轨道交通行业动力学声学测试

2017-09-14 18:39:33 阅读次数:1699

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摘要:不管是铁路还是城市轨道交通,将乘客安全、高效的运送到目的地的同时最大限度的减小振动噪声问题对相关人员及环境的影响都是轨道交通运输的首要目标,对轨道交通系统的动力学及NVH性能进行测试分析与改进优化对提升运营稳定性与乘坐体验是十分必要的。

关键词:轨道交通,机车车辆,NVH,铁路桥梁,动力学,声学,测试


1 轨道车辆动力学与声学测试

为乘客提供可靠高效,安静舒适的旅行环境是每个轨道车辆制造商的重要目标,因此,对轨道车辆进行动力学及NVH性能测试评估与分析优化对提高运行品质有着十分重要的意义。

高速轨道车辆的动态行为较为复杂,理论与仿真分析是研制阶段非常重要的一个方面,但样机完成后的试验研究及验证工作是必不可少的,也是保证轨道车辆安全平稳运行的重要手段。

围绕轨道车辆动力学及NVH性能进行的研究与验证试验主要分为以下几类:

1)出厂检测试验:主要包括转向架组装试验检测和整车落成后转向架相关尺寸的检验;

2)台架试验:整车台架试验主要包括整车的动力学性能和牵引制动试验,台架试验项目通常可参照TB/T3115-2005《机车车辆动力学性能台架试验方法》进行

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                    图动车组台架试验


3)线路试验:线路试验主要包括例行试验、型式试验及研究试验三部分,各部分主要试验内容如下:

1)例行试验:此类试验应在所有交付的动车组上进行。例行试验测试的数据应与型式试验结果基本相同,可考虑一定的公差。例行试验可在整备状态下进行,试验方法可适当简化。试运行是动车组最终交接前的静态和线路运行的例行试验,主要是整定动车组相关参数,检查各系统功能是否正常,测试数据与型式试验结果是否基本相同;

2)型式试验:型式试验通常在新设计的第一列动车组上进行,当制造地点发生变化或结构与工艺有重大改变应进行型式试验,停产五年后再生产应重新进行型式试验,型式试验项目一般应根据相关国家或行业标准执行,例如GB5599-85《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》、《高速动车组整车试验规范》等。

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                图大西线标准动车组型式试验


3)研究试验:研究试验时可选的特殊试验,目的是获取额外的信息。研究试验应确定具体的操作方法及试验项目,试验结果可作为今后动车组改进、优化和运用的参考,不作为检验验收的依据。

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                                    图标准动车组模态试验


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                                    图地铁列车振动传递路径试验


4)跟踪试验:其目的是对高速列车在运行过程中的性能进行检测,以掌握其性能的变化规律,保证高速列车动力学性能和安全运行。与动力学及NVH性能有关的跟踪试验项目主要有车辆系统振动、车内外噪声特性等。

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            图用于轨道交通结构动力学特性跟踪测试的车线桥一体化监测系统

 

2 轨道系统动力学测试

铁路轨道是一个长大工程结构。其基本的物理力学参数如道床密实度、道床脏污率、道床变形模量、道床阻力、道床阻尼、钢轨基础弹性系数、轨道横向刚度、钢轨支点弹性系数等,都因受轨道使用年限、地质情况、气候条件及线路养护水平等多种因素的影响而因时、因地而易,对于某种给定的轨道类型来说各参数值总是在一定的范围内变化。作用在轨道上的荷载,也因受机车车辆的结构、车辆装载、司机操作水平、行车速度、车轮圆顺程度、轨面平顺性及轨下基础弹性的均匀性等多种因素的影响而带有强烈的随机性。因此在列车作用下,在轨道中引起的各种动力效应,包括轮轨之间及轨道各部件之间的相互作用荷载,轨道各部件的位移、应力、应变、振动等也是随机的。轨道结构的计算理论,都是以一定的力学模型及给定的荷载采数和轨道参数为前提,其计算结果只能反映一定的轨道结构在给定的运营条件下,各轨道动力效应值的大致水平和量级,不可能给出某次行车在某个轨道断面上的真实值,这往往给许多实际工程问题的解决带来一定的困难。

