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随着我国城市交通体系的发展和人民生活水平的日益提高,减振降噪成为了近年来城市轨道交通中的热点问题。钢弹簧浮置板是目前城市轨道交通中应用最为广泛,效果最受认可的减振结构,其减振机理是由浮置板提供质量,由底部隔振器内的钢弹簧提供刚度,钢弹簧在隔振器阻尼液内来回振动消耗能量产生阻尼,从而达到减振隔振的目的。
目前国内外关于减振降噪的研究大多集中在轮轨接触和浮置板整体振动理论方面,关于钢弹簧浮置板减振机理方面的深入研究较少。为了分析钢弹簧浮置板轨道的振动特性,有必要对钢弹簧的阻尼特性进行深入研究。
本文首先对单自由度钢弹簧振动系统进行室内锤击试验,归纳阻尼比的理论计算及测试方法,并且分析了温度对单自由度隔振器振动系统的影响。结果发现,不同种类的隔振器阻尼比随温度的变化规律不尽相同:A型隔振器阻尼比随温度变化呈现较强的规律性,而B型隔振器则没有表现出阻尼比与温度的相关性。选取温度敏感性较强的A型隔振器进行拟合分析,发现A型隔振器组成的单自由度振动系统的阻尼比随着温度的上升呈线性下降趋势。根据隔振器阻尼的产生机理,猜想不同种类隔振器表现出来的温度敏感性差异是由所用阻尼液性质差异造成的。为了证实这种假设和进一步研究阻尼比随温度变化的机理,对两种隔振器内的阻尼液进行DSR(Dynamic Shear Rheological Test)剪切粘度试验。试验结果发现,A型隔振器阻尼液的剪切粘度随着温度上升逐渐下降,B型隔振器阻尼液在各温度下难以获得稳定的剪切粘度值。由此说明,阻尼液的剪切粘度是隔振器阻尼比的关键参数。接下来本文基于简化的流固耦合理论建立了单个钢弹簧隔振器振动方程,并使用此方程进一步分析了结构质量、刚度、阻尼液粘度、以及隔振器内筒几何尺寸对钢弹簧隔振器阻尼比的影响规律。由此,本文完成了对隔振器阻尼产生机理的研究分析。
接下来文章分析了隔振器阻尼对钢弹簧浮置板轨道振动特性的影响,以期找出特定情况下最合适的隔振器阻尼值。该部分研究分为试验和仿真两个部分。试验部分,介绍了目前常用的落轴冲击试验方法,测试了试验用浮置板轨道的阻尼比,并且对有无隔振器两种轨道的隔振效果进行了评价。仿真部分,建立了有无隔振器两种浮置板轨道三联板有限元模型,正式计算前,分析了有限元模型中的材料阻尼参数和Rayleigh阻尼参数设置对计算结果的影响,确定了最适用的阻尼参数设置方法。正式计算部分,首先采用瞬态分析,考虑单个转向架荷载冲击作用,分析了隔振器阻尼对单次冲击振动时钢轨、浮置板和基层的振动衰减和幅值的影响。结果表明,钢轨、浮置板和基层的振动衰减时间都随着隔振器阻尼比的增加而逐渐缩短,钢轨和浮置板的振动幅值随着隔振器阻尼比的增加逐渐减小,基层的振动幅值随着隔振器阻尼比的增加有轻微的增加趋势。考虑到实际跑车时轨道上某固定点在时域内受多个车轮叠加冲击作用,对不同车速、不同隔振器阻尼的工况进行了列车跑车荷载作用下的叠加振幅进行了分析。结果表明,隔振器阻尼越小,叠加振幅的影响越大:隔振器阻尼比0.01时,车速80km/h的叠加振幅比单次车轮冲击增幅达到了86.90%。对浮置板轨道各层的加速度振级进行分析,发现仿真结果与实际落轴测试结果较为相符,隔振器对钢轨和浮置板的加速度振级没有明显影响,但是基层的加速度振级插入损失随着隔振器阻尼的增加逐渐增加。总体来说,钢轨叠加振幅和基层加速度插入损失均随着隔振器阻尼比的增加而逐渐减小,隔振器的选用应在控制钢轨叠加振幅不超过限制的条件下,尽量选用阻尼比较小的隔振器,以保证浮置板轨道的良好隔振效果。
为了分析钢弹簧浮置板在不同频段的振动幅值以及隔振效果,确定不同频段内适用的隔振器阻尼比,对建立的三联板钢弹簧模型进行各阻尼比工况下的谐响应分析。结果表明,基层的位移导纳和加速度导纳均随着隔振器阻尼的增加而减小。对频域内的基层加速度插入损失进行分析,发现在60Hz以下的频率范围内,隔振器阻尼对浮置板轨道的隔振效果影响不明显;60Hz共振处,隔振器阻尼比越大,基层加速度插入损失越大;在60-200Hz频段内,隔振器阻尼比越小,基层加速度插入损失越大。
