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扣件胶垫频变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动影响

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北京交通大学学报 2022年第4期46卷 95-104页

作者：崔巍涛刘林芽秦佳良华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心南昌330013

为了研究扣件胶垫频变特性对车辆、轨道和桥梁振动的影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验,结合温频等效原理、WLF方程与FVMP模型,预测和表征了扣件的宽频动力特性,并将FVMP模型代入建立的车辆-轨道-桥... 详细信息

为了研究扣件胶垫频变特性对车辆、轨道和桥梁振动的影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验,结合温频等效原理、WLF方程与FVMP模型,预测和表征了扣件的宽频动力特性,并将FVMP模型代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明:扣件动参数对频率有明显的依赖性,采用FVMP模型可以在宽频范围准确描述其动态力学性能.考虑扣件胶垫的频变特性时,从时域响应来看,轮轨力、扣件力、钢轨加速度、钢轨位移、轨道板位移和桥梁加速度明显增大,其中轮轨力和扣件力峰值分别增大9.53%和4.80%.从频域响应来看,扣件胶垫频变特性主要对结构的中高频振动产生影响,钢轨在整个中高频振动明显加剧,轨道板和桥梁在轮轨耦合系统的固有频率63 Hz附近处振动明显增大.因此,为提高预测的精度,在车辆-轨道-桥梁的振动响应求解时有必要考虑扣件胶垫的频变特性.

关键词：扣件胶垫 FVMP模型动参数频变耦合振动 1/3倍频程

扣件胶垫黏弹性对铁路桥梁振动与结构噪声的影响研究

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扣件胶垫黏弹性对铁路桥梁振动与结构噪声的影响研究

作者：崔巍涛华东交通大学

学位级别：硕士

近年来我国高速铁路和城市轨道交通快速发展,轨道交通高架桥由于高平顺性、高稳定性、较少的沉降量和节约用地得到了广泛应用,其在促进地区政治经济发展和方便人民出行的同时,也不可避免地带来了振动和噪声问题。无砟轨道取消了弹性的道... 详细信息