轨道的基本物理力学参数直接表征了轨道所处的状态及轨道承受列车荷载的能力。而行车的安全、轨道的失效或破坏,又总是和一种或几种动力效应有关。因此通过测试,就可能估算轨道的承载能力。挖掘运输潜力;检验轨道的工况,保证行车安全;了解轨道所处的状态,合理安排轨道修理,实现轨道全面质量管理提供第一手资料。

《高速铁路工程动态验收技术规范》对轨道系统在轮轨载荷激励下的动力响应进行了限定,以保证动车组运行的安全性平稳性,避免轨道系统由于振动过大噪声损坏或疲劳破坏。按照规范要求应对稳定性指标、钢轨轨枕轨道板位移、振动加速度进行测量评价。


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            图央视纪录片《高铁安全守望者》中的INV系列采集仪


为减少轨道系统病害,提高运行稳定性,往往还需要对轨道系统进行动力学测试以对结构进行优化。常需进行的轨道系统动力学试验主要是钢轨、扣件及轨道板等轨道结构的模态试验。


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                       图高速铁路轨道结构模态试验


为了降低对轨道交通周边环境振动噪声的影响,城市轨道交通轨道系统经常会使用减振扣件与浮置板轨道,为了掌握减振结构的动力学特性与减振效果,通常会对减振扣件进行动刚度、振动衰减率等测试,对浮置板轨道进行固有频率、阻尼、减振效果测试。


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                            图地铁浮置板轨道模态试验


3 铁路桥梁结构试验

桥梁结构试验时对实桥进行无损检测的一项科学实验工作,其目的是通过荷载试验,了解结构在荷载作用下的实际工作状态,借以综合判断结构的承载能力和制定安全运用条件。

荷载试验的内容及目的:

1)静载试验:试验荷载停于预定加载位置对结构进行静应变、静位移等测定,以了解结构截面的应力分布、桁梁杆件的实际内力、混凝土梁的中性轴位置、梁跨中点的挠度、活动支座的水平位移等,据以判断结构在静载荷作用下的工作状态。


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                        图铁路桥梁静载试验


2)动载试验:试验荷载以不同速度通过试验桥梁进行动应力、动位移、竖向与横向振动的测定,以了解结构的动力系数、振动特征(振幅、频率、模态振型、阻尼比)等,据以判断结构在动载作用下的工作状态。


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        图10 铁路桥梁模态试验——从火箭激励到力锤激励再到天然脉动激励


3)制动试验:试验荷载以特定速度运行,在桥上进行紧急制动,以测定荷载制动时产生的构件应力和位移,据以检验结构物在制动力作用下的工作状态。


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                        图11 铁路桥梁制动试验


桥梁试验可根据具体的试验目的进行上述单项或多项试验。


4 轨道交通环境测试

随着城市现代化进程,振动对生活和工作环境的影响引起人们的普遍关注。据统计,除工厂、企业和建筑施工外,交通系统引起环境振动是公众反映中最强烈的,已经引起了各国政府、研究机构和高等院校的高度重视。对振源(交通车辆和支承结构)——传播路径(地基土)——受振体(人、建筑物、仪器设备)动力相互作用系统进行综合研究,以便对交通引起的环境振动影响作出分析和评估,是合理进行铁路、公路、城市轨道交通工程规划、设计的实际需要,对于承受移动荷载的交通土建工程结构物的可持续发展、改善城市环境质量、降低振动水平、提高城市居民生活质量、保证建筑物安全具有十分重要的理论和实际意义。

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                图12 轨道交通环境振动测试与施工噪声监测

  

参考文献

1)《动车组总体与转向架》,张卫华主编,中国铁道出版社;

2)《机车车辆动力学》,姚建伟主编,科学出版社;

3)《铁路轨道动力测试技术》,曾树谷主编,中国铁道出版社;

4)《铁路桥梁检定规范(铁运函[2004]120号)》,中国铁道出版社;

5)《交通环境振动工程》,夏禾主编,科学出版社。