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2021年  第21卷  第3期

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综述
轨道交通桥梁结构噪声研究综述
刘林芽, 宋立忠, 秦佳良, 刘全民
摘要: 针对运行列车引起的轨道交通桥梁结构噪声问题，总结了国内外轨道交通桥梁结构噪声的辐射特性、预测方法、产生机理、控制措施及工程应用等方面的研究成果，展望了未来的研究重点和发展方向。研究结果表明：轨道交通桥梁结构噪声主要集中于200 Hz以下的低频段，峰值一般出现在40~100 Hz；如何使用更先进的声源识别技术将桥梁结构噪声从综合噪声中分离出来，是准确分析桥梁结构噪声频谱特性和空间分布特性的关键；现有的桥梁结构噪声预测方法包括声学边界元法、统计能量分析等，声学边界元法的计算效率较低，统计能量分析主要用于钢桥噪声预测，发展大跨度混凝土桥梁结构噪声预测方法是当务之急；桥梁结构噪声峰值主要与桥梁结构的中高频局部振动特性和轮轨系统输入到桥梁结构的振动能量有关，桥梁的中高频局部振动特性对声辐射特性的影响机理尚未形成统一认识；目前常用的桥梁结构噪声控制措施有轨道减振措施和桥梁减振措施2类，桥梁减振措施对结构噪声的控制效果一般，轨道减振措施虽然能够有效降低桥梁结构噪声辐射，但同时可能引起轮轨噪声与道床二次结构噪声的增大，建议在保证经济性的条件下，综合运用各种控制措施，以取得最优的降噪效果。更多>
2021, 21(3): 1-19. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.001
摘要(986) HTML (280) PDF (14007KB) (128)
轮轨噪声预测模型研究进展
圣小珍, 成功, THOMPSOND J, 葛帅
摘要: 从轮对振动声辐射预测模型、轨道结构振动声辐射预测模型与轮轨相互作用预测模型等方面，总结了轮轨噪声预测模型的研究进展，阐述了主要的建模方法及其特点，给出了一些典型结果，并提出了需要进一步研究的问题。研究结果表明：在建立轮对在给定简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轮对简化为轴对称弹性体，轮对的振动响应通过一个2维的结构有限元模型来预测，而它的声辐射则通过一个2维的声学边界元模型来确定，这样的建模方法可以全面且方便地考虑轮对旋转所带来的陀螺效应和移动荷载效应；在建立轨道结构在给定的简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轨道结构简化为无限长周期结构，轨道结构的振动响应通过周期结构理论来分析，而它的声辐射则应用2.5维声学边界元来预测，这样的建模方法可以方便地考虑轮轨力沿轨道的高速移动并大大简化声辐射的计算；在建立轮轨相互作用预测模型时，可以利用轮对和钢轨在轮轨接触点处的频率响应函数或脉冲响应函数，这样的建模方法只以轮轨力为未知量，不但使得相应的微分方程或积分方程未知量少，而且完全考虑了轮对的旋转及沿轨道的移动；轮轨噪声预测还需研究的问题包括高速列车轮对的声辐射、高速轨道相对车体的声辐射、地下铁路轮轨噪声，以及包含降噪措施的轮轨噪声预测模型等。更多>
2021, 21(3): 20-38. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.002
摘要(928) HTML (452) PDF (5814KB) (142)
高速列车气动噪声研究综述
朱剑月, 张清, 徐凡斐, 刘林芽, 圣小珍
摘要: 根据近年来高速列车气动噪声相关研究，从试验研究、理论分析和数值模拟方面介绍了当前高速列车气动噪声研究现状和研究成果, 分析了高速列车气动噪声源分布和产生机理，探讨了高速列车关键区域气动噪声降噪措施，展望了未来研究方向。研究结果表明：高速列车运行产生的气动噪声主要声源为几何体表面偶极子声源，分布在转向架、受电弓、车厢连接处、头车与尾车等区域；转向架区域存在着车体表面结构不连续性，气流流经时产生流动分离和流体相互作用，形成较强气动噪声源，可以采用转向架舱外设置裙板和舱内壁与周围铺设吸声板等措施进行降噪；受电弓各部件受到流动冲击作用，产生周期性涡旋脱落诱发的单音噪声，可通过减少受电弓结构部件、改变受电弓杆件截面形状、安装受电弓导流罩、受电弓两侧设置隔声板和射流控制等措施进行气动噪声有效控制；无封闭式车厢风挡形成开放式环形空腔，气流流经时产生较强的气动噪声和气动声学耦合，采用全封闭风挡可有效降低气动噪声产生；头车部位气流流动分离以及尾车部位由于尾涡脱落和非定常流动结构形成与发展，诱发气动噪声产生，头车、车身与尾车减少突出部件，保持几何体表面光滑和连续性，有利于取得较好的降噪效果；随着未来更高速度级高速列车研发，有必要进一步深入研究高速列车气动噪声理论与数值模拟方法，提升气动噪声降噪技术水平，有效控制气动噪声。更多>