近年来我国高速铁路和城市轨道交通快速发展,轨道交通高架桥由于高平顺性、高稳定性、较少的沉降量和节约用地得到了广泛应用,其在促进地区政治经济发展和方便人民出行的同时,也不可避免地带来了振动和噪声问题。无砟轨道取消了弹性的道砟,轨道结构的弹性主要由扣件系统中的橡胶垫板提供,其在缓解列车冲击、减轻振动方面发挥重要作用。扣件胶垫属于黏弹性阻尼材料,具有明显的温频变特性,表现为其动态力学参数会随温度和荷载频率非线性变化。而在以往研究中,扣件系统常采用线性Kelvin-Voigt（KV）模型,不能反映扣件胶垫随温度和频率变化的黏弹动态特性,进而导致桥梁振动和结构噪声的预测结果不够准确。本文的研究目的就是揭示高速铁路扣件胶垫黏弹动态力学特性的变化规律,探明扣件胶垫黏弹性对车辆-轨道-桥梁耦合系统振动与桥梁结构噪声的影响规律,为桥梁振动与结构噪声控制研究提供理论支持与技术指导。本文首先采用动态热机械分析仪测试了中国高速铁路无砟轨道常用的WJ-7B型扣件胶垫在加载频率2 Hz、温度-60℃～40℃范围内其储能刚度、耗能刚度和损耗因子随温度的变化曲线。然后基于橡胶高分子材料的温频等效原理和Williams-Landel-Ferry（WLF）方程预测了不同温度下扣件胶垫的宽频（1～10000 Hz）动态力学性能。最后,采用高阶分数导数Fraction Voigt and Maxwell model in Parallel（FVMP）模型对扣件胶垫动态力学性能进行表征,得到高阶分数导数FVMP模型的具体参数。结果表明:扣件胶垫具有明显的低温敏感性和高温稳定性;扣件胶垫黏弹性表现为动参数的温频变特性,刚度与频率正相关,与温度负相关,阻尼与频率和温度均负相关,阻尼在1～100 Hz内变化明显,在100 Hz以上变化较小;扣件动参数测试值与高阶分数导数FVMP模型拟合值吻合良好,采用高阶分数导数FVMP模型可以准确描述扣件胶垫在宽温宽频下的动态黏弹性力学行为。之后,基于轮轨动力学理论,推导了高阶分数导数FVMP模型应用到车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学的计算公式,利用MATLAB编制了考虑扣件胶垫黏弹性的车辆-轨道-桥梁耦合系统振动分析模型,并采用新型显式积分法求解,进而分析扣件胶垫黏弹性对车辆、轨道和桥梁结构振动的影响。结果表明:（1）考虑扣件频变特性时,从时域响应来看,轮轨力、钢轨位移、钢轨加速度和桥梁加速度明显增大,轨道板加速度有所减小。从频域响应来看,轮轨力在低频基本无变化,在40～80 Hz明显增大,在80～250 Hz减小。其中轮轨力在63 Hz附近出现峰值,这是因为车轨耦合系统的固有频率处于该范围,说明扣件频变特性会更明显揭示中高频段轮轨耦合系统共振的事实。扣件胶垫的频变特性对桥梁结构振动响应的影响主要存在于中高频段内,钢轨在整个中高频振动明显加剧,轨道板和桥梁在车轨耦合系统的固有频率处振动明显增大。（2）在考虑扣件频变特性基础上同时考虑扣件胶垫的温变特性时,从时域响应来看,随着温度的降低,轮轨力、轨道板加速度和桥梁加速度有所增大,钢轨加速度、钢轨位移有所减小。从频域响应来看,轮轨力、轨道板和桥梁振动均在小于63 Hz时随温度降低而减小,在大于63Hz时随温度的降低而增大,这是因为在桥梁峰值频率63 Hz以下扣件阻尼随温度变化明显占主导地位,阻尼增大导致桥梁结构振动响应减弱,在桥梁峰值频率63 Hz以上扣件刚度随温度变化明显占主导地位,刚度增大导致桥梁结构振动加剧。最后,提取考虑了扣件胶垫黏弹性的扣件力,将其代入建立的箱型梁振动与结构噪声预测有限元-边界元模型,并与KV模型对比来分析扣件胶垫黏弹性对箱梁振动和结构噪声的影响。结果表明:仅考虑扣件胶垫频变特性时,桥梁在25～63 Hz振动加剧,在80～200 Hz振动减弱,在峰值频率63 Hz处顶板、腹板和底板的加速度振级分别增大5.62、0.91和2.94 d B,桥梁横桥向各板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射明显增大;同时考虑扣件胶垫温变与频变特性时,随着温度的降低,桥梁在31.5～50.0 Hz振动不断减小,在63～200 Hz振动不断增大,桥梁横桥向在顶板斜上方、腹板和底板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射减小,温度从20℃降到-20℃时,总体声压级最大降低了2d B左右。忽略扣件胶垫黏弹性会导致桥梁振动和结构噪声预测产生偏差,仿真分析时应考虑扣件胶垫的黏弹性,以提高预测的准确性。

关键词：扣件胶垫黏弹性车辆-轨道-桥梁耦合动力学有限元-边界元法结构噪声

扣件胶垫刚度的温变性对轮轨耦合随机频响特征的影响

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铁道学报 2016年第1期38卷 111-116页

作者：韦凯周昌盛王平张攀西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

以我国地铁扣件中常用的热塑性聚氨酯胶垫、氯丁胶垫以及三元乙丙胶垫为研究对象,利用配备温度箱的万能试验机,测取-40~70℃温度环境中3类胶垫的静刚度。运用车辆-轨道耦合系统随机振动分析模型,计算分析不同温度环境下扣件胶垫温变刚... 详细信息

以我国地铁扣件中常用的热塑性聚氨酯胶垫、氯丁胶垫以及三元乙丙胶垫为研究对象,利用配备温度箱的万能试验机,测取-40~70℃温度环境中3类胶垫的静刚度。运用车辆-轨道耦合系统随机振动分析模型,计算分析不同温度环境下扣件胶垫温变刚度对轮轨系统随机振动频响特征的影响规律,据此评价3类扣件胶垫的温度敏感性。研究结果表明:3类扣件胶垫静刚度随温度的变化呈非线性的变化趋势,对20℃以下的低温均比较敏感,其中氯丁胶垫最为敏感,聚氨酯与三元乙丙胶垫的低温敏感度相近;在20℃以上的高温区,聚氨酯胶垫静刚度略有上升,氯丁与三元乙丙胶垫静刚度随温度的升高而缓慢下降,3类扣件胶垫静刚度在高温区的变化幅度均较小,具有良好的高温稳定性;扣件胶垫温变刚度主要影响中心频率31.5Hz以上的车辆与中心频率63 Hz附近的钢轨竖向随机振动响应,20^-40℃温降环境的影响远大于20~70℃的温升情况。

