城市轨道交通轨面短波不平顺特性分析

研究目的:为深入分析城市轨道交通轨面短波不平顺特征,本文基于某城市时速120 km地铁线路实测数据,分析轨面短波不平顺波形特征及幅值分布规律,计算并分析轨面短波不平顺谱特征,提出城市轨道交通轨面短波不平顺谱拟合表达式。研究结论:(1)焊缝接头区不平顺每隔25 m出现一次,其影响范围为焊缝处左右±1.5 m,波形主要以M型(低接头)为主;(2)小半径曲线区段的减振轨道均存在明显短波波磨波形,无长波波磨特征;(3)曲线区段内外轨短波谱均存在明显较大尖峰值,其大多是由钢轨波磨引起的,且内轨比外轨波磨严重;(4)提出的六阶多项式拟合函数,能更好地反映城市地铁线路轨面短波不平顺特征;(5)本研究结果可用于指导城市地铁车辆轨道动力学性能设计,也可为城市地铁线路轨道状态评估及养护维修管理提供理论依据。

城市高架轨道交通引发的箱梁振动特性分析

利用有限元法和现场试验对城市高架箱梁结构的振动特性进行分析,重点研究对桥梁结构辐射噪声具有重要影响的20~200 Hz箱梁振动特性和分布规律。研究结果表明:列车荷载作用下箱梁结构的振动主要集中于40~200 Hz频率范围内,影响箱梁振动的主要为波长0.075~0.375 m的轮轨短波不平顺。轮轨短波不平顺引起的箱梁振动主要集中在50 Hz以上,以箱梁局部振动为主要表现形式。箱梁结构顶板、翼缘和梁底中心的振动水平为100~125 dB;其中顶板和翼板振动的主要形式是垂向振动,腹板和底板的振动分布相对均匀,横向振动与垂向振动同处一个水平。

轨道交通桥梁低矮弧形声屏障降噪性能研究

以某城市轨道交通高架低矮弧形声屏障作为研究对象,分别选取有、无声屏障断面,开展列车通过时的噪声测试;基于有限元法、边界元法和统计能量分析法,建立轨道交通高架综合噪声预测模型并进行了试验验证。基于测试结果和预测结果,研究了城市轨道交通高架噪声的空间分布规律,分析了低矮弧形声屏障的降噪特性,探讨了低矮弧形声屏障对梁侧噪声分布的影响。研究结果表明:在无声屏障断面的情况下,轨面以下测点主要受低频桥梁结构噪声的影响,噪声随距离的衰减速度较慢,距离每增大一倍,噪声衰减约2.44 dB(A);轨面以上测点主要受高频轮轨噪声影响,噪声随距离的衰减速度较快,距离每增大一倍,噪声衰减约5.68 dB(A);低矮弧形声屏障对中高频噪声具有较好的降噪效果,但增大了低频噪声,这可能是由于声屏障的二次结构噪声辐射所导致的;低矮弧形声屏障在距离线路中心线7.5 m, 25 m处的插入损失分别约为5~8 dB(A)和2~6 dB(A);低矮弧形声屏障在梁侧插入损失约为4~6 dB(A),由于声屏障振动辐射二次结构噪声,桥梁跨中断面局部区域噪声增大。

高速列车弓网受流系统放电实验平台设计

为掌握外环境下高速列车的运行特点,开展弓网电弧变化特性研究,该文设计并研制了高速列车弓网受流系统放电实验平台,其风洞系统由风洞结构、风扇转子系统、风洞控制系统、弓网电弧发生系统、观测系统组成。测试结果表明:低速直流风洞风速可达50 m/s,湍流度低于1%,速度不均匀性小于1%,流场稳定性不超过1%,气流偏角不超过0.5°,满足《低速风洞和高速风洞流场品质要求》(GJB 1179A—2012)中所规定的参数指标。该系统为探究强气流场环境下弓网电弧物理特性的变化规律提供了良好的实验环境,可为高速运行环境下列车弓网电弧研究提供参考数据。

CRTSⅢ型板和双块式无砟轨道振动噪声特性研究

【目的】探究高速铁路CRTSⅢ型板和双块式无砟轨道的结构振动与噪声特性。【方法】以有限元、多体动力学与边界元相结合的方法为基础,通过建立高速列车-无砟轨道-箱梁耦合动力学模型和边界元模型,研究列车高速通过时的列车-轨道-箱梁耦合系统的结构动力响应,以及噪声辐射特性。【结果】结果表明,列车通过桥上CRTSⅢ型板与双块式轨道结构段时,列车的最大轮重减载率分别为0.0536与0.1657,下部箱梁挠度分别为1/9673与1/8457。与双块式无砟轨道相比,CRTSⅢ型板的轨道板及底座位移响应更小,并且轨道-箱梁系统的竖向振动衰减更快,减振性能更优。另外,比较两种轨道结构条件下的高架箱梁结构噪声,CRTSⅢ型板段的箱梁噪声总声压级更小。但是,桥下远场点噪声峰值差异较小,峰值频率接近,均为31.5Hz左右;而桥下峰值频率差异较大,Ⅲ型板的峰值频率为63Hz,双块式则为20Hz。【结论】CRTSⅢ型板式无砟轨道更适合在高速铁路桥梁段使用。

