【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(xiàn)象較為普遍,其不僅加劇輪軌間相互作用,導(dǎo)致車輛軌道系統(tǒng)振動(dòng)噪聲過(guò)大,影響乘坐舒適性,更與列車運(yùn)行安全息息相關(guān)。因此,研究地鐵鋼軌波磨的產(chǎn)生原因及影響因素具有重大現(xiàn)實(shí)意義。本文基于地鐵減振軌道結(jié)構(gòu),建立剛?cè)狁詈宪囕v-軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型以及彈塑性輪軌接觸模型,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性和鋼軌磨耗特征進(jìn)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(jī)理的系統(tǒng)研究提供參考。研究?jī)?nèi)容及主要結(jié)論如下:1.針對(duì)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(jié)構(gòu)的三維實(shí)體有限元模型,結(jié)合彈性化處理方法,通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算得出各部件響應(yīng)特征。在無(wú)激勵(lì)和美國(guó)五級(jí)譜軌道激勵(lì)兩種工況下,分析減振軌道的振動(dòng)特性,并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,從而驗(yàn)證計(jì)算模型的正確性和可用性,為后續(xù)探討軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與鋼軌波磨的相互關(guān)系提供模型基礎(chǔ)。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(duì)鋼彈簧浮置板和梯形軌枕軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率和軌枕模態(tài)振型變化的影響情況。結(jié)果表明:增加扣件剛度,內(nèi)外側(cè)鋼軌和軌下減振裝置峰值點(diǎn)頻率增大,調(diào)節(jié)扣件垂向剛度可以有效地控制軌道結(jié)構(gòu)中高頻區(qū)段振動(dòng)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(dòng)頻率在較小的頻率變化范圍內(nèi)有所增大。此外,改變軌道參數(shù)對(duì)與其相近的各結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率影響較大,而對(duì)距其較遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率影響相對(duì)較小。結(jié)合線路和軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化,對(duì)軌道振動(dòng)特性和鋼軌磨耗進(jìn)行分析,為后續(xù)鋼軌波磨相關(guān)研究做鋪墊。3.結(jié)合有限元和動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真,建立完整的剛?cè)狁詈宪囕v-軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與鋼軌波磨之間關(guān)系。分析得出,內(nèi)側(cè)鋼軌分別與浮置板和梯形軌枕出現(xiàn)較為明顯的共振現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為特定頻率下內(nèi)外側(cè)鋼軌和軌下減振裝置(浮置板或梯形軌枕)一起相對(duì)于道床做不同階數(shù)的垂向彎曲振動(dòng)以及同側(cè)反對(duì)稱振動(dòng),同時(shí)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(nèi)側(cè)輪重起到了約束作用,軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率降低導(dǎo)致軌道整體出現(xiàn)多種形式的耦合彎曲振型,加大了軌道系統(tǒng)彎曲振動(dòng)的復(fù)雜程度。4.基于輪軌接觸理論,采用輪軌作用力和磨耗指數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)探索鋼軌波磨產(chǎn)生原因。首先,兩種減振軌道結(jié)構(gòu)輪軌間作用力以及磨耗指數(shù)的峰值點(diǎn)距離間隔均呈現(xiàn)出一種固定波長(zhǎng)循環(huán)或多種波長(zhǎng)交替變換的鋼軌磨耗特征,具有明顯的周期性變化特點(diǎn)。其次,針對(duì)地鐵小半徑曲線均出現(xiàn)鋼軌波磨現(xiàn)象的實(shí)際問(wèn)題,探討了曲線條件和軌道激勵(lì)對(duì)鋼軌磨耗特征的影響程度。結(jié)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(guān),與常規(guī)量值范圍的軌道激勵(lì)隨機(jī)特征無(wú)關(guān),而曲線半徑相對(duì)較大線路鋼軌縱向方向上的不均勻磨耗主要與軌道激勵(lì)隨機(jī)特征有關(guān)。最后,通過(guò)對(duì)輪軌接觸應(yīng)力分布進(jìn)行求解,發(fā)現(xiàn)沿鋼軌縱向不同特殊位置處輪軌接觸應(yīng)力均超過(guò)鋼軌材料的屈服極限,波動(dòng)的峰值應(yīng)力易導(dǎo)致軌面出現(xiàn)塑性變形壓痕。5.通過(guò)對(duì)比相同曲線條件下減振軌道和普通整體軌道的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性以及磨耗特征的差異,進(jìn)一步論證鋼軌波磨產(chǎn)生原因。研究結(jié)果表明:在振動(dòng)特性方面,普通整體軌道與減振軌道在共振頻段內(nèi)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(shù)存在固定峰值點(diǎn)間隔距離,表現(xiàn)出周期性變化特點(diǎn),而普通軌道沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性特征,不具備固定波長(zhǎng)鋼軌波磨的產(chǎn)生條件。此外,仿真計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得波長(zhǎng)分布范圍接近,驗(yàn)證了仿真模型和計(jì)算結(jié)果的合理性。
【圖文】：