关键词：扣件胶垫刚度温变车辆-轨道耦合动力学随机振动

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扣件胶垫刚度频变的钢轨垂向自振特征分析

铁道学报 2016年第6期38卷 79-85页

作者：韦凯张攀梁迎春王平西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

本文以地铁DT VI2型扣件的热塑性聚氨酯弹性体(TPEE)胶垫为例,开展扣件胶垫动参数的频变试验,结合国外相关试验成果,提出反映扣件胶垫刚度频变特征的经验公式。据此计算分析扣件胶垫频变刚度与常量刚度工况下的钢轨垂向自振特征。研究表... 详细信息

本文以地铁DT VI2型扣件的热塑性聚氨酯弹性体(TPEE)胶垫为例,开展扣件胶垫动参数的频变试验,结合国外相关试验成果,提出反映扣件胶垫刚度频变特征的经验公式。据此计算分析扣件胶垫频变刚度与常量刚度工况下的钢轨垂向自振特征。研究表明:TPEE胶垫的复刚度、损耗因子与储能刚度总体上随激振频率的增加而增大,TPEE胶垫刚度在实际工作中并非常量;如果扣件胶垫刚度具有明显的频变性,只有当外部激振频率fi与该激振频率下扣件胶垫刚度ki的钢轨-扣件系统某阶固有频率相同时,该阶固有频率才是钢轨-扣件系统的敏感共振频率;在前50阶自振中,扣件胶垫刚度频变的钢轨垂向敏感共振频率明显高于扣件胶垫常量刚度工况,随着阶数的增加,两工况中相同阶数下敏感共振频率的差距逐渐缩小;在敏感共振频率基本一致的情况下,扣件胶垫刚度频变的钢轨垂向敏感共振波长明显大于扣件胶垫常量刚度工况。因此,不考虑扣件胶垫刚度的频变特征必然会降低钢轨垂向敏感共振频率及其振型的预测精度。

关键词：扣件胶垫复刚度损耗因子频变性钢轨模态分析

扣件胶垫刚度的频变性对地铁隧道环境振动的影响

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铁道学报 2015年第4期37卷 80-86页

作者：韦凯杨帆王平肖军华高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031 南京工业大学交通学院江苏南京210009

结合车辆-轨道耦合动力学及有限元谱分析技术,提出考虑扣件胶垫刚度频变特性的地铁隧道环境振动频域求解法。在理论与实测结果对比验证的基础上,探讨扣件胶垫刚度频变对地铁隧道环境振动频域分布特征的影响规律。结果表明:建立的地铁隧... 详细信息

结合车辆-轨道耦合动力学及有限元谱分析技术,提出考虑扣件胶垫刚度频变特性的地铁隧道环境振动频域求解法。在理论与实测结果对比验证的基础上,探讨扣件胶垫刚度频变对地铁隧道环境振动频域分布特征的影响规律。结果表明:建立的地铁隧道环境振动频域求解法及其参数选取方法基本合理,并且在频域范围内有较好的预测精度;在地铁隧道环境振动中心频率25Hz以下,胶垫刚度频变的影响低于0.3dB,可不予考虑,但是频变的胶垫刚度会显著影响中心频率25Hz以上的近场地面高频振动响应,不仅影响其频域幅值大小,还将改变其频域分布;随着地铁轨道不平顺的持续恶化,如不考虑胶垫刚度的频变特性,仅提高胶垫刚度易导致地铁环境振动低频与高频预测结果出现顾此失彼的现象。

关键词：地铁隧道环境振动扣件胶垫刚度频变

扣件胶垫黏弹性对铁路箱梁振动与结构噪声的影响

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交通运输工程学报 2021年第3期21卷 134-145页