2021, 21(3): 39-56. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.003
摘要(2283) HTML (538) PDF (24714KB) (296)
高速列车动力学性能研究进展
朱海燕, 曾庆涛, 王宇豪, 曾京, 邬平波, 朱志和, 王超文, 袁遥, 肖乾
摘要: 为更深入全面了解高速列车系统动力学研究现状，综述了高速列车动力学性能对车辆运行稳定性、安全性和平稳性的影响，总结了列车安全评价方法和动力学试验方法在车辆动力学中的应用，基于轮轨间作用力，分析了轮轨磨耗对列车动力学性能的影响，概括了车-桥耦合模型、弓网系统以及列车空气动力模型在车辆系统动力学中的研究内容。分析结果表明：车轮异常磨耗会导致舒适性下降，合理的车轮镟修能有效降低车轮非圆化和车辆系统关键部件的振动，降低车内振动噪声，增加列车运行稳定性、安全性和平稳性；合适的轮对定位刚度和抗蛇行减振器的刚度和阻尼有利于提高列车蛇行运动稳定性和转向架运动临界速度；钢轨波磨严重时会导致钢轨扣件松动，缩短车辆构架和钢轨的使用寿命；通过合理的钢轨廓型打磨可消除曲线波磨，改善轮轨关系；行波效应对车辆安全性影响很大，与相同激励下的各项参数相比，车速为350 km·h-1、行波速度为300 m·s-1时的脱轨系数、轮重减载率和轮轨横向力都有所降低；横风作用下受电弓气动抬升力增大，影响接触网安全，增大弓头阻尼和弓头刚度可改善弓网受流特性。更多>
2021, 21(3): 57-92. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.004
摘要(2550) HTML (537) PDF (9515KB) (247)
高速列车轮轨激励作用机理及其影响综述
肖乾, 王丹红, 陈道云, 朱海燕, 周前哲, 王一凡, 罗志翔
摘要: 针对高速列车运行过程中普遍存在的轮轨激励问题，系统归纳了轮轨激励常用的研究方法，分析了引起轨道不平顺、车轮非圆等轮轨激励的原因及其作用机制，重点研究了车轮多边形磨耗、钢轨波磨等中高频轮轨激励的形成机理；从动力学性能和噪声方面阐述了轮轨激励作用对高速列车运行品质的影响，从疲劳损伤的角度分析了轮轨激励对车辆/轨道系统零部件服役性能的影响；结合现有监测技术和轮轨激励研究方法，提出了高速列车轮轨激励的研究展望。研究结果表明：现场观测、数值仿真和试验模拟是目前研究轮轨激励最常用的方法；轮轨摩擦自激振动、车辆/轨道系统零部件结构共振、材料自身特性及工艺质量是导致轮轨激励形成的根本原因；系统结构参数、运行速度、里程、载重、线路条件等因素都会影响轮轨激励的形成和发展；低频激励的存在虽然会限制列车曲线通过速度，但对车辆/轨道系统零部件服役性能影响不大；中高频激励会严重影响列车运行品质，使系统长期处于中高频振动状态，引起零部件的结构共振，加速系统零部件的疲劳损伤；建议结合实时监测技术和精准的检测手段对轮轨激励形成机理和发展过程展开深入研究，并可通过轮轨匹配型面优化、工艺设备和减振降噪装置智能化产品的研发、车辆/轨道系统结构优化和维护保养等措施来抑制或减缓轮轨激励的产生和发展。更多>
2021, 21(3): 93-109. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.005
摘要(1518) HTML (287) PDF (4155KB) (152)
钢轨波磨研究进展
朱海燕, 袁遥, 肖乾, 黎洁, 郑宇轩
摘要: 为了解轨道车辆运营中普遍存在的钢轨波磨问题，分析了钢轨波磨的形成机理，阐述了钢轨波磨对车辆-轨道系统动力学性能的影响，综述了常见的钢轨波磨检测、监测与抑制方法，并展望了钢轨波磨的研究方向。研究结果表明：车辆-轨道系统耦合振动、轮轨反馈振动、轮轨自激振动和轮轨接触振动是形成钢轨波磨的主因，车辆-轨道结构、线路运营条件、轮轨材料、钢轨型面和车轮踏面轮廓等多方面因素相互耦合作用亦会引起钢轨波磨；重载、高速铁路和地铁钢轨波磨会影响车辆-轨道系统动力学性能和车辆与轨道零部件寿命，也会影响扣件、钢轨、轨枕、轨道板(道砟)和轴箱等零部件的振动特性，各零部件的阻尼、刚度等物理参数与运行条件不匹配时也会造成钢轨波磨，列车长时间运行在钢轨波磨路段时会导致车辆-轨道结构产生强烈共振，造成严重疲劳损伤，影响行车安全；检测与监测是研究和发现钢轨波磨的重要辅助手段，抑制钢轨波磨主要通过改善轮轨接触关系、钢轨打磨、提高钢轨表面材料硬度、添加相关摩擦调节剂和轮轨润滑剂、使用钢轨吸振器技术、优化轮轨系统结构以及调整列车运营规定等措施来实现；目前，钢轨打磨仍是消除和减轻钢轨波磨最直接、最有效和最经济的措施，应提升并改善钢轨打磨技术。更多>
