支承和加载条件下能发挥良好的承载能力,且具有充足的安全储备空间。

新型在线监测钢弹簧浮置板轨道结构力学特性分析及应用

钢弹簧浮置板轨道是城市轨道交通中广泛应用的一种减振降噪轨道结构形式。随着轨道服役时间的增长,浮置板轨道可能出现结构损伤、钢弹簧失效甚至断裂的情况。目前采用天窗时间进行检测,步骤繁琐且不易操作。基于此,提出一种新型可实时掌握浮置板轨道弹簧变形数据的在线监测钢弹簧浮置板轨道结构,通过数值模拟方法对其进行静动力学特性分析,基于现场实测数据进行在线监测应用效果评价。结果表明,新型在线监测钢弹簧浮置板轨道结构力学强度能满足正常使用要求,轨道板最大弯矩为149.7 kN·m,最大剪力为279.5 N,剪力铰最大应力为186 MPa;上承力板最大应力出现在和顶升设备接触位置,为146.1 MPa,在外套筒筒壁上最大应力为102.2 MPa;基于新型钢弹簧浮置板轨道结构,在其与其他轨道过渡的地段进行过渡设置,可使轨道结构过渡更加平缓,减小钢轨最大垂向位移0.85~1.25 mm。在钢弹簧浮置板隔振器内置入测距传感器和接近传感器,可分别实现钢弹簧压缩量测量与弹簧是否断裂或疲劳故障判断。该新型在线监测钢弹簧浮置板轨道结构已在南京地铁S6号线铺设,现场实测数据表明,该新型结构可实时精确地监测轨道结构位移。