【摘要】：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,地鐵線路鋼軌波磨現象較為普遍,其不僅加劇輪軌間相互作用,導致車輛軌道系統(tǒng)振動噪聲過大,影響乘坐舒適性,更與列車運行安全息息相關。因此,研究地鐵鋼軌波磨的產生原因及影響因素具有重大現實意義。本文基于地鐵減振軌道結構,建立剛柔耦合車輛-軌道系統(tǒng)動力學模型以及彈塑性輪軌接觸模型,對軌道結構振動特性和鋼軌磨耗特征進行深入研究,分析并獲得形成鋼軌波磨的可能因素,為波磨機理的系統(tǒng)研究提供參考。研究內容及主要結論如下:1.針對不同地鐵線路減振軌道類型,分別建立鋼彈簧浮置板軌道和梯形軌枕軌道結構的三維實體有限元模型,結合彈性化處理方法,通過動力學仿真計算得出各部件響應特征。在無激勵和美國五級譜軌道激勵兩種工況下,分析減振軌道的振動特性,并與現場實測數據進行對比,從而驗證計算模型的正確性和可用性,為后續(xù)探討軌道結構振動特性與鋼軌波磨的相互關系提供模型基礎。2.研究了扣件剛度、軌下減振裝置尺寸、枕下減振裝置剛度以及安裝間距變化對鋼彈簧浮置板和梯形軌枕軌道結構振動頻率和軌枕模態(tài)振型變化的影響情況。結果表明:增加扣件剛度,內外側鋼軌和軌下減振裝置峰值點頻率增大,調節(jié)扣件垂向剛度可以有效地控制軌道結構中高頻區(qū)段振動頻率;而鋼彈簧和減振墊垂向剛度的增加使得軌道整體振動頻率在較小的頻率變化范圍內有所增大。此外,改變軌道參數對與其相近的各結構振動頻率影響較大,而對距其較遠結構的振動頻率影響相對較小。結合線路和軌道結構參數變化,對軌道振動特性和鋼軌磨耗進行分析,為后續(xù)鋼軌波磨相關研究做鋪墊。3.結合有限元和動力學軟件進行聯合仿真,建立完整的剛柔耦合車輛-軌道系統(tǒng)動力學模型,比較了普通軌道、鋼彈簧浮置板軌道以及梯形軌枕軌道結構中鋼軌和軌下減振裝置狀態(tài)變量的頻域特征,研究軌道結構振動特性與鋼軌波磨之間關系。分析得出,內側鋼軌分別與浮置板和梯形軌枕出現較為明顯的共振現象,主要表現為特定頻率下內外側鋼軌和軌下減振裝置(浮置板或梯形軌枕)一起相對于道床做不同階數的垂向彎曲振動以及同側反對稱振動,同時還伴隨不等距的縱向拉伸。此外,曲線超高引起的偏載作用使得內側輪重起到了約束作用,軌道結構振動頻率降低導致軌道整體出現多種形式的耦合彎曲振型,加大了軌道系統(tǒng)彎曲振動的復雜程度。4.基于輪軌接觸理論,采用輪軌作用力和磨耗指數等評價指標探索鋼軌波磨產生原因。首先,兩種減振軌道結構輪軌間作用力以及磨耗指數的峰值點距離間隔均呈現出一種固定波長循環(huán)或多種波長交替變換的鋼軌磨耗特征,具有明顯的周期性變化特點。其次,針對地鐵小半徑曲線均出現鋼軌波磨現象的實際問題,探討了曲線條件和軌道激勵對鋼軌磨耗特征的影響程度。結果顯示:小半徑曲線線路(R300m)鋼軌縱向方向上的不均勻磨耗主要與曲線半徑特征有關,與常規(guī)量值范圍的軌道激勵隨機特征無關,而曲線半徑相對較大線路鋼軌縱向方向上的不均勻磨耗主要與軌道激勵隨機特征有關。最后,通過對輪軌接觸應力分布進行求解,發(fā)現沿鋼軌縱向不同特殊位置處輪軌接觸應力均超過鋼軌材料的屈服極限,波動的峰值應力易導致軌面出現塑性變形壓痕。5.通過對比相同曲線條件下減振軌道和普通整體軌道的軌道結構振動特性以及磨耗特征的差異,進一步論證鋼軌波磨產生原因。研究結果表明:在振動特性方面,普通整體軌道與減振軌道在共振頻段內存在明顯差異;在磨耗特征方面,兩種類型減振軌道鋼軌磨耗指數存在固定峰值點間隔距離,表現出周期性變化特點,而普通軌道沒有呈現明顯的規(guī)律性特征,不具備固定波長鋼軌波磨的產生條件。此外,仿真計算結果與現場試驗測得波長分布范圍接近,驗證了仿真模型和計算結果的合理性。
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１．１選題背景及意義逡逑城市軌道交通具有運量大、速度快、安全準時以及節(jié)約環(huán)保等特點［｜］。作為城逡逑市公共交通的重要組成部分，其不僅滿足人民群眾的基本日常出行要求，而且有逡逑效地緩解城市交通帶來的環(huán)境壓力以及降低城市污染和噪聲等問題［２］。隨著城市化逡逑進程的不斷加劇，英國、德國、美國、日本等國逐漸形成較為完善的城市軌道交逡逑通系統(tǒng)，實現了大規(guī)模的線路運營并取得了較好的經濟效益。我國軌道交通建設逡逑相對于世界發(fā)達國家起步較晚，１９６９年，作為第一條地鐵線路的北京一期工程正逡逑式投入運營使用，線路總長２３．６公里，之后軌道交通建設一直處于停滯狀態(tài)。由逡逑于我國城市人口流動量以及貨物運輸不斷增加，導致城市交通需求與路網通行能逡逑力之間矛盾日益加大，因此，發(fā)展以城市軌道交通為骨干的交通系統(tǒng)將是促進我逡逑國現階段城市建設的重要前瞻性舉措。截止目前，北京、上海、廣州等２２個城市逡逑將建設７９條軌道交通線路，線路總長２２６０公里，總投資超過９０００億元。其中，逡逑以北京地鐵為例（圖１－１所示），北京將建成５００多公里的城市軌道交通線網，預逡逑計投資１６００億元，初期所需車輛數量預計高達１０００列。逡逑