总体来说,文章前半部分研究针对钢弹簧隔振器展开研究,为其阻尼比设计提供理论指导;文章后半部分对钢弹簧隔振器在轨道中的动力响应展开研究,提出钢弹簧隔振器的阻尼比地选取应根据实际荷载条件和主要工作频段选取。在本文冲击荷载工况下,认为选取0.11左右能最有效地兼顾轨道减振和隔振的要求,较为合理。
目前国内外关于减振降噪的研究大多集中在轮轨接触和浮置板整体振动理论方面,关于钢弹簧浮置板减振机理方面的深入研究较少。为了分析钢弹簧浮置板轨道的振动特性,有必要对钢弹簧的阻尼特性进行深入研究。
本文首先对单自由度钢弹簧振动系统进行室内锤击试验,归纳阻尼比的理论计算及测试方法,并且分析了温度对单自由度隔振器振动系统的影响。结果发现,不同种类的隔振器阻尼比随温度的变化规律不尽相同:A型隔振器阻尼比随温度变化呈现较强的规律性,而B型隔振器则没有表现出阻尼比与温度的相关性。选取温度敏感性较强的A型隔振器进行拟合分析,发现A型隔振器组成的单自由度振动系统的阻尼比随着温度的上升呈线性下降趋势。根据隔振器阻尼的产生机理,猜想不同种类隔振器表现出来的温度敏感性差异是由所用阻尼液性质差异造成的。为了证实这种假设和进一步研究阻尼比随温度变化的机理,对两种隔振器内的阻尼液进行DSR(Dynamic Shear Rheological Test)剪切粘度试验。试验结果发现,A型隔振器阻尼液的剪切粘度随着温度上升逐渐下降,B型隔振器阻尼液在各温度下难以获得稳定的剪切粘度值。由此说明,阻尼液的剪切粘度是隔振器阻尼比的关键参数。接下来本文基于简化的流固耦合理论建立了单个钢弹簧隔振器振动方程,并使用此方程进一步分析了结构质量、刚度、阻尼液粘度、以及隔振器内筒几何尺寸对钢弹簧隔振器阻尼比的影响规律。由此,本文完成了对隔振器阻尼产生机理的研究分析。
接下来文章分析了隔振器阻尼对钢弹簧浮置板轨道振动特性的影响,以期找出特定情况下最合适的隔振器阻尼值。该部分研究分为试验和仿真两个部分。试验部分,介绍了目前常用的落轴冲击试验方法,测试了试验用浮置板轨道的阻尼比,并且对有无隔振器两种轨道的隔振效果进行了评价。仿真部分,建立了有无隔振器两种浮置板轨道三联板有限元模型,正式计算前,分析了有限元模型中的材料阻尼参数和Rayleigh阻尼参数设置对计算结果的影响,确定了最适用的阻尼参数设置方法。正式计算部分,首先采用瞬态分析,考虑单个转向架荷载冲击作用,分析了隔振器阻尼对单次冲击振动时钢轨、浮置板和基层的振动衰减和幅值的影响。结果表明,钢轨、浮置板和基层的振动衰减时间都随着隔振器阻尼比的增加而逐渐缩短,钢轨和浮置板的振动幅值随着隔振器阻尼比的增加逐渐减小,基层的振动幅值随着隔振器阻尼比的增加有轻微的增加趋势。考虑到实际跑车时轨道上某固定点在时域内受多个车轮叠加冲击作用,对不同车速、不同隔振器阻尼的工况进行了列车跑车荷载作用下的叠加振幅进行了分析。结果表明,隔振器阻尼越小,叠加振幅的影响越大:隔振器阻尼比0.01时,车速80km/h的叠加振幅比单次车轮冲击增幅达到了86.90%。对浮置板轨道各层的加速度振级进行分析,发现仿真结果与实际落轴测试结果较为相符,隔振器对钢轨和浮置板的加速度振级没有明显影响,但是基层的加速度振级插入损失随着隔振器阻尼的增加逐渐增加。总体来说,钢轨叠加振幅和基层加速度插入损失均随着隔振器阻尼比的增加而逐渐减小,隔振器的选用应在控制钢轨叠加振幅不超过限制的条件下,尽量选用阻尼比较小的隔振器,以保证浮置板轨道的良好隔振效果。
为了分析钢弹簧浮置板在不同频段的振动幅值以及隔振效果,确定不同频段内适用的隔振器阻尼比,对建立的三联板钢弹簧模型进行各阻尼比工况下的谐响应分析。结果表明,基层的位移导纳和加速度导纳均随着隔振器阻尼的增加而减小。对频域内的基层加速度插入损失进行分析,发现在60Hz以下的频率范围内,隔振器阻尼对浮置板轨道的隔振效果影响不明显;60Hz共振处,隔振器阻尼比越大,基层加速度插入损失越大;在60-200Hz频段内,隔振器阻尼比越小,基层加速度插入损失越大。
总体来说,文章前半部分研究针对钢弹簧隔振器展开研究,为其阻尼比设计提供理论指导;文章后半部分对钢弹簧隔振器在轨道中的动力响应展开研究,提出钢弹簧隔振器的阻尼比地选取应根据实际荷载条件和主要工作频段选取。在本文冲击荷载工况下,认为选取0.11左右能最有效地兼顾轨道减振和隔振的要求,较为合理。