地铁曲线减振地段钢轨波磨动力影响与整治方法研究

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钢轨波磨是目前轮轨交通系统中仍存在的严重问题之一,其不仅会影响列车运行过程中正常的轮轨作用关系,导致车辆与轨道结构发生激烈振动,而且会产生严重的车内噪声,影响列车运行的安全性和舒适性。因此开展地铁曲线减振地段钢轨波磨动力影响与整治方法研究,探究钢轨波磨产生的原因,为既有线和新建线路钢轨波磨的治理和预防提供参考和依据。本文针对实际地铁线路,现场测试钢轨波磨特征、地铁车内噪声和轨道动态响应,并基于现场测试结果建立谐响应分析模型和车辆-轨道系统动力学模型,研究钢轨波磨特征及引起车内噪声,钢轨波磨影响分析,轨道结构特性与钢轨异常波磨关系以及钢轨波磨激励对车辆-轨道系统动态响应影响,并提出钢轨波磨整治方法。主要研究成果及结论如下所示:(1)开展了现场钢轨波磨特征和地铁车内噪声测试,揭示线路钢轨波磨特征以及地铁车内噪声、轮轨振动和钢轨波磨特征关系。不同曲线半径的钢轨波磨严重程度不一,主波长存在一定差异,主要波长基本上在30~63mm范围内;随着曲线半径的减小,钢轨波磨越来越严重;从里程上看,外轨钢轨波磨表现出一定滞后的特点。列车振动频率与车内噪声显著频率相吻合,轮轨振动对地铁车内噪声影响较大;地铁车内噪声和钢轨不平顺曲线走势基本一致,波长为30~63mm钢轨波磨引起的轮轨振动噪声是线路A车内噪声异常的显著原因。(2)基于现场动态测试,对比未出现严重波磨线路与研究线路的动态响应,并基于轨道结构振动理论,研究轨道结构参数与钢轨异常波磨的内在联系。与未出现异常波磨线路相比,轮轨横垂向力分别增加20.8%、5.4%;钢轨的横垂向位移分别增加14.3%、7.8%,轨距保持能力较弱,导致无法起到对钢轨的振动进行有效约束的作用,轮轨间产生更剧烈的非正常接触。钢轨波磨与轨道结构振动存在一定联系,短轨枕整体道床轨道波磨特征表现为频率固定型;轨道结构在400Hz左右的垂横向振动以及800Hz左右的横向振动是导致该地段主波长63mm、30mm波磨出现的重要原因。(3)建立轨道结构谐响应分析模型,分析不同轨道结构参数对短枕式整体道床轨道结构振动特性的影响,探讨轨道结构的固有特性与钢轨波磨的关系。通过白噪声激励和模态分析结合,说明轨道结构在350~450Hz、700~800Hz的振动是现场波长30mm、63mm左右的钢轨波磨产生的原因。调节扣件刚度使轨道结构的共振频率逐渐增大且远离异常波磨通过频率,可以抑制主波长为63mm左右的钢轨异常波磨。增加扣件阻尼可以控制轨道结构共振的响应峰值,扩大轮轨振动能量在轨道结构的耗散范围、增大耗散速度,抑制63mm、30mm左右的异常钢轨波磨。调整轨枕间距对特定频率处钢轨波磨的产生和发展具有较大的影响,可以有效控制轨道结构400Hz、800Hz左右振动频率。调整地基刚度对轨道结构的共振频率基本不变,地基刚度的变化对轨道动态响应的抑制作用影响较小。(4)建立的车辆-轨道耦合动力学模型,分析钢轨波磨特征和轨道结构参数对轮对、构架和车体的振动响应的影响。钢轨波磨的波长越短、波深越大对机车的运行影响越大,其中波长是动力学性能和安全指标的主要影响因素。随着曲线半径的增大,车辆构件垂向加速度减少,轮轨力变化幅度越大,且轮轨接触点范围逐渐增大,轮轨型面会产生均匀且分布较广的磨耗。随着列车通过速度的提高,轮轨垂横向力、轮轴横向力均逐渐增大,不同运行速度条件下产生的响应频率存在差异。在不匹配的超高条件下,单侧轮轨作用发生增大,轮轨冲击越来越剧烈,内外侧钢轨与车轮磨耗程度出现差异,导致钢轨波磨会从单侧产生。(5)基于现场测试和仿真分析计算结果,提出钢轨波磨整治方法:通过更换扣件调整轨道刚度,间接调整钢轨振动模态,改善轮轨高频共振现象;调整轨道几何状态,轨道恢复原设计要求,配合钢轨打磨,提高轨道平顺性,改善轮轨关系。整治方法使显著频率发生改变,远离轨道结构共振频率,峰值能量点频率也发生降低,有效抑制在显著频率下的轮轨相互作用,改造和钢轨打磨后地铁车内噪声分别整体降低7.74dB(A)和8.28dB(A),治理效果明显。图109幅,表27个,参考文献120篇。
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