基础变形诱发无砟轨道-桥梁系统关键构件变形累积与刚度突变的轨面解析表征

为探究高速铁路基础变形诱发无砟轨道-桥梁系统关键构件变形累积与刚度突变的轨面解析表征模式,针对高速铁路桥上双块式、单元板式、纵连板式无砟轨道结构特点,基于Castigliano第二定理和线性叠加原理,分别推导考虑关键构件刚度突变、限位构件参与度影响的三种无砟轨道结构轨面变形与基础变形间解析表征模型,通过试验、仿真和实测结果对其进行验证,并基于该模型分析桥梁变形、关键构件刚度突变及限位构件参与度等对无砟轨道-桥梁系统层间变形传递与联结接触的影响规律。研究表明:提出的模型与试验结果、仿真结果、轨检车实测数据吻合良好,验证该模型的正确性;三种无砟轨道在自重下均随桥梁发生“跟随性”变形,单元板对桥梁变形适应能力较强,纵连板抵御桥梁变形能力较强,但易形成大范围板底脱空,给行车带来安全隐患;桥墩沉降下,关键构件刚度突变只对突变区域内轨面变形有影响,扣件断条致纵连板轨面变形最大,单元板次之,双块式最小,砂浆离缝致纵连板在“下陷”区域轨面变形比单元板平缓,砂浆脱空致单元板“下陷”幅度小于纵连板;侧向挡块和剪切钢筋的参与对轨面变形贡献较小,而剪力齿槽的参与对轨面变形影响较大。

地铁扣件刚度对车致轨道-隧道振动影响分析

为揭示减振扣件动力性能参数对轨道-隧道振动特性的影响规律,对减振扣件轨道与一般非减振轨道的动力响应进行现场实测,对比分析两种类型轨道的钢轨、道床与隧道壁的振动特性,同时建立车辆-轨道耦合动力学仿真模型与轨道-隧道-大地有限元模型,进行不同扣件刚度下钢轨加速度导纳、轨道振动衰减率与隧道动力响应的影响分析。对比线上实测结果发现,减振扣件轨道中钢轨、道床与隧道壁的振动均明显减弱;减小扣件刚度对车体的振动响应无显著影响,钢轨的位移与加速度会随之增大;减小扣件刚度会增强钢轨的低频振动,但会减弱钢轨的高频振动;沿钢轨纵向1~50Hz频段的振动耗散更为迅速,500~1000Hz频段的振动更容易沿着钢轨纵向传播;减振扣件对50~200Hz频段隧道动力响应有明显影响,能有效降低隧道壁测点处振动响应6~8dB。

轨面短波不平顺对高架轨道结构振动影响分析

针对城市高架轨道进行减振降噪研究设计,需要了解轨面短波不平顺作用下轨道-桥梁系统的动力性能和振动响应的影响规律.用UM和ANSYS软件建立地铁B型车和32m高架简支箱梁模型,结合实测结果进行模型验证,使用实测上海地铁1号线轨面不平顺数据,预处理后输入车辆-轨道模型中计算时域轮轨垂向力.通过APDL语言编写do循环将轮轨力施加到箱梁桥钢轨上模拟车辆行进,计算60、70、80km/h3个速度下高架轨道各个部位振动响应,以轮轨力和箱梁1/2跨中钢轨,桥面板垂向振动加速度从时域、频域角度分析轨面短波不平顺对轨道-桥梁系统振动影响规律.结果表明,轨面短波不平顺作用下会产生波幅比较大的垂向轮轨力,随着行驶速度上升逐渐增大;钢轨加速度随着速度增大,增加幅度逐渐上升;3个速度对应钢轨振动最不利波长分别为2.0833、3.0864、3.5273cm,桥梁振动最不利波长分别为26.4550、30.8642、35.2734cm.

