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高速铁路有砟轨道结构固有振动特性及轮轨耦合振动特性研究

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高速铁路有砟轨道结构固有振动特性及轮轨耦合振动特性研究

作者：刘晓丹中国铁道科学研究院

学位级别：硕士

随着高速列车运营速度不断提升、运营时间不断增长,车辆和轨道之间的相互动力作用逐渐增强,由此导致的列车车轮磨耗损伤和钢轨波磨等问题日益显露。由于轮轨间互相作用的增强,无砟轨道区段在运营中出现的车轮与轨道之间的周期性磨耗,导... 详细信息

随着高速列车运营速度不断提升、运营时间不断增长,车辆和轨道之间的相互动力作用逐渐增强,由此导致的列车车轮磨耗损伤和钢轨波磨等问题日益显露。由于轮轨间互相作用的增强,无砟轨道区段在运营中出现的车轮与轨道之间的周期性磨耗,导致车辆系统和轨道系统之间剧烈振动,致使轮轨垂向作用力增大,对轮对、轴箱、转向架等车辆系统部件以及钢轨、扣件、轨枕等轨道系统部件产生严重伤损,减少部件服役寿命,更会造成较大的冲击和滚动噪声,降低乘客的乘车舒适度,更甚会危及列车行车安全。研究表明,无砟轨道与动车组的耦合振动对轮轨磨耗产生一定的影响,对于高铁有砟轨道也需开展振动特性的研究,研究振动特性是否对轮轨磨耗产生影响。本文以高速铁路有砟轨道结构为研究对象,首先利用有限元软件建立了各主要部件——扣件弹条、轨枕及轮对的有限元模型,通过模态分析对各部件的固有模态特征进行了分析,获得了W2型弹条、Ⅲ型轨枕及轮对在0200Hz频率范围内的模态频率及振型。接着建立了有砟轨道结构垂向及横向有限元模型,其中分别用梁单元及实体单元模拟垂向及横向钢轨,采用实体单元模拟轨枕,考虑道床整体振动,采用质量单元进行模拟,分别对轨道垂向及横向进行了谐响应分析,获得了在0200Hz频率范围内的轨道垂向及横向振动特性,并分析了垫板垂向刚度、扣件横向刚度及扣件间距对轨道垂向及横向振动特性的影响规律。通过弹簧阻尼单元模拟轮轨之间的接触,建立了有砟轨道轮轨耦合有限元模型,利用双轮对模拟转向架荷载作用、四轮对模拟整列车荷载作用,分析单轮对荷载作用、转向架荷载作用及整列车荷载作用下的钢轨垂向及横向模态特征。可知钢轨垂向及横向模态特征均与轮对位置无关,在0200Hz频率范围内,转向架荷载作用及整列车荷载作用下的钢轨垂向及横向模态特征均表现为轮对内部钢轨弯曲振动及轮对外部端部钢轨弯曲振动。本文系统分析了有砟轨道部件、轨道及轮轨耦合模态特征,为深入分析轮轨周期性磨耗提供技术支撑,并在固有振动特性方面完善了轮轨关系研究。图53幅,表23个,参考文献73篇。

关键词：高速铁路有砟轨道轮轨耦合模态特征有限元分析

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城轨交通弹性轮轨耦合滚动分析

城轨交通弹性轮轨耦合滚动分析

作者：肖坎西安工业大学

学位级别：硕士

城市轨道交通作为新兴的运载工具为人们的安全出行提供了便利。然而,随着运载量的增大,车轮和轨道之间的摩擦运行工况日益复杂,城轨交通系统出现了钢轨断裂、车轮不圆顺化、钢轨的波磨效应等诸多问题,极大缩短了城轨交通系统的使用寿命... 详细信息