２１世紀以來，針對軌道交通運營引起的振動和噪聲問題，，各種類型的減振軌逡逑道設施相繼在我國城市軌道交通建設工程中得以應用。由于受到設計制造、施工逡逑水平以及專業(yè)知識水平的制約，減振軌道設施在我國經歷了一個曲折的發(fā)展過程。逡逑目前解決振動及噪聲問題的有效方法主要有以下兩種，軌下減振（扣件減振）和枕下逡逑減振（減振型軌道）。其中，軌下減振主要通過采用不同種類扣件實現減振效果，而逡逑枕下減振則是采用不同類型的減振軌道對振動進行減弱。目前，常見的減振軌道逡逑包括彈性支承塊式軌道、橡膠浮置板軌道、鋼彈簧浮置板軌道以及梯形軌枕軌道逡逑等，本文主要針對鋼彈簧浮置板軌道和梯形軌枕軌道兩種減振軌道進行研宄分析。逡逑１．２．１鋼彈簧浮置板軌道逡逑相較于其他類型的減振軌道結構，鋼彈簧浮置板軌道（圖１－２所示）具有良好的逡逑減振效果。此外，鋼彈簧浮置板軌道后期維修養(yǎng)護費用低，且使用壽命長。為了逡逑使其更好地應用到工程實踐中，國內外專家學者對鋼彈簧浮置板軌道技術進行了逡逑大量的理論分析和試驗研宄。主要考慮相鄰浮置板之間是否采用剪力鉸、浮置板逡逑參數以及鋼彈簧布置方式對軌道振動和減振特性的影響情況。逡逑
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH117;U231

【參考文獻】

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1 王維;;鐵路客運專線軌道超高設置的適應性研究[J];鐵道標準設計;2014年03期

2 陳光雄;錢韋吉;莫繼良;朱e

本文編號：2673575