2021, 21(3): 110-133. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.006
摘要(2546) HTML (608) PDF (4551KB) (186)
道路与铁道工程
扣件胶垫黏弹性对铁路箱梁振动与结构噪声的影响
刘林芽, 崔巍涛, 秦佳良, 刘全民, 宋立忠
摘要: 以高速铁路WJ-7B型扣件胶垫为研究对象，通过动态力学性能试验测试了扣件胶垫在不同温度下的动力性能；结合温频等效原理、Williams-Landel-Ferry方程和高阶分数导数FVMP模型表征了扣件胶垫的黏弹性力学特性；将该模型代入建立的桥梁振动与结构噪声预测有限元-边界元模型，并与Kelvin-Vogit模型对比来分析扣件胶垫黏弹性对箱梁振动和结构噪声的影响。研究结果表明：扣件胶垫黏弹性表现为动参数的温频变特性，刚度与频率正相关，与温度负相关，阻尼与频率和温度均负相关，阻尼在1~100 Hz内变化明显，在100 Hz以上变化较小；扣件动参数测试值与高阶分数导数FVMP模型拟合值吻合良好，采用高阶分数导数FVMP模型可以准确描述扣件在宽温宽频下的动态黏弹性力学行为；仅考虑扣件胶垫频变特性时，桥梁在25~63 Hz振动加剧，在80~200 Hz振动减弱，在峰值频率63 Hz处顶板、腹板和底板的加速度振级分别增大5.62、0.91和2.94 dB，桥梁横桥向各板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射明显增大；同时考虑扣件胶垫温变与频变特性时，随着温度的降低，桥梁在31.5~50.0 Hz振动不断减小，在63~200 Hz振动不断增大，桥梁横桥向在顶板斜上方、腹板和底板垂向近场点和梁底下方靠近地面处声辐射减小，温度从20 ℃降到-20 ℃时，总体声压级最大降低了2 dB左右；忽略扣件胶垫黏弹性会导致桥梁振动和结构噪声预测产生偏差，仿真分析时应考虑扣件胶垫的黏弹性，以提高预测的准确性。更多>
2021, 21(3): 134-145. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.007
摘要(742) HTML (310) PDF (15079KB) (48)
高架轨道箱梁结构振动试验模型设计与校验
罗锟, 张新亚, 雷晓燕
摘要: 基于π定理和量纲分析法，推导了某32 m高架轨道箱梁结构缩尺模型与原型物理量之间的相似关系，并通过建立动力仿真模型进行计算，验证了相似关系的准确性；以该相似关系指导设计，并通过合理选材，制作了几何相似比为10∶1的轨道箱梁结构缩尺试验模型；通过激振试验获取了缩尺试验模型的模态频率、振型和加速度响应，并与有限元仿真结果对比，验证了缩尺试验模型的有效性；在此基础上利用该缩尺试验模型研究了轨道箱梁结构的振动传递特性。研究结果表明：高架轨道箱梁缩尺模型与原型结构前10阶模态频率误差均小于1%，且由缩尺模型计算结果反演的加速度响应曲线与原型结果趋势一致，模型与原型之间相似关系推导正确；缩尺试验模型实测模态频率与有限元仿真结果的误差均在8.8%以内，各阶模态振型吻合，且实测加速度响应随时间变化趋势与有限元仿真结果一致，制作的高架轨道箱梁结构缩尺试验模型有效；当振动在轨道结构中传递时，扣件和橡胶层对1 000 Hz以上的高频振动具有明显的衰减作用；当振动由箱梁顶板向底板传递时，顶板加速度导纳最大，翼板次之，其次是腹板，底板加速度导纳最小；设计制作的高架轨道箱梁结构缩尺试验模型能够反映原型振动响应的一般传递规律，可用于轨道箱梁结构振动传递特性与控制关键技术研究。更多>
2021, 21(3): 146-158. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.008
摘要(657) HTML (269) PDF (43163KB) (34)
城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声试验
宋立忠, 冯青松, 孙坤, 刘全民, 罗云柯
摘要: 为探明城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动噪声对沿线环境的影响，以某城市轨道交通高架钢轨波磨地段为研究对象，开展了列车以不同速度通过时的振动与噪声现场测试；基于测试结果分析了车速对城市轨道交通高架振动与噪声的影响，研究了城市轨道交通高架噪声的空间分布特性，解释了城市轨道交通高架钢轨波磨地段振动与噪声峰值产生的原因。研究结果表明：当列车分别以20、40、60、80、100和110 km·h-1的速度通过城市轨道交通高架钢轨波磨地段时，距线路中心线7.5 m、高于轨面1.2 m处的声压时程峰值分别约为0.6、0.9、1.3、1.9、2.3和3.3 Pa；轨面以上区域主要受轮轨噪声的影响，而梁体下方区域则主要受桥梁结构噪声的影响；轮轨噪声与车速之间存在着很强的线性相关性，而桥梁结构噪声与车速之间的线性相关性则略低，车速每增大10 km·h-1，轮轨噪声和桥梁结构噪声分别约增大1.7和1.1 dB；不同车速下城市轨道交通高架噪声随距离的衰减规律基本一致，测点与线路中心线的距离每增大1倍，测得的噪声约减小4.33 dB；钢轨波磨对城市轨道交通高架轮轨噪声的影响较为显著，钢轨波磨的波长决定了列车以不同速度过桥时钢轨振动加速度的峰值频率，进而影响轮轨噪声的峰值频率；城市轨道交通高架结构噪声的峰值频率主要与其自身的振动特性有关，与车速和钢轨波磨的关系并不大。更多>