城市轨道交通作为新兴的运载工具为人们的安全出行提供了便利。然而,随着运载量的增大,车轮和轨道之间的摩擦运行工况日益复杂,城轨交通系统出现了钢轨断裂、车轮不圆顺化、钢轨的波磨效应等诸多问题,极大缩短了城轨交通系统的使用寿命,人们出行的安全性也受到影响。对轮轨耦合接触问题的研究是解决城轨交通系统诸多问题的基础,对于城市轨道交通的发展有着举足轻重的作用。本文主要基于赫兹接触理论和有限元方法,对轮轨接触问题进行了研究,主要工作如下:基于半径为420mm的地铁车轮和60Kg/m的标准钢轨,建立了包含钢轨接头的二维刚性车轮-轨道接触模型和弹性车轮-轨道接触模型,施加相应的载荷和边界条件,并进行分析求解。使用二维赫兹接触理论公式验证了模型的准确性。对轮轨接触中的接触压力、等效应力、弹塑性变形等轮轨接触参数进行了研究,计算结果表明:随着轮轨接触点到钢轨接头处距离的减小,轮轨接触压力逐渐增大;钢轨的等效应力和塑性变形变化明显,而车轮的等效应力在此过程中变化并不显著;在钢轨接头处的应力表现为拉应力,拉应力的急剧增大导致钢轨接头处的破坏,而使用橡胶弹性车轮可以有效的减小拉应力,延长钢轨的使用寿命。建立了包含钢轨接头、车轮的控制节点的三维轮轨滚动接触模型。对轮轨耦合滚动接触模型中的控制节点和车轮内表面添加接触,在车轮轮毂和轨道之间添加接触,并对车轮和轨道施加相应的约束,并进行分析求解。通过三维赫兹理论计算结果验证了有限元模型的准确性。对车轮在滚动过程中的轮轨接触压力、等效应力、弹塑性变形等轮轨接触参数进行了研究,计算结果表明:轮轨耦合接触模型的静态分析不能完全反应车轮在滚动过程中轮轨的接触压力、等效应力、弹性塑性变形等轮轨接触参数的变化;在车轮滚动过程中,随着车轮逐渐靠近钢轨接头处,轮轨之间的接触压力逐渐增大,且轮轨接触斑形状由初始的规则多边形逐渐向不规则发展;随着时间的增加,钢轨的等效应力变化趋势和钢轨的弹性变形变化趋势大体一致,均为先急剧减小,然后增加,而后又出现小幅度的下滑;在车轮滚动过程中,车轮的等效应力逐渐增加,至车轮靠近钢轨接头处,车轮的等效应力值达到最大。

关键词：城轨交通轮轨耦合接触分析赫兹理论

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轮轨耦合高速电梯导轨振动特性分析

山东建筑大学学报 2018年第1期33卷 18-24,58页

作者：张青杨玉虎仉硕华张瑞军天津大学机械工程学院天津300072 山东建筑大学机电工程学院山东济南250101

电梯的不断提速使得导轨的振动越来越明显,降低了高速电梯运行的舒适性和安全性。因此,对在高速状态下电梯导轨振动响应的研究势在必行。文章基于达朗贝尔原理,从轮轨及滚轮与轿厢间的相互作用关系出发,建立了轿厢—滚轮—导轨大系统的... 详细信息

电梯的不断提速使得导轨的振动越来越明显,降低了高速电梯运行的舒适性和安全性。因此,对在高速状态下电梯导轨振动响应的研究势在必行。文章基于达朗贝尔原理,从轮轨及滚轮与轿厢间的相互作用关系出发,建立了轿厢—滚轮—导轨大系统的耦合动力学模型;采用变量离散下的新型显式二步数值积分法,借助MATLAB软件进行数值仿真,研究了各结构参数对导轨振动的影响规律。结果表明:高速电梯轿厢系统与导轨耦合作用下,导轨的水平振动响应不可忽略且表现出振动挠度和震荡2种形式;导轨表面不平度主要影响导轨震荡,且幅值随其表面不平度增大而增大;轮轨预紧力对导轨振动挠度和震荡均有显著影响,当预紧力取值分别为10、20、40 N时,导轨振动挠度幅值分别为1.9×10^(-5)、3.4×10^(-5)、6.8×10^(-5)m,其振动挠度近似成倍增加,同时导轨的震荡幅值则逐渐减小。

关键词：高速电梯轮轨耦合导轨振动接触参数

轮轨耦合系统横向动态响应特性对钢轨波浪磨耗的影响

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噪声与振动控制 2020年第1期40卷 132-137页

作者：潘兵王安斌高晓刚刘浪上海工程技术大学城市轨道交通学院

研究国内某地铁采用科隆蛋扣件小半径曲线段出现严重波磨的原因。在现场调查测试阶段,利用Bi-CAT波磨测试仪获取该区段波磨的基本特征,通过锤击试验法对轨道进行频率响应特性测试;在实验室试验与计算机仿真阶段,通过ANSYS软件建立列车... 详细信息

研究国内某地铁采用科隆蛋扣件小半径曲线段出现严重波磨的原因。在现场调查测试阶段,利用Bi-CAT波磨测试仪获取该区段波磨的基本特征,通过锤击试验法对轨道进行频率响应特性测试;在实验室试验与计算机仿真阶段,通过ANSYS软件建立列车轮对与轨道的耦合三维实体有限元模型,并结合列车轮对模态测试结果,分析轮对的横向模态特征与轮轨系统横向频响特征以及钢轨波磨特征频率之间的关系。通过现场调查测试与计算机仿真得出如下结论:轮轨耦合条件下200 Hz至400 Hz轮对横向模态特征导致的钢轨横向振动是该区段63 mm和40 mm波长波磨形成的原因之一。