作者：刘林芽崔巍涛秦佳良刘全民宋立忠华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心江西南昌330013

以高速铁路WJ-7B型扣件胶垫为研究对象,通过动态力学性能试验测试了扣件胶垫在不同温度下的动力性能;结合温频等效原理、Williams-Landel-Ferry方程和高阶分数导数FVMP模型表征了扣件胶垫的黏弹性力学特性;将该模型代入建立的桥梁振动... 详细信息

以高速铁路WJ-7B型扣件胶垫为研究对象,通过动态力学性能试验测试了扣件胶垫在不同温度下的动力性能;结合温频等效原理、Williams-Landel-Ferry方程和高阶分数导数FVMP模型表征了扣件胶垫的黏弹性力学特性;将该模型代入建立的桥梁振动与结构噪声预测有限元-边界元模型,并与Kelvin-Vogit模型对比来分析扣件胶垫黏弹性对箱梁振动和结构噪声的影响。研究结果表明:扣件胶垫黏弹性表现为动参数的温频变特性,刚度与频率正相关,与温度负相关,阻尼与频率和温度均负相关,阻尼在1~100 Hz内变化明显,在100 Hz以上变化较小;扣件动参数测试值与高阶分数导数FVMP模型拟合值吻合良好,采用高阶分数导数FVMP模型可以准确描述扣件在宽温宽频下的动态黏弹性力学行为;仅考虑扣件胶垫频变特性时,桥梁在25~63 Hz振动加剧,在80~200 Hz振动减弱,在峰值频率63 Hz处顶板、腹板和底板的加速度振级分别增大5.62、0.91和2.94 dB,桥梁横桥向各板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射明显增大;同时考虑扣件胶垫温变与频变特性时,随着温度的降低,桥梁在31.5~50.0 Hz振动不断减小,在63~200 Hz振动不断增大,桥梁横桥向在顶板斜上方、腹板和底板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射减小,温度从20℃降到-20℃时,总体声压级最大降低了2 dB左右;忽略扣件胶垫黏弹性会导致桥梁振动和结构噪声预测产生偏差,仿真分析时应考虑扣件胶垫的黏弹性,以提高预测的准确性。

关键词：铁道工程扣件胶垫高阶分数导数FVMP模型温变特性频变特性有限元-边界元法结构噪声

扣件胶垫温变特性对车辆−轨道−桥梁耦合振动响应的影响研究

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铁道科学与工程学报 2021年第10期18卷 2561-2571页

作者：崔巍涛刘林芽秦佳良左志远华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心江西南昌330013

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆−轨道−桥梁耦合振动时域模型中进行分析。研究结果表明:扣件的动... 详细信息

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆−轨道−桥梁耦合振动时域模型中进行分析。研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著。从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小。从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大。钢轨在8~100 Hz范围内振动减弱,在125~315 Hz振动加剧,轨道板在80~400 Hz振动加剧,桥梁在80~250 Hz振动加剧。

关键词：扣件胶垫动参数温变车-轨-桥耦合振动动力响应 1/3倍频程

扣件胶垫频变动力性能对钢轨垂向振动特性影响分析

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铁道科学与工程学报 2019年第4期16卷 892-899页

作者：王绍华韦凯杨敏婕胡小刚西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

利用配有温度箱的万能力学试验机,结合温频等效原理与WLF方程的分数阶Zener模型,测试与表征Vossloh300钢轨扣件弹性垫板随频率非线性变化的黏弹性动力性能,并基于有限元方法研究考虑胶垫频变特性对钢轨垂向振动及传递衰减的影响规律。... 详细信息

利用配有温度箱的万能力学试验机,结合温频等效原理与WLF方程的分数阶Zener模型,测试与表征Vossloh300钢轨扣件弹性垫板随频率非线性变化的黏弹性动力性能,并基于有限元方法研究考虑胶垫频变特性对钢轨垂向振动及传递衰减的影响规律。研究结果表明:在双对数坐标系下,扣件胶垫刚度和阻尼系数与频率近似呈线性正相关和负相关。胶垫阻尼频变主要增强中低频范围内的钢轨垂向振动,并能激发出钢轨1阶垂向共振频率;胶垫刚度频变能更准确预测钢轨1阶垂向共振频率;而胶垫频变特性对钢轨pinned-pinned共振频率无影响。考虑胶垫频变特性后,在1阶垂向共振频率以下,钢轨振动在激振点附近快速衰减,超过该频率钢轨振动主要沿钢轨纵向衰减。

