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多层弹性轨道结构的动力参数优化与减振控制研究

许光辉  
【摘要】:轨道交通以其安全、准点、舒适和运载量大等优势,已成为市民出行的首选交通工具。随着轴重和车速不断增加,车辆与轨道相互作用越来越激烈,由此引发的轮轨动力作用问题变得更加严重。为缓解轮轨动力作用,以减小列车运行引起的低频振动问题,本文采用解析模型分析、结构优化、仿真计算、模型实验和在线测试等多种方法,对地铁轨道系统的动力特性与参数优化进行研究。通过合理设计弹性单元的动力参数、结构型式及耦合关系,研究多层弹性轨道的动力参数优化方法,使得多个弹性单元相互协调工作;实现吸收振动能量和减小振动传递的效果,减缓低频振动放大问题;最后采用实尺寸模型实验和在线测试方法,分析动力特性变化规律,验证解析模型和参数优化结果。本文主要研究内容和成果:(1)从结构动力学角度出发,首先将轨道结构视为具有单层弹性单元的质量-弹簧-阻尼模型,推导得到轨道减振控制指标的解析解,进而分析轨道结构减振与隔振的基本原理。同时在实际工程应用中,利用实测数据研究轨道结构的减振规律,验证轨道解析模型的准确性和可靠性;(2)通过轨道扣件、轨道板、吸振板和弹性单元等结构部件的不同组合,建立多层弹性单元轨道结构的解析模型;利用MATHEMATICA软件编程后进行数值计算,对比分析各种轨道模型的动力控制指标,研究动力特性变化规律及减振特性;(3)基于扣件-吸振板-浮置板轨道动力学模型和结构优化设计的复形法,对三层弹性单元轨道的参数优化进行研究;发挥弹性单元的阻尼特性,使得多个弹性单元相互协调工作,实现吸收振动能量和减小振动传递的效果;优化后的吸振板单元能有效抑制20~40Hz频段的振动成分,可缓解低频动力作用放大问题;最后将复形法和定点同调优化方法进行对比,并采用仿真计算方法对吸振板的减振效果进行验证;(4)按照实际轨道结构搭建一段25米长的实验平台,在预荷载作用下测量得到轨道结构的位移和振动响应;对比分析有/无吸振板、不同扣件刚度和预载荷大小对轨道动力特性影响。实验平台能同时进行轨道动/静态特性实验,为研究减振轨道动力特性提供了可靠的实验数据支撑;(5)选取一段高架段作为实验线路,将原有的轨道结构改造成优化后的扣件-吸振板-浮置板轨道结构;对改造前后线路的轮轨安全性指标、轨道动力学性能、减振降噪性能进行研究分析,验证多层弹性单元轨道动力参数优化方法的可靠性。


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