关键词：振动与波钢轨波磨轮轨耦合横向动态响应轮对振动

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轮轨耦合振动行为下高速轮轨噪声研究综述

内燃机与配件 2018年第22期 184-186页

作者：杨逸航李金良王军平刘吉华中铁物轨道科技服务集团有限公司北京100000 五邑大学轨道交通学院江门529000

在铁路轮轨运输系统中轮对系统与轨道系统并非孤立存在的,二者间是相互影响、相互耦合的,对轮轨耦合研究可以更为客观地反映铁路轮轨系统的本质。现如今,高速轮轨噪声已经严重影响了人们乘坐列车舒适性,但高速轮轨噪声无法避免,只能采... 详细信息

在铁路轮轨运输系统中轮对系统与轨道系统并非孤立存在的,二者间是相互影响、相互耦合的,对轮轨耦合研究可以更为客观地反映铁路轮轨系统的本质。现如今,高速轮轨噪声已经严重影响了人们乘坐列车舒适性,但高速轮轨噪声无法避免,只能采取措施对轮轨噪声进行控制。本文根据目前国内外学者对轮轨耦合振动行为下高速轮轨噪声理论研究综述了轮轨耦合振动行为下的高速轮轨噪声的研究机理及其预测方法,同时对高速轮轨噪声控制对策也进行了总结和分析。从已有的研究成果来看,目前对于高速轮轨噪声已经较为成熟,但轮轨耦合振动行为下轮轨噪声研究还只是起步阶段,缺乏系统的研究成果。

关键词：轮轨耦合噪声控制噪声预测高速列车

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轮轨耦合振动对地铁转向架动应力影响研究

轮轨耦合振动对地铁转向架动应力影响研究

第十五届全国振动理论及应用学术会议（NVTA2023）

作者：梅震琨魏来何印贾小平

受转向架结构弹性和轮轨耦合作用影响,地铁车辆转向架振动失效问题愈发突出。轮轨耦合振动包括轮轨P2力振动、钢轨弯曲模态振动和轮轨短波不平顺激励等,此外地铁轨道结构形式复杂多样,且对转向架高频振动和应力产生不利影响。首先,本文... 详细信息

受转向架结构弹性和轮轨耦合作用影响,地铁车辆转向架振动失效问题愈发突出。轮轨耦合振动包括轮轨P2力振动、钢轨弯曲模态振动和轮轨短波不平顺激励等,此外地铁轨道结构形式复杂多样,且对转向架高频振动和应力产生不利影响。首先,本文通过开展车辆-轨道耦合系统现场动态测试,掌握轮轨耦合振动对转向架动态行为的影响规律。其次,建立车辆-轨道刚柔耦合系统动力学模型,研究车轮不圆和钢轨波磨激励下轮轨耦合振动对转向架高频动应力的影响,研究钢轨扣件刚度和阻尼对轮轨耦合振动特性的影响规律,揭示轮轨P2力和转向架结构模态的耦合作用机理。最后提出减缓转向架结构模态振动和动应力的措施,包括列车速度、模态频率、轨道刚度以及轮轨缺陷。研究结果表明,降低轨道刚度或抑制轮轨粗糙度可以减轻轮轨耦合振动。改变列车速度或模态频率可以避免振动引起的疲劳失效。

关键词：轮轨耦合减振轨道 P2力构架模态动应力

来源： cnki会议评论

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考虑轮轨耦合的过山车轨道结构疲劳寿命评估

中国特种设备安全 2021年第5期37卷 31-36,41页

作者：边凯瑞赵伟戚知宽王和惠周邵萍华东理工大学机械与动力工程学院上海200237 河北智跑游乐设备制造有限公司石家庄054000

针对过山车轨道寿命预估难题,完成了基于轮轨耦合关系的过山车轨道寿命预估。首先在ADAMS中基于轮轨耦合进行仿真计算得到轮轨接触力,随后在ANSYS中建立过山车全轨道有限元模型并进行仿真计算,结果显示轨道螺旋段应力明显大于其他轨道... 详细信息

