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地铁车辆—钢弹簧浮置板轨道耦合动态行为的研究

吴磊  
【摘要】:一方面,我国正大力发展城市轨道交通来缓解大中城市的交通拥堵状况,另一方面,城市轨道交通诱发的振动、噪声等环境问题越来越受到人们的关注,解决好这些环境问题是保证城市轨道交通可持续发展的关键问题之一。为此,多种减振降噪措施被用来削弱城市轨道交通对线路沿线居民、建筑和精密设备的影响,然而,各种措施的预期目标及使用效果不尽相同。目前,与其他减振降噪措施相比,钢弹簧浮置板轨道综合表现最好,在对减振控制要求严格的位置广泛推广使用。随着我国经济的发展,居民健康意识的增强,钢弹簧浮置板减振轨道将会被更多的应用到新建的城市轨道交通线上。 浮置板轨道结构形式多样,各自适用环境和减振效果都有差别,钢弹簧浮置板轨道只是其中一种。虽然浮置板轨道拥有减振效果好、运行维护少、使用寿命长等诸多优点,但是,前期投入大、施工复杂、工期长和线路稳定性差等缺陷严重制约了它的广泛使用,目前只安装在对振动控制要求严格的线路上。因此,为了充分了解浮置板轨道的优缺点,做到合理的扬长避短,国内外学者采用多种手段对它进行了研究。对于连续型浮置板轨道,研究的重点是轨道的垂向共振频率、轨道临界速度、轨道柔度和减振效率等;对于离散型单元板式浮置板轨道,研究的重点是轨道板的弯曲柔性变形对减振效果的影响、轨道板接头位置垂向错动、浮置板轨道与其他轨道形式连接过渡等。 有关浮置板轨道的研究已取得大量成果,解决了很多相关工程问题。但是,尚有一些问题存在争议,没有彻底解决,如地铁车辆在浮置板轨道上运行时的安全性问题、是否需要在离散型单元板端头的接缝处安装铰接约束装置?是否应该在浮置板轨道到传统整体道床轨道的过渡段采取轨道支承刚度过渡措施?浮置板轨道支承失效的机理以及轨道车辆耦合动态行为的影响如何?浮置板轨道是否适合新型列车即直线电机列车安全平稳运行?针对上述尚未解决问题,主要展开了以下几个方面的研究工作: (1)首先对国内外浮置板轨道的研究历史和现状进行了详细论述,明确了钢弹簧浮置板轨道技术的研究意义和研究方向。 (2)进一步推进了地铁车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合耦合动力学模型和相应的数值程序。主要体现在:(a)建立直线电机列车车辆/浮置板轨道模型和相应的数值方法;(b)模型中能够反映车辆相对轨道的移动效应;(c)考虑了轨道板端部的连接结构的影响和建模;(d)采用三维实体有限元理论模拟轨道板,不仅可以对短、中和长型轨道板进行统一建模,而且考虑轨道板厚度尺寸的影响,有效提高计算结果的可靠性,可以进行轨道板局部伤损建模分析;(e)考虑传统整体道床轨道和浮置板轨道过渡段不同过渡方案的影响和建模,即轨道纵向非均匀支承结构建模分析。 (3)研究了普通地铁车辆(转子电机驱动)在钢弹簧浮置板轨道上运行时轨道板长度、厚度和钢弹簧纵向间距对系统动态响应的影响规律。弄清了钢弹簧浮置板轨道对车辆运行性能的影响规律;得出了地铁车辆在不同参数钢弹簧浮置板轨道上运行时轮轨力、车辆加速度等。研究结果显示,钢弹簧浮置板轨道参数变化对系统振动加速度的影响很小;就脱轨系数而言,地铁车辆在钢弹簧浮置板轨道上可以安全运行。 (4)分析计算了普通地铁车辆在钢弹簧浮置板轨道上运行时,轨道板间的错动对轮轨力和扣件力的影响规律。研究表明,轨道板间的错动对轮轨力的影响甚微,对接缝两侧扣件受力影响明显;在接缝位置安装剪力铰可以有效削弱轨道板间错动对扣件受力的影响,降低扣件系统病害发生的概率,减少后期维护。 (5)分析计算了钢弹簧浮置板轨道与普通板式无砟轨道连接过渡段轨道刚度变化对轮轨力、扣件力和轨道变形的影响规律。结果显示,过渡段内轨道刚度突变对轮轨力的影响不大,对过渡点两侧扣件受力状态影响较大,需要在过渡段内设置刚度过渡区来降低扣件的拉、压力水平;在过渡段轨道板安装剪力铰、在过渡区增加钢弹簧布置密度和降低过渡段内扣件刚度都可以有效地降低扣件受力水平。 (6)研究了钢弹簧浮置板轨道的扣件或钢弹簧失效对车辆运行安全性和轨道变形的影响。研究结果表明,只有当扣件连续失效数量到一定程度时才会严重威胁车辆的行车安全。少数钢弹簧失效对行车安全影响甚微,但会增大轨道板垂向变形位移,影响部分扣件的受力状态,严重情况会导致轨道板与地基板的硬碰触底接触。 (7)研究了直线电机地铁车辆在钢弹簧浮置板轨道上运行时系统的动态行为。明确了轨道板接缝与感应板接缝位置关系对系统受力的影响规律以及感应板垂向位置异常对系统受力的影响规律。从研究结果获知,轨道板接缝与感应板接缝应采用“对齐”方式布置,应严格控制感应板的上凸型异常错动。 (8)根据正在服役的钢簧浮置板轨道现场实验数据,分析了钢弹簧浮置板轨道的钢轨状态对车辆部件的振动响应情况,通过与其他减振轨道对比,用现场实验数据证明钢弹簧浮置板轨道的优良性能。


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