2021, 21(3): 159-168. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.009
摘要(630) HTML (195) PDF (8812KB) (53)
城市轨道交通高架线路敷设阻尼钢轨噪声特性
陈艳明, 冯青松, 罗锟, 辛伟, 罗信伟
摘要: 为研究城市轨道交通高架线路敷设阻尼钢轨前后列车通过时段噪声变化规律，以敷设了阻尼钢轨的广州某高架线路为研究对象，通过对高架线路敷设阻尼钢轨前后轨道旁、距行车轨道中心线7.5和30 m处测点进行现场噪声试验，分别从时域统计、频谱和插入损失等方面分析了高架线路改造全过程，包括换轨前、换轨后、刚敷设阻尼钢轨及敷设阻尼钢轨运营半年后列车通过时段噪声变化规律。分析结果表明：换轨和敷设阻尼钢轨作为源头上的降噪措施具有一定的降噪效果，噪声源强处2种措施分别降噪1.1、2.9 dB(A)，敷设阻尼钢轨能降低钢轨Pinned-Pinned振动辐射产生的噪声；换轨前高架线路列车通过噪声能量主要集中在100~3 000 Hz，分别在100~125 Hz和2 000 Hz附近出现第1、2个峰值，换轨后、刚敷设阻尼钢轨及敷设阻尼钢轨运营半年后的列车通过噪声能量主要集中在500~2 000 Hz，峰值频率出现在800 Hz附近；高架线路整个施工改造过程中60 Hz以下低频噪声变化较小，60 Hz附近的频率为轮轨系统的固有频率，高架线路改造并未使轮轨系统固有特性发生较大改变；敷设阻尼钢轨运营半年后相比刚敷设阻尼钢轨时，在距轨道中心线7.5和30 m处，1 000 Hz以上高频噪声变化较小，桥梁局部结构振动产生的辐射噪声(100~300 Hz)出现了一定的增大。更多>
2021, 21(3): 169-178. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.010
摘要(757) HTML (215) PDF (8180KB) (38)
高速铁路桥梁全封闭声屏障结构噪声特性
郑净, 李小珍, 毕然, 张效邦, 贺浩楠, 胡喆
摘要: 开展了高速铁路桥梁和桥梁-全封闭声屏障典型结构断面的振动和噪声测试，建立了高速铁路桥梁-全封闭声屏障系统结构噪声的快速多极边界元法(FMBEM)数值预测模型，深入分析了板件的车致振动与结构噪声辐射的相关性和时频特性，并以此验证了FMBEM数值预测模型求解结构噪声的准确性；对比分析了有、无全封闭声屏障工况下32 m简支箱形梁桥结构噪声的空间和频域分布特性，并比较了FEBEM与边界元法(BEM)的计算效率。分析结果表明：桥梁-全封闭声屏障系统板件的振动与噪声的频谱分布规律基本一致；受全封闭声屏障隔声作用和梁体遮蔽作用的影响，距箱梁底板表面0.3 m处测得的噪声信号基本反映了底板的结构噪声特性，其余测点则不同程度地受到其他板件或轮轨系统辐射噪声的影响；计算与实测噪声的幅频特性吻合较好，峰值处计算误差在1.5 dB以内；全封闭声屏障的安装导致桥梁板件的振动和结构噪声均减小，也改变了桥梁周围的声场分布特性，桥梁板件表面场点的总声压级降低了0.8 dB，梁体下方地面场点总声压级增大了4.1~9.4 dB；梁体斜上方场点总声压级增大了9.6~18.1 dB，桥梁-全封闭声屏障结构顶部局部区域的结构噪声比无声屏障的桥梁大12.4 dB以上；FMBEM计算耗时为传统BEM的1/3，计算更为高效。更多>
2021, 21(3): 179-192. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.011
摘要(888) HTML (323) PDF (19180KB) (45)
城市轨道交通桥梁-声屏障系统结构噪声特性与预测
宋立忠, 李小珍, 张良涛, 刘全民, 冯青松, 罗云柯