１．１選題背景及意義逡逑城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全準(zhǔn)時(shí)以及節(jié)約環(huán)保等特點(diǎn)［｜］。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(lái)的環(huán)境壓力以及降低城市污染和噪聲等問(wèn)題［２］。隨著城市化逡逑進(jìn)程的不斷加劇，英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)逐漸形成較為完善的城市軌道交逡逑通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的線路運(yùn)營(yíng)并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)軌道交通建設(shè)逡逑相對(duì)于世界發(fā)達(dá)國(guó)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(yùn)營(yíng)使用，線路總長(zhǎng)２３．６公里，之后軌道交通建設(shè)一直處于停滯狀態(tài)。由逡逑于我國(guó)城市人口流動(dòng)量以及貨物運(yùn)輸不斷增加，導(dǎo)致城市交通需求與路網(wǎng)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(jìn)我逡逑國(guó)現(xiàn)階段城市建設(shè)的重要前瞻性舉措。截止目前，北京、上海、廣州等２２個(gè)城市逡逑將建設(shè)７９條軌道交通線路，線路總長(zhǎng)２２６０公里，總投資超過(guò)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(wǎng)，預(yù)逡逑計(jì)投資１６００億元，初期所需車輛數(shù)量預(yù)計(jì)高達(dá)１０００列。逡逑

２１世紀(jì)以來(lái)，針對(duì)軌道交通運(yùn)營(yíng)引起的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，，各種類型的減振軌逡逑道設(shè)施相繼在我國(guó)城市軌道交通建設(shè)工程中得以應(yīng)用。由于受到設(shè)計(jì)制造、施工逡逑水平以及專業(yè)知識(shí)水平的制約，減振軌道設(shè)施在我國(guó)經(jīng)歷了一個(gè)曲折的發(fā)展過(guò)程。逡逑目前解決振動(dòng)及噪聲問(wèn)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(guò)采用不同種類扣件實(shí)現(xiàn)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(duì)振動(dòng)進(jìn)行減弱。目前，常見(jiàn)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(duì)鋼彈簧浮置板軌道和梯形軌枕軌道兩種減振軌道進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(hù)費(fèi)用低，且使用壽命長(zhǎng)。為了逡逑使其更好地應(yīng)用到工程實(shí)踐中，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)鋼彈簧浮置板軌道技術(shù)進(jìn)行了逡逑大量的理論分析和試驗(yàn)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(shù)以及鋼彈簧布置方式對(duì)軌道振動(dòng)和減振特性的影響情況。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH117;U231

【參考文獻(xiàn)】

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1 王維;;鐵路客運(yùn)專線軌道超高設(shè)置的適應(yīng)性研究[J];鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì);2014年03期

2 陳光雄;錢韋吉;莫繼良;朱e

本文編號(hào)：2673575