针对过山车轨道寿命预估难题,完成了基于轮轨耦合关系的过山车轨道寿命预估。首先在ADAMS中基于轮轨耦合进行仿真计算得到轮轨接触力,随后在ANSYS中建立过山车全轨道有限元模型并进行仿真计算,结果显示轨道螺旋段应力明显大于其他轨道单元段,轨道结构中枕轨应力集中现象突出,故以螺旋段枕轨应力最大处作为疲劳校核点。在获得疲劳校核点的应力-时间历程后运用雨流计数法提取循环载荷,最后采用基于疲劳损伤累积理论对轨道进行寿命预估。

关键词：过山车轨道轮轨耦合强度分析疲劳寿命

考虑不同轮轨耦合作用的高速列车动力学响应分析

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兰州交通大学学报 2020年第4期39卷 97-105页

作者：岳鹏马森李国芳王红兵丁旺才兰州交通大学铁道技术学院兰州730000 兰州交通大学机电工程学院兰州730070

基于多体系统动力学理论,利用多体动力学软件建立了某型高速车辆系统动力学模型,对比分析了不同轮轨耦合作用下车辆系统的振动响应,计算得到了两种轮对的非线性临界速度,并合理选取了六种典型线路工况,研究了不同轮轨耦合作用对车辆系... 详细信息

基于多体系统动力学理论,利用多体动力学软件建立了某型高速车辆系统动力学模型,对比分析了不同轮轨耦合作用下车辆系统的振动响应,计算得到了两种轮对的非线性临界速度,并合理选取了六种典型线路工况,研究了不同轮轨耦合作用对车辆系统动力学性能的影响.结果表明:轮对弹性变形使车辆系统的非线性临界速度降低,并降低了车辆系统与无质量轨、移动质量轨耦合下的脱轨系数、轮轨横向力和轮轴横向力等动力学指标,但与柔性轨道耦合时,上述动力学指标却升高;当车辆系统与无质量轨耦合时,轮对弹性变形使车体Sperling平稳性指数在横向上最大增幅为5.3%,而在垂向上最大增幅仅为0.7%.

关键词：轮轨耦合弹性变形动力学性能刚柔耦合动力学

基于多尺度有限元建模技术的GJ-III型扣件轨道动力特性分析

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振动与冲击 2024年第23期43卷 75-85页

作者：冷圣禧李伟姚学东周志军温泽峰任愈西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031

GJ-III型扣件轨道作为地铁线路一种中等减振轨道,服役后出现钢轨短波长波磨,导致高频轮轨振动噪声问题。为探明该轨道的动力特性,利用ABAQUS软件建立减振扣件轨道的三维有限元模型。为减小有限长轨道边界反射波影响并同时保证计算效率,... 详细信息

GJ-III型扣件轨道作为地铁线路一种中等减振轨道,服役后出现钢轨短波长波磨,导致高频轮轨振动噪声问题。为探明该轨道的动力特性,利用ABAQUS软件建立减振扣件轨道的三维有限元模型。为减小有限长轨道边界反射波影响并同时保证计算效率,采用多尺度建模技术将轨道简化为梁-壳-实体模型。利用该模型探究了轮轨耦合作用下的轨道垂向动力特性,分析了扣件垂向刚度和阻尼对轨道垂向频响特性的影响。结果表明:(1)将50.0 m实体轨道模型简化为12.5 m实体和37.5 m梁-壳模型,可节约65.3%的计算时间,同时仿真与现场测试结果基本一致。(2)钢轨垂向一阶弯曲和pinned-pinned共振模态在轨道垂向位移导纳上表征明显,其频带分别为100~150 Hz和1022~1101 Hz。(3)减振扣件轨道在100 Hz以下振动响应表现为钢轨和道床板的整体弯曲和扭转振动;车辆静载集中力引起的钢轨预应力会诱发400~800 Hz轮对间轨道垂向频响峰值。(4)考虑柔性轮对作用后,轨道垂向位移导纳在分别在43 Hz、381 Hz和641 Hz处出现新的明显峰值,分别对应于轮轨耦合的P2共振模态、轮对间钢轨垂向二、三阶弯曲模态。柔性车轮在180 Hz、341 Hz和504 Hz处的振动模态也会引起钢轨垂向导纳出现新峰值。轮对质量效应对减振扣件轨道50~250 Hz内垂向振动有抑制作用,钢轨不易萌生该频段波磨。(5)钢轨垂向一阶弯曲、P2共振和轮对间钢轨垂向弯曲频率均随扣件垂向刚度增加而增加,扣件垂向阻尼仅对轨道导纳波动幅值有抑制作用。

关键词：地铁双层非线性减振扣件多尺度有限元建模轨道动态特征轮轨耦合