摘要: 针对列车通过城市轨道交通高架时引起的桥梁-声屏障系统结构噪声问题，在某市域铁路箱梁段分别选取无声屏障和直立式声屏障地段，开展噪声现场测试；通过对比无声屏障和直立式声屏障地段的测试结果，分析了箱梁-声屏障系统结构噪声的频谱特性；基于有限元-边界元法，建立了箱梁-声屏障系统振动声辐射数值计算模型，研究了箱梁-声屏障系统结构噪声的空间分布规律，探讨了车速和声屏障高度对箱梁-声屏障系统结构噪声的影响。研究结果表明：当列车以约93 km·h-1的速度通过时，直立式声屏障对高频轮轨噪声起到了很好的降噪作用，但会使低频结构噪声增大；声屏障结构噪声的影响主要集中于160 Hz以下的低频段，箱梁-声屏障系统结构噪声的峰值出现在63 Hz左右；箱梁-声屏障系统结构噪声呈现出近场随距离衰减较快，远场随距离衰减越来越慢的趋势，箱梁正上方和正下方的结构噪声均超过96 dB，距离桥梁中心线120 m处的结构噪声衰减至72 dB；声屏障结构噪声对于梁侧声场的影响较大，与无声屏障地段相比，设置了高度为3.15 m的直立式声屏障之后，梁侧结构噪声增大了2~5 dB；当车速由93 km·h-1增大到120 km·h-1时，箱梁-声屏障系统结构噪声辐射在梁侧最大增加7 dB以上；当声屏障高度由3.15 m增大至6.3 m时，箱梁-声屏障系统结构噪声辐射在梁侧最大增加3 dB以上。更多>
2021, 21(3): 193-202. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.012
摘要(676) HTML (344) PDF (10360KB) (47)
地震作用下轨道-桥梁系统损伤与轨道不平顺的对应关系
冯玉林, 蒋丽忠, 陈梦成, 聂磊鑫, 余建, 吴凌旭
摘要: 针对地震作用下高速铁路轨道-桥梁系统损伤与轨道不平顺的对应关系不明确问题, 运用能量变分原理，推导了多层叠合结构层间变形协调关系表达式，将该表达式应用在高速铁路单元式和纵连式无砟轨道-桥梁系统中，按系统轨道形式与梁跨结点进行划段装配，提出了考虑路基与简支引桥影响的高速铁路基础结构变形与轨道不平顺的对应关系；采用现场实测、数值仿真模型与列车-轨道-连续梁桥-路基耦合动力学理论对对应关系进行了验证，并统计了地震作用下轨道-桥梁系统的损伤规律；基于提出的对应关系求得了考虑地震损伤的轨道不平顺样本，并采用数值仿真模型对其进行验证。研究结果表明：提出的对应关系与数值仿真模型求得的桥梁变形引起的轨道不平顺及现场实测值吻合较好，最大误差不超过5%，且轨道不平顺作用下车-桥动力学性能指标变化也基本一致，验证了本文提出的对应关系的正确性和有效性；地震作用下轨道-桥梁系统层间各部件的损伤较小，而支座的损伤较大，系统部件最大损伤位置在主梁梁缝处，但也仅约为支座损伤的1%；在不同水准地震作用下，采用提出的对应关系和数值仿真模型计算的地震损伤与轨道不平顺的对应曲线均吻合良好，说明提出的对应关系可用于计算与预测地震作用下高速铁路轨道-桥梁系统的轨道平顺性。更多>
2021, 21(3): 203-214. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.013
摘要(642) HTML (166) PDF (9454KB) (48)
重载轨道曲线几何参数对轮轨耦合动力特性的影响
杨春雷, 黄运华, 丁军君
摘要: 基于车辆-轨道耦合动力学理论，根据中国最近研制的27 t轴重侧架交叉支撑转向架及C80E型通用敞车的实际结构和重载铁路曲线轨道结构特点及其技术规范要求，建立了曲线轨道的重载铁路货车-轨道耦合动力学模型；基于新型快速数值积分方法、Hertz非线性弹性接触理论和Shen-Hedrick-Elkins非线性轮轨蠕滑理论，应用计算机仿真计算了不同工况下重载货车曲线通过时的轮轨耦合动力特性，分析了曲线半径、缓和曲线长度和外轨超高等曲线几何参数对重载货车轮轨动力作用的影响。分析结果表明：曲线半径在400~800 m范围内变化时对轮轨动力影响极为明显，而当曲线半径大于800 m后其影响逐渐弱化，重载铁路曲线半径一般不应小于800 m；增加缓和曲线长度能在一定程度上降低重载货车轮轨动力作用，但其作用效果存在长度拐点，拐点前效果明显，拐点后影响甚微，且曲线半径和运行速度都会影响拐点的具体位置，建议根据拐点位置来确定不同曲线半径线路的最小缓和曲线长度；过大的欠超高或过超高均会加剧重载货车曲线通过时的轮轨动力作用，但在欠超高为-20~0 mm时重载货车的综合轮轨动力响应相对较小，即保持货车以适当的欠超高(-20~0 mm)通过曲线有利于降低轮轨动力和磨耗，这与中国铁路工程运输实际设置的欠超高取值范围一致。更多>
2021, 21(3): 215-227. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.014
摘要(811) HTML (281) PDF (13262KB) (60)
铁路钢轨裂纹萌生的键型近场动力学预测模型
马晓川, 刘林芽, 冯青松, 徐井芒, 徐金辉, 王平