关键词：扣件胶垫频变特性钢轨振动位移导纳衰减率

扣件胶垫动态幅频变特性对高速轮轨动力响应的影响研究

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扣件胶垫动态幅频变特性对高速轮轨动力响应的影响研究

作者：刘子煊西南交通大学

学位级别：硕士

钢轨扣件系统中的弹性橡胶垫板,是无砟轨道结构中具有弹性和阻尼性能的重要组成部件,其动态力学性能对车辆与轨道系统振动以及轮轨间相互作用都有重要的影响。已知表征弹性橡胶垫板动态力学性能的基本参数随温度、频率变化,且与应变幅... 详细信息

钢轨扣件系统中的弹性橡胶垫板,是无砟轨道结构中具有弹性和阻尼性能的重要组成部件,其动态力学性能对车辆与轨道系统振动以及轮轨间相互作用都有重要的影响。已知表征弹性橡胶垫板动态力学性能的基本参数随温度、频率变化,且与应变幅值有关,因此,研究温度、频率、振幅对无砟轨道扣件系统中弹性垫板的动态力学性能的影响规律,进而分析其对轮轨系统随机振动响应,尤其是对高频振动的影响具有重要意义。本文首先以350km/h时速无砟轨道系统中使用较多的Vossloh 300型扣件为测试对象,结合了非线性摩擦力模型的相关知识,设计了非线性摩擦力模型参数识别试验和定频变温试验,得到非线性摩擦力模型计算参数后,实测分析了在-60℃～20℃范围内考虑与不考虑摩擦力(幅变特性)后扣件胶垫储能刚度与损耗因子随温度的变化规律,结果表明:随温度降低,摩擦力对扣件胶垫储能刚度与损耗因子的影响均减小,但是摩擦力对损耗因子的影响要远大于对储能刚度的影响。结合温频等效原理,得到扣件胶垫储能刚度与损耗因子随频率的变化规律,结果表明:随着频率升高,摩擦力对储能刚度与损耗因子的影响减小,但摩擦力对损耗因子的影响大于对储能刚度的影响。对分数阶Zener模型的时域本构关系式进行变换,推导出频域内储能刚度和损耗因子的表达式,分别对考虑与不考虑摩擦力下频域内扣件胶垫储能刚度和损耗因子的变化曲线进行拟合,得到分数阶Zener模型的计算参数。基于轮轨动力学的理论基础,推导出非线性摩擦力模型与分数阶Zener模型应用到车辆-轨道垂向系统耦合动力学中的计算公式,分析了扣件胶垫幅频变特性对车轨垂向耦合系统时域动力响应的影响规律,结果表明:(1)扣件胶垫的动态幅频变特性对行车安全性影响很大,考虑扣件胶垫的频变特性后轮重减载率大幅增大,考虑幅变特性后可适当减小轮重减载率最大值;(2)扣件胶垫的频变特性能明显增大轮轨间相互作用,幅变特性的存在能适当减小轮轨相互作用幅度;(3)扣件胶垫的动态幅变特性和动态频变特性对行车平稳性的影响均很小,可忽略不计;(4)非线性摩擦力模型中关键参数x减小和Ffmax增大对时域动力响应的影响一致,其效果和扣件胶垫动态幅变特性对轮轨垂向系统动力响应的影响效果类似。将时域动力响应的部分计算结果通过FFT变换和1/3倍频不计权处理后,分析扣件胶垫的幅频变特性对轮轨系统宽频振动的影响,结果表明:(1)忽略扣件胶垫的动态幅变特性会人为增大胶垫的频变特性,导致轮轨系统高频部分动力响应增大;(2)扣件胶垫的动态幅变特性能有效缓解由动态频变特性带来的不利影响,尤其是对高频部分的不利影响;(3)关键参数x减小或Ffmax增大能够进一步缓解由动态频变特性带来的不利影响,其中关键参数x的影响更明显。

关键词：扣件胶垫分数阶Zener模型非线性摩擦力模型幅变特性高频振动