基于遗传优化聚类的GRU无损电力监测数据压缩

针对电力调度中心监测数据记录体量大、存储困难的问题,提出基于遗传优化K-means聚类的门控循环单元神经网络无损数据压缩方法。首先,搭建分布式集群,将多维原始电力数据聚类成相似性较高的数据块,并利用遗传算法对聚类进行寻优,提高数据聚类的效果;再通过门控循环单元神经网络训练数据编码的概率分布模型,结合算术编码对数据进行编码压缩;最后,以多个电力数据集为算例进行分析。经验证本文所提的压缩算法能实现数据的高比例压缩、优化集群性能。

配电网监测数据索引集群的分布缓存方法

针对配电网监测数据急剧增加导致配电网监控系统响应时间过长的问题,本文提出一种热点数据部分链表分布缓存方法。首先,引入缓存技术并分析原有热点数据链表缓存方法的局限性,提出一种新的缓存方法以提高缓存管理效率;然后,设计预热查询实现索引系统的热启动从而提高索引系统的缓存命中率;最后,以配电网监测数据为算例,验证所提方法的效果。测试结果表明,所提出的缓存方法及设计的预热查询能在不同查询条件下大幅减少索引集群的查询时间,有效提高配电网监测数据索引集群的查询效率。

基于振幅放大机制的无砟轨道周期结构弯曲波调控研究

【目的】轨道结构的振动一直是相关领域亟待研究和解决的问题。传统减隔振装置受到自身重量与列车行车安全性的限制,难以实现对轨道结构弯曲波的宽频调控。【方法】通过引入振幅放大机制,设计了一种杠杆式轨道综合减隔振装置。以CRTSⅢ型板式无砟轨道结构为研究对象,采用能量泛函变分法和人工弹簧技术建立了配置有轨道综合减隔振装置的周期性轨道结构波动分析模型和振动响应分析模型,研究了轨道综合减隔振装置对弯曲波的调控能力,并分析了轨道综合减隔振装置工作能力与振幅放大系数的关系。【结果】结果表明:采用振幅放大机制,能够有效增大减隔振装置的惯性质量,增强减隔振装置的阻尼特性和刚度特性,进而显著提升其工作能力。【结论】实现了轨道综合减隔振装置“低频隔振高频吸振”的超宽频弯曲波调控设计目标。

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。

有轨电车嵌入式轨道路基不均匀沉降限值研究

为确定有轨电车嵌入式轨道路基不均匀沉降的具体限值,根据多刚体动力学和有限单元法,建立考虑路基不均匀沉降的有轨电车车辆-嵌入式轨道-路基耦合动力学模型。详细分析在自重荷载作用下路基沉降幅值和波长对嵌入式轨道几何形态的影响规律,识别出对车辆和轨道结构动力响应较为敏感的路基沉降波长,并基于轨道板疲劳寿命得到路基不均匀沉降限值。研究结果表明:(1)在自重荷载作用下,余弦形路基不均匀沉降区域内钢轨的跟随性变形曲线也呈现为类余弦形,与普通扣件离散支承式无砟轨道的钢轨变形曲线基本相同;(2)随着沉降波长增加,车体垂向加速度和嵌入式轨道结构的动力响应均呈现先增加后减小的变化趋势;当路基沉降波长取10 m时,车体垂向加速度、钢轨动位移、轨道板动位移和轨道板弯曲应力都取得最大值,从而说明敏感路基沉降波长为10 m;(3)为保证有轨电车嵌入式轨道的60年服役年限,建议严格控制波长10 m以下的路基不均匀沉降,波长为20 m路基不均匀沉降对应的沉降幅值不应大于24 mm。

小半径曲线简支梁桥上有轨电车嵌入式轨道无缝线路研究

为研究小半径曲线简支梁桥上有轨电车嵌入式轨道无缝线路的力学特性,根据梁轨纵向和横向相互作用原理,采用有限元法建立三维曲线简支梁桥上嵌入式轨道无缝线路模型,详细分析了钢轨温度、曲线半径、高分子材料纵向阻力和横向刚度对钢轨和桥梁纵、横向受力和变形的影响规律。结果表明:(1)钢轨温度的增加会显著加剧伸缩工况中梁轨横向相互作用,故在进行小半径曲线桥上无缝线路设计时,需要考虑钢轨温度对桥墩横向受力的影响;(2)随着曲线半径的增加,钢轨伸缩力和梁轨纵向相对位移逐渐增加,梁轨横向相对位移和桥梁墩台横向受力则呈现整体减小的变化趋势;(3)当曲线半径大于300 m时,梁轨纵、横向相互作用与直线模型的计算结果逐渐趋于一致;(4)降低高分子材料纵向阻力可以显著减小桥梁墩台纵向和横向受力,对无缝线路力学特性而言,高分子材料横向刚度不是一个十分敏感的参数;(5)曲线半径对伸缩工况和断轨工况的影响较为显著,而对挠曲工况和制动工况的影响相对较小;(6)采用直线模型的计算结果进行钢轨强度和断缝值检算是偏安全的,但在检算小半径曲线地段桥梁墩台横向受力时需要采用曲线模型。