摘要: 为克服经典连续介质力学在解决不连续问题时的困难，采用近场动力学方法预测铁路钢轨的裂纹萌生，以避免数学构架在不连续处的失效问题；建立了考虑轨枕支承作用的钢轨形变分析模型，分析了模型参数合理取值及收敛性，计算了车轮滚动接触荷载下的钢轨位移；根据近场动力学损伤理论，以键伸长率为指标，分别研究了车轮全滑动、粘着-滑动及无摩擦状态对铁路钢轨裂纹萌生的影响规律。计算结果表明：近场动力学模型和经典连续介质力学模型的钢轨形变计算结果十分吻合，最大计算误差均在8%以内，验证了所建近场动力学模型的正确性；当裂纹萌生于钢轨轨头时，其启裂位置不在钢轨表面，而在钢轨表面以下约2 mm的位置，与现场观察结果一致，验证了近场动力学方法在模拟铁路钢轨疲劳裂纹萌生时的适用性；当车轮荷载位于钢轨跨中时，在车轮状态由全滑动向无摩擦转变的过程中，钢轨疲劳裂纹的萌生起点位置由轨头转移到轨底、由接触斑前端转移到接触斑中心，裂纹类型由局部滚动接触疲劳裂纹转变为整体结构疲劳裂纹，键最大伸长率由1.1×10-3降低到8.1×10-4，因此，增大切向接触应力会降低钢轨裂纹萌生寿命；当车轮荷载位于轨枕上方时，随车轮滚动状态的改变，钢轨裂纹的萌生位置始终位于轨头。更多>
2021, 21(3): 228-237. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.015
摘要(723) HTML (153) PDF (7549KB) (53)
载运工具运用工程
城市轨道交通列车车外噪声特性
张凌, 周豪, 冯青松, 陈艳明, 雷晓燕
摘要: 基于统计能量分析(SEA)和半无限流体方法，建立6节编组的B型列车车外噪声预测仿真模型；通过试验提取车体SEA模型的振动激励和轮轨噪声激励，施加给车体并计算分析了车外噪声特性；以中国某城市轨道交通列车通过噪声试验对模型进行验证，并探讨了列车各板单元和轮轨噪声声源对车外场点声压的贡献量。研究结果表明：统计能量分析和半无限流体方法能够准确预测车外噪声，计算效率为常规方法的14.1倍；车速为60 km·h-1时，车外7.5和30.0 m处噪声显著频段为400~1 600 Hz，声压级随频率升高先增大后缓慢下降，其变化趋势和轮轨噪声变化趋势一致，最大幅值频率集中在800 Hz处，最大值分别为64.88、61.75 dB(A)；车外噪声贡献量由大到小依次为轮轨噪声、车窗、侧墙、车门、底板、顶板、端墙；车体振动辐射噪声在低频段的贡献较大，在中心频率为20~100 Hz时，车外噪声主要来源为车窗、侧墙，其贡献率分别达到21.2%和19.2%；在中心频率为100~500 Hz时，车体各板及轮轨噪声贡献率差异较小；在中心频率为500~5 000 Hz时，车体各板块的贡献率呈缓慢下降趋势，轮轨噪声的贡献率随频率升高逐渐增加，在2 000~5 000 Hz的1/3倍频带内达到60%以上。更多>
2021, 21(3): 238-247. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.016
摘要(615) HTML (99) PDF (13149KB) (54)
高速列车低噪声设计中的部件声学指标分解方法
张捷, 姚丹, 王瑞乾, 肖新标
摘要: 提出了一种基于整车噪声仿真分析的部件声学指标分解方法；将高速列车的部件声学指标按类型分为声源指标和路径指标2种主要形式，分别基于声线法和统计能量分析方法建立了高速列车的车外噪声预测模型和车内噪声预测模型，通过选定的初始参数作为计算输入，预测车外、车内噪声，并与车辆顶层声学指标进行差异化对比分析；基于声源贡献、路径贡献与参数灵敏度分析，考虑多目标优化，确定了声源部件和路径部件的声学指标。研究结果表明：噪声源的指标分解，基于整车车外噪声仿真分析，当车外噪声预测结果满足声学设计目标且设计裕量在可接受范围之内时，此时的声源参数输入即可作为一组声源指标分解结果；对于传声路径的指标分解，基于整车车内噪声仿真分析，当车内噪声满足声学设计目标且设计裕量在可接受范围之内时，此时的路径参数输入即可作为一组路径指标分解结果；当声源指标或路径指标不满足整车噪声要求时，则需要进行声源或路径的贡献分析，计算主要贡献声源或路径的参数灵敏度，通过对主要贡献声源或者路径进行修正迭代，使之最终满足声学设计目标；低噪声设计需要不断综合多项指标的反馈，合理地调整部件声学指标，确保声学指标分解满足顶层目标，且具有可行性。更多>
2021, 21(3): 248-257. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.017
摘要(488) HTML (209) PDF (13287KB) (34)
受电弓区域气动激励特性及其对车内噪声的影响
张淑敏, 史佳伟, 圣小珍
