高速列车轨道振动及质量块减振方法研究

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近年来轨道交通向着高速方向快速发展,其导致的铁路振动问题日益凸显。高速铁路引起的振动问题主要来自列车在轨道上运行时所产生的冲击振动,这将导致轨道产生较大的振动位移,从而严重影响列车的行车安全性和乘客的生命安全。因此为了改善高速列车运行下轨道的振动问题,本文旨从轨道的结构出发通过在轨道上增添质量块(吸振器)以研究其对抑制轨道振动所产生的积极影响。这为提高轨道的使用寿命、降低铁路使用成本和减少振动噪声等具有十分重要的指导意义。本文首先将轨道等效为工字钢,利用有限元软件COMSOL建立了周期结构的Kelvin粘弹性地基-工字钢模型和多种周期结构的Kelvin粘弹性地基-工字钢-质量块模型,其中工字钢与地基之间、工字钢与质量块之间和质量块与质量块之间的接触由弹簧和阻尼连接。基于赫兹接触理论得出轮轨的赫兹接触压力分布,移动载荷通过移动压力分布进行等效,将其施加在工字钢上,通过和Kelvin粘弹性地基梁的解析解对比以验证有限元模型的正确性。接着进行质量块对Kelvin地基上轨道动态特性的影响研究,并以轨道垂直方向位移的振动抑制率作为评价指标,开展研究并分析了质量块对轨道振动抑制的积极作用,得出了长短质量块及多质量块对轨道垂直方向位移的振动抑制率。然后建立了周期结构的无砟轨道-轨枕-地基模型和两种周期结构的无砟轨道-轨枕-地基-质量块模型,其中轨枕与轨道之间和质量块与轨道之间的接触由弹簧和阻尼连接,研究了在稳态谐波载荷和移动载荷两种状态作用下质量块对轨道动态响应的影响,以及瑞利阻尼(移动载荷作用下)对轨道动态响应的影响,并得出了质量块位于轨枕间和质量块横跨两个轨枕时对轨道垂直方向位移的振动抑制率。最后通过设计的轨道振动缩比实验机研究了落锤实验和激振器实验下质量块对轨道振动抑制的积极作用,主要包括下述内容:(1)开展了质量块对Kelvin地基上轨道动态特性的影响研究。研究结果表明:经MATLAB软件编程得到的Kelvin粘弹性地基梁的解析解与COMSOL软件得到的数值解具有较好的吻合性,证明了模型的正确性。移动载荷作用下,速度越大,探测点的动态响应曲线关于到达探测点时刻的对称性越差。质量块对探测点的振动抑制效果与速度大小呈正比,速度越大其抑制效果越明显,与短质量块相比,相同速度下长质量块对探测点的振动抑制效果更好。弹簧系数减小时,探测点的动态响应变化不明显,探测点的动态响应对阻尼的敏感性更大。相比质量块和工字钢完全固结而言,经弹簧和阻尼将质量块连接在工字钢两侧对探测点的振动抑制效果更好。多质量块减振效果更好。(2)开展了轨道质量块对无砟轨道振动特性的影响研究。研究结果表明:无砟轨道-轨枕-地基有限元模型前六阶的轨道振动形式为横向振动。稳态谐波载荷作用下,添加质量块后探测点的振幅明显降低,即减小了轨道振动,且质量块横跨两个轨枕时,对探测点的振动抑制效果更佳。振动峰值出现在载荷中心频率附近,且距离中心频率越远峰值呈下降趋势。移动载荷作用下,观测点动态响应曲线的振幅随着移动载荷速度的增大而增大,速度越大质量块减振效果越明显;观测点的动态响应对阻尼系数更敏感;质量块横跨两个轨枕时对轨道的振动抑制效果更好。从振动抑制率方面而言,质量块横跨两个轨枕比质量块位于轨枕间的减振效果稍好。质量比例阻尼的作用使得探测点动态响应振幅降低,但效果不显著,刚度比例阻尼的作用和组合情况使得探测点动态响应振幅出现明显的下降,由于α1相对β1而言贡献小,故组合情况与刚度比例阻尼相比差别不大。(3)开展了轨道振动缩比实验。研究结果表明:落锤实验下质量块对轨道竖直方向的振动起到了明显的抑制效果,且长质量块比短质量块的抑制效果要好。激振器实验下质量块对轨道沿着长度方向、宽度方向和轨道竖直方向的振动均起到了明显的抑制作用,且其对轨道竖直方向上的振动抑制效果最佳。探测点沿着轨道长度方向上的振动加速度始终以50 Hz和99 Hz两个主要频率为特征,且在50 Hz处起到明显抑制;探测点沿着轨道宽度方向上的振动加速度始终以50 Hz、99 Hz和148 Hz三个主要频率为特征,且在50 Hz处起到明显抑制;探测点沿着轨道竖直方向上的振动加速度始终以50 Hz、99 Hz、148 Hz和198 Hz四个主要频率为特征,且在99 Hz处起到明显抑制。
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