车辆-轨道非线性耦合系统显隐式求解算法的收敛性分析

针对车辆-轨道非线性耦合系统的动力学方程联立求解过程,将车辆和轨道分别考虑为2个子系统,通过2个子系统之间的位移协调和轮轨非线性接触力耦合,再结合显隐式积分格式,提出车辆-轨道非线性耦合系统的分离迭代和分离同步两种求解方法,通过算例验证了两种方法的正确性,并对两种求解方法的收敛性进行了对比分析。计算结果表明:显隐式分离迭代法和显隐式分离同步法的最大有效时间步长分别是0.5、0.1 ms;在时间步长较大时,采用Aitken加速法可以起到增强显隐式分离迭代法的计算稳定性的作用,但Aitken加速法的作用会随着时间步长的减小而变小;相同时间步长下显隐式分离同步法的计算效率要比显隐式分离迭代法高,但可以通过选用较大的时间步长来提高显隐式分离迭代法的计算效率。

地铁周期性轨道-隧道弯曲振动波传播特性研究

为探究地铁振源系统中弯曲振动波传播特性,将轨道-隧道模拟为Timoshenko梁-Timoshenko梁-Flügge复合双层圆柱薄壳耦合系统,并基于能量法和周期结构理论对其弯曲波带隙特性和振动响应特性开展分析。研究结果表明:在0~300 Hz范围内,耦合系统仅存在一条弯曲波带隙——0~46.4 Hz,为局域共振带隙,且主要受隧道质量和土体刚度影响;钢轨、道床板和隧道的振动导纳函数峰值依次为212、188和46 Hz,分别对应于钢轨-扣件子系统、道床板-等效支撑子系统及隧道-土体子系统的第一阶共振频率;钢轨、道床板和隧道的振动衰减区依次为0~142 Hz、0~73Hz和0~46 Hz。相关研究结论可为今后地铁结构的精细化减振设计及减振装备开发提供新的思路和理论指导。

中等减振梯形轨枕轨道结构关键设计参数

为研究中等减振梯形轨枕轨道的动力学特性,采用直接刚度法建立了车辆-梯形轨枕轨道-隧道垂向耦合动力学模型,分析了减振垫垂向静刚度和梯形轨枕厚度对钢轨、轨枕和隧道动力响应的影响。结果表明:当减振垫静刚度在15~30 kN/mm时,减振效果均达到了中等减振要求,梯形轨枕减振垫的垂向静刚度可以根据环境敏感点的具体振动超标量进行选取;与普通整体道床相比,当梯形轨枕的板中减振垫垂向静刚度为25 kN/mm时,梯形轨枕在40 Hz以上的频率范围具有较好的减振效果;增加梯形轨枕厚度可以降低钢轨和轨枕的垂向位移,并通过增加参振质量的方式提高减振性能;当梯形轨枕厚度从0.15 m增至0.35 m时,钢轨垂向位移、轨枕垂向位移和隧道垂向加速度减小幅度达7.73%、和6.82%和18.18%;中等减振梯形轨枕轨道与普通整体道床衔接时,需要在梯形轨枕铺设段设置3块5.8 m过渡梯形轨枕,过渡梯形轨枕的减振垫静刚度应优先按照三级刚度过渡方案进行选取。

基于BIM技术的轨道工务运维智慧信息平台研发

【目的】为推动轨道工务运维信息化、智慧化,提高检修效率,【方法】基于Revit二次开发和Unity3D平台,研发了铁路轨道工务运维智慧信息平台。平台采用数据层、应用层和界面层三层构架,集成了人机交互、运维信息管理和技术信息查阅三大模块,可实现AR扫描、BIM模型漫游展示、复杂设施拆装作业动画模拟、轨道几何形位波形图绘制、TQI值计算、检修记录查阅、技术规章和CAD图纸查询等功能,具有实用性高、便携性好、可操作性强的特点。【结果】经工务现场应用测试,平台性能良好,各功能均稳定运行,达到了研发预期目的。【结论】平台的构建和研发为推动铁路轨道工务运维信息化、智慧化提供了一种新思路。

基于决策树模型的轨道服役状态预警研究

随着高速铁路服役时间的增加,各类轨道病害不断发生,尤其是高温天气引起无砟轨道结构服役状态持续劣化,出现严重结构伤损问题。以工程应用为导向,建立可靠的轨道结构服役状态预警模型,提出判别服役状态的预警方法,是实现铁路运输安全生产的重要保障措施之一。本文通过在某线路搭建服役环境和轨道板温度在线监测系统,将温度梯度出现概率等于0.3%时的取值作为轨道板温度梯度预警限值,基于人工智能算法决策树模型进行轨道结构服役状态预警研究。研究结果表明:(1)采用决策树模型可以有效预测轨道结构服役状态,实现轨道板温度梯度的质量等级划分;(2)轨道服役状态预警结果准确性与样本数量密切相关,丰富监测样本数据库,将会更全面精准地预测轨道结构异常状态,以便保障轨道养护维修的及时性。