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原文传递地铁钢轨波磨区段环境振动噪声特征与控制方法研究

论文题名：	地铁钢轨波磨区段环境振动噪声特征与控制方法研究
关键词：	地铁轨道;环境振动;钢轨波磨;车内噪声
摘要：	随着地铁列车行驶速度与行车密度的不断提高，越来越多的线路上出现了钢轨波磨问题。钢轨波磨会加剧轮轨相互作用，除了会引起环境振动噪声异常增大外，还会导致轨道结构服役状态不断恶化，造成扣件弹条折断、车辆部件损坏等问题。因此，延缓钢轨波磨的产生与发展是城市轨道交通领域中迫切需要解决的重点难题之一。　　本文综合采用现场调研、仿真分析、跟踪测试等方式，研究了钢轨波磨区段环境振动噪声特征，明确钢轨波磨的不利影响，并对钢轨波磨成因及影响因素进行探究，提出了既有线钢轨波磨治理方案。本论文的主要研究工作及关键性结论如下：　　（1）对钢轨波磨特征、轨道动态响应、车内噪声进行现场测试，揭示了钢轨波磨区段轨道动力响应和车内噪声的时域及频域特征。曲线地段钢轨波磨的主要波长为31.5～63mm，并且小半径曲线地段的内轨上存在更严重的钢轨波磨问题。钢轨波磨对轨道结构动力响应具有显著影响，会导致轮轨间产生剧烈的相互作用，引起轮轨力、钢轨位移、轨道结构振动加速度大幅度增大。此外，钢轨波磨还会引起车内噪声异常增大。该异常的车内噪声在400Hz频率处存在明显峰值，对应现场63mm典型波长的钢轨波磨。　　（2）建立车辆-轨道-隧道-土体有限元分析模型，研究了钢轨波磨的特征对轨道系统振动的影响，探究了地铁引起的环境振动在土体中的传播规律。轨道结构的振动随着钢轨波磨波深的增长而逐渐增大，随着钢轨波磨波长的增长而逐渐减小。在不同波长的波磨激励下，轨道结构将会产生不同主频的振动，该主频随波磨波长的增大而降低。地铁引起的振动在土体中传播的主要频率为20～80Hz。当土体振动由隧道壁位置至上传递至地表时，较高频率下的土体振动加速度幅值衰减较快。　　（3）基于摩擦自激振动理论，建立轮对-短枕式整体道床有限元模型以及轮对-钢弹簧浮置板轨道有限元模型，并对钢轨波磨的成因展开分析。两种轨道的最小等效阻尼比对应的不稳定振动频率在445～447Hz之间，且该不稳定振动主要发生在内侧轮轨之间。此不稳定振动将会促进内轨产生波长约为53mm的钢轨波磨。与短枕式整体道床相比，钢弹簧浮置板轨道上钢轨的振动幅度更大。　　（4）基于建立的轮轨系统有限元模型，从线路设计条件及轨道结构参数两种角度探讨了钢轨波磨的影响因素。曲线半径与钢轨波磨产生趋势具有一定的相关性，随着曲线半径的减小，钢轨波磨产生的可能性增大。当曲线超高及轨底坡设置不合理时，轨道上容易出现钢轨波磨现象。增大钢轨扣件刚度、在轨道上安装钢轨吸振器均有利于降低轮轨系统的不稳定振动，从而抑制钢轨波磨的发展。　　（5）结合现场调研及仿真分析结果，形成针对既有线路的钢轨异常波磨的治理方案，即现场调研、调整轨道参数、轨道精调、动态检查。对整治措施的治理效果进行跟踪评估后发现，增大轨道刚度以及调整轨道几何形位均可以明显降低轨道结构显著频率下的振动响应峰值，有效抑制钢轨波磨的产生与进一步发展。钢轨波磨治理后，内外轨的表面不平顺及车内噪声大幅度降低，且长时间内并未发生明显变化。
作者：	姚宇飞
专业：	道路与铁道工程
导师：	蔡小培
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023