摘要: 基于三维可压缩黏性流体模型对350 km·h-1速度下受电弓区域的非定常流场进行模拟，分析了受电弓底板上的脉动压力特征；利用波数滤波方法，对底板区域的脉动压力进行分离，得到了对流压力和声学压力，分析了2种压力在波数和频率域的特性；基于统计能量分析方法建立了简化的受电弓区域车内噪声预测模型，分析了2种激励对车内噪声的影响。研究结果表明：受电弓底板上的脉动压力具有显著的低频特性，随着频率升高，受电弓底板上脉动压力的幅值迅速减小；受电弓底架和绝缘子尾涡是影响受电弓底板上脉动压力幅值的主要因素；对350 km·h-1的高速列车气动噪声问题，波数滤波方法能够较好地将2种激励分离；受电弓底板上的声学压力幅值远小于对流压力，主要的差异频段为800~3 500 Hz，最大差异接近20 dB, 随着频率增加，二者差异变小；虽然声学压力的幅值远小于对流压力，但其对车内噪声的影响却大于对流压力，当频率高于2 500 Hz后，声学压力激励导致的车内声压级响应比对流压力高约10~20 dB，这是由于2种激励在波数空间内的能量分布差异，使得声学压力具有更高的透射效率，特别是当频率高于结构的吻合频率后，声压的贡献占绝对优势，对车内噪声的影响不可忽视。更多>
2021, 21(3): 258-268. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.018
摘要(452) HTML (128) PDF (21767KB) (38)
宽温域下高速轮轨界面粘着与车轮表面损伤行为
沈明学, 秦涛, 李圣鑫, 彭金方, 熊光耀, 朱旻昊
摘要: 搭建了高低温服役环境轮轨滚动试验台，在实验室条件下成功再现了哈大线等高寒铁路冬季车轮表面剥落和麻点严重、夏季异常光滑的季节性损伤特征；研究了宽温域(-50 ℃~60 ℃)下高速列车轮轨界面粘着和车轮损伤行为，系统探讨了不同服役温度下轮轨滚动接触界面的粘着系数演变规律，分析了车轮表面磨损形貌和表层材料塑变行为等重要特性。研究结果表明：随着服役温度的提高，轮轨界面粘着系数总体呈下降趋势，同时，车轮表面的凹坑尺寸减小，在高温60 ℃时，凹坑特征消失，磨损表面变得较为平整；在低温-40 ℃时，车轮表面最为粗糙，算术平均粗糙度为3.74，而随着服役温度的上升，磨损表面粗糙度显著下降，在高温60 ℃时，车轮表面算术平均粗糙度较小，为0.97；随着服役温度的升高，轮轨接触界面的磨损区域内Fe元素含量与O元素含量之比逐渐减小；低温低湿环境抑制了轮轨界面的摩擦氧化作用，增强了摩擦剪切作用，加剧了车轮表面的剥落、严重的塑性变形和表面疲劳裂纹的萌生与扩展，因此，磨损表面较为粗糙；而高温环境加速了轮轨界面的摩擦氧化作用，氧化磨屑的形成一定程度上起到了固体润滑作用，从而降低了轮轨界面间的粘着，车轮表面相对光滑；磨损机制由低温(-50 ℃~-20 ℃)服役工况下的疲劳磨损逐渐转变为常温(20 ℃)工况下的磨粒磨损和氧化磨损与高温(40 ℃~60 ℃)工况下的粘着磨损。更多>
2021, 21(3): 269-278. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.019
摘要(534) HTML (275) PDF (12988KB) (31)
磨耗状态下城际动车组轮轨曲线磨耗特性
寇杰, 张济民, 周和超, 王承萍
摘要: 以CRH6A城际动车组为研究对象，基于实测磨耗后轮轨型面，利用多体动力学软件Universal Mechanism建立了车辆动力学模型，计算了通过曲线时的轮轨力与轮对位置参数；在非线性有限元软件ABAQUS中，基于任意拉格朗日欧拉方法建立了轮轨三维滚动接触模型，计算了轮轨接触应力特性和滑移特性；基于Archard磨损模型，提出一种车轮表面接触区域磨损速率快速计算方法，研究了新轮、磨耗初期车轮和磨耗到限车轮与新轨、磨耗后钢轨相互作用下，车轮通过曲线时接触区域磨损特性。研究结果表明：新轮和磨耗后钢轨、磨耗初期车轮和新轨、磨耗到限车轮与新轨相互作用下最大法向接触应力分别达到了2 017、1 803和1 668 MPa，比新轮和新轨、磨耗初期车轮和磨耗后钢轨、磨耗到限车轮和磨耗后钢轨3种作用下最大接触应力高出20%以上；新轮和磨耗后钢轨、磨耗初期车轮与新轨、磨耗初期车轮和磨耗后钢轨相互作用下，轮轨间出现两点接触、三点接触，甚至四点接触；在多点接触下，轮缘处接触点表现出应力集中且磨损速率较高的特点，最大磨损速率分别达到2.60×10-5、3.82×10-5、3.52×10-5 mm·s-1，远高于新轮和新轨、磨耗到限车轮和新轨、磨耗到限车轮和旧轨3种作用下的磨损速率；磨耗到限车轮和新轨与磨耗钢轨相互作用下的磨损速率均相对较小，说明在磨耗后期的车轮磨耗相对较小；轨角磨耗会严重加剧新轮的轮缘磨耗，且磨耗初期车轮具有较高的轮缘磨损速率，应将车轮镟修周期和钢轨打磨周期相协调，并通过涂油等方式降低磨耗初期的轮缘磨损。更多>
2021, 21(3): 279-288. doi: 10.19818/j.cnki.1671G1637.2021.03.020
摘要(314) HTML (176) PDF (21178KB) (36)
内置磁流变阀对磁流变阻尼器动力性能的影响
胡国良, 邓英俊, 冯海波, 李刚
摘要: 为提高阻尼器在结构尺寸受限时的输出阻尼力，以磁流变阻尼器为对象，研究了内置磁流变阀结构对磁流变阻尼器动力性能的影响；通过改进传统磁流变阻尼器活塞头结构，将磁流变阀内置于阻尼器内，设计了一种内置阀式磁流变阻尼器，阐述了内置阀式磁流变阻尼器的结构与工作原理；对阻尼器的磁路进行了简化，并利用磁路欧姆定律对其进行了磁路分析；根据磁流变阻尼器的工作模式，建立了内置阀式磁流变阻尼器的阻尼力数学模型；利用有限元软件ANSYS对阻尼器的电磁特性进行了仿真分析，得出了不同电流下液流通道内磁感应强度的分布情况；结合阻尼力数学模型，利用MATLAB软件对阻尼器的动力性能进行了仿真分析；为验证阻尼器设计的合理性，搭建试验台对阻尼器的动力性能进行了测试分析，并将试验与仿真结果进行对比。研究结果表明：仿真与试验结果具有较好的一致性；不同外界激励与速度变化对输出阻尼力影响较小，内置阀式磁流变阻尼器能在不同工况下输出稳定的阻尼力；输出阻尼力与阻尼可调系数近乎线性随励磁电流增长；当电流为1.2 A时，输出阻尼力高达7.521 kN，阻尼可调系数可达9.7。可见，内置磁流变阀结构可在受限体积下有效延长阻尼通道长度，使磁流变阻尼器输出较高的阻尼力，且具备较宽的阻尼可调范围。更多>
2021, 21(3): 289-299. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.021
摘要(644) HTML (231) PDF (11417KB) (27)
高速动车组转向架端部悬挂件对构架应力的影响
杨广雪, 李爽, 张子璠, 李秋泽, 谌亮
摘要: 为了探究高速动车组转向架端部悬挂件对构架应力的影响规律，依据UIC 615-4标准，对转向架构架与端部悬挂件进行了有限元仿真，校核了构架疲劳强度；开展了实际运营条件下的跟踪测试试验，分析了不同位置测点应力的时、频域特征，计算了等效损伤；结合模态计算探讨了转向架端部悬挂件对构架侧梁端部应力状态产生较大影响的成因。分析结果表明：依据标准计算的弹簧帽筒区域的疲劳强度满足要求；远离辅助安装座区域的弹簧帽筒测点，实测最大等效损伤为0.01，靠近辅助安装座区域的弹簧帽筒测点，实测最大等效损伤为0.45，明显高于远离辅助安装座区域的测点；对于靠近辅助安装座区域的弹簧帽筒测点中，弹簧帽筒外侧测点即更靠近辅助安装座区域测点的等效损伤均高于内侧测点，二者等效损伤最大相差84.16%；实测数据存在38 Hz的主频，与辅助安装座和构架连接整体的第4阶模态接近，结合实测数据时频分析结果证明，车辆行驶与轨道不平顺波长共同作用产生的激扰，激起了辅助安装座和构架连接整体的第4阶模态，发生P2共振导致弹簧帽筒区域产生过大应力。更多>
2021, 21(3): 300-310. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.022
摘要(454) HTML (203) PDF (13857KB) (23)
高速列车动车和拖车转向架区域风雪流特征
蔡路, 娄振, 李田, 张继业
摘要: 为研究冬季高速列车在积雪轨道运行时动车和拖车转向架区域的雪粒运动特性差异，采用欧拉-拉格朗日气固两相流方法，分别建立了动车和拖车转向架的风雪流计算模型，分析了转向架区域的雪粒运动特征和雪粒与壁面的撞击特性。研究结果表明：动车和拖车转向架区域的气流路径相似，气流主要由轮对后部卷入转向架区域，并绕两轮对旋转，拖车转向架区域回流引起的正压要大于动车转向架区域回流引起的正压；牵引电机通风时，转向架区域前后轮对周围回转气流比不通风时明显增多；牵引电机的排风使动车转向架区域的雪粒逗留时间由不排风时1.10 s增加到1.13 s，不利于雪粒流出转向架区域；雪粒更易进入拖车转向架区域上部空间，在相同时间内拖车转向架捕获的雪粒比动车转向架多42.8%；动车转向架区域除轴箱外，其后部部件捕获的雪粒少于前部部件，拖车转向架区域除轮对外，其后部部件捕获的雪粒多于前部部件；牵引电机出风口处的气流会增加转向架前部区域部件上的撞击雪粒，减少转向架中部区域部件上的撞击雪粒；牵引电机排出的部分气流会形成绕车轮的旋转气流，使转向架底部更多的雪粒卷入转向架区域，导致撞击到前部轴箱和制动部件上的雪粒分别增加了20%和17%；转向架的雪粒入射区域主要分布在受到车底来流直接冲击的部位和受到转向架后部回流冲击的部位。更多>
2021, 21(3): 311-322. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2021.03.023
摘要(448) HTML (98) PDF (28434KB) (21)

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