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軌道交通行業動力學聲學測試

摘要:不管是鐵路還是城市軌道交通,將乘客安全、高效的運送到目的地的同時最大限度的減小振動噪聲問題對相關人員及環境的影響都是軌道交通運輸的首要目標,對軌道交通系統的動力學及NVH性能進行測試分析與改進優化對提升運營穩定性與乘坐體驗是十分必要的。

關鍵詞:軌道交通,機車車輛,NVH,鐵路橋梁,動力學,聲學,測試



1 軌道車輛動力學與聲學測試

為乘客提供可靠高效,安靜舒適的旅行環境是每個軌道車輛制造商的重要目標,因此,對軌道車輛進行動力學及NVH性能測試評估與分析優化對提高運行品質有著十分重要的意義。

高速軌道車輛的動態行為較為復雜,理論與仿真分析是研制階段非常重要的一個方面,但樣機完成后的試驗研究及驗證工作是必不可少的,也是保證軌道車輛安全平穩運行的重要手段。

圍繞軌道車輛動力學及NVH性能進行的研究與驗證試驗主要分為以下幾類:

1)出廠檢測試驗:主要包括轉向架組裝試驗檢測和整車落成后轉向架相關尺寸的檢驗;

2)臺架試驗:整車臺架試驗主要包括整車的動力學性能和牽引制動試驗,臺架試驗項目通常可參照TB/T3115-2005《機車車輛動力學性能臺架試驗方法》進行

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                    圖動車組臺架試驗


3)線路試驗:線路試驗主要包括例行試驗、型式試驗及研究試驗三部分,各部分主要試驗內容如下:

1)例行試驗:此類試驗應在所有交付的動車組上進行。例行試驗測試的數據應與型式試驗結果基本相同,可考慮一定的公差。例行試驗可在整備狀態下進行,試驗方法可適當簡化。試運行是動車組最終交接前的靜態和線路運行的例行試驗,主要是整定動車組相關參數,檢查各系統功能是否正常,測試數據與型式試驗結果是否基本相同;

2)型式試驗:型式試驗通常在新設計的第一列動車組上進行,當制造地點發生變化或結構與工藝有重大改變應進行型式試驗,停產五年后再生產應重新進行型式試驗,型式試驗項目一般應根據相關國家或行業標準執行,例如GB5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》、《高速動車組整車試驗規范》等。

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                圖大西線標準動車組型式試驗


3)研究試驗:研究試驗時可選的特殊試驗,目的是獲取額外的信息。研究試驗應確定具體的操作方法及試驗項目,試驗結果可作為今后動車組改進、優化和運用的參考,不作為檢驗驗收的依據。

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                                    圖標準動車組模態試驗


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                                    圖地鐵列車振動傳遞路徑試驗


4)跟蹤試驗:其目的是對高速列車在運行過程中的性能進行檢測,以掌握其性能的變化規律,保證高速列車動力學性能和安全運行。與動力學及NVH性能有關的跟蹤試驗項目主要有車輛系統振動、車內外噪聲特性等。

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            圖用于軌道交通結構動力學特性跟蹤測試的車線橋一體化監測系統

 

軌道系統動力學測試

鐵路軌道是一個長大工程結構。其基本的物理力學參數如道床密實度、道床臟污率、道床變形模量、道床阻力、道床阻尼、鋼軌基礎彈性系數、軌道橫向剛度、鋼軌支點彈性系數等,都因受軌道使用年限、地質情況、氣候條件及線路養護水平等多種因素的影響而因時、因地而易,對于某種給定的軌道類型來說各參數值總是在一定的范圍內變化。作用在軌道上的荷載,也因受機車車輛的結構、車輛裝載、司機操作水平、行車速度、車輪圓順程度、軌面平順性及軌下基礎彈性的均勻性等多種因素的影響而帶有強烈的隨機性。因此在列車作用下,在軌道中引起的各種動力效應,包括輪軌之間及軌道各部件之間的相互作用荷載,軌道各部件的位移、應力、應變、振動等也是隨機的。軌道結構的計算理論,都是以一定的力學模型及給定的荷載采數和軌道參數為前提,其計算結果只能反映一定的軌道結構在給定的運營條件下,各軌道動力效應值的大致水平和量級,不可能給出某次行車在某個軌道斷面上的真實值,這往往給許多實際工程問題的解決帶來一定的困難。

軌道的基本物理力學參數直接表征了軌道所處的狀態及軌道承受列車荷載的能力。而行車的安全、軌道的失效或破壞,又總是和一種或幾種動力效應有關。因此通過測試,就可能估算軌道的承載能力。挖掘運輸潛力;檢驗軌道的工況,保證行車安全;了解軌道所處的狀態,合理安排軌道修理,實現軌道全面質量管理提供第一手資料。

《高速鐵路工程動態驗收技術規范》對軌道系統在輪軌載荷激勵下的動力響應進行了限定,以保證動車組運行的安全性平穩性,避免軌道系統由于振動過大噪聲損壞或疲勞破壞。按照規范要求應對穩定性指標、鋼軌軌枕軌道板位移、振動加速度進行測量評價。


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            圖央視紀錄片《高鐵安全守望者》中的INV系列采集儀


為減少軌道系統病害,提高運行穩定性,往往還需要對軌道系統進行動力學測試以對結構進行優化。常需進行的軌道系統動力學試驗主要是鋼軌、扣件及軌道板等軌道結構的模態試驗。


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                       圖高速鐵路軌道結構模態試驗


為了降低對軌道交通周邊環境振動噪聲的影響,城市軌道交通軌道系統經常會使用減振扣件與浮置板軌道,為了掌握減振結構的動力學特性與減振效果,通常會對減振扣件進行動剛度、振動衰減率等測試,對浮置板軌道進行固有頻率、阻尼、減振效果測試。


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                            圖地鐵浮置板軌道模態試驗


鐵路橋梁結構試驗

橋梁結構試驗時對實橋進行無損檢測的一項科學實驗工作,其目的是通過荷載試驗,了解結構在荷載作用下的實際工作狀態,借以綜合判斷結構的承載能力和制定安全運用條件。

荷載試驗的內容及目的:

1)靜載試驗:試驗荷載停于預定加載位置對結構進行靜應變、靜位移等測定,以了解結構截面的應力分布、桁梁桿件的實際內力、混凝土梁的中性軸位置、梁跨中點的撓度、活動支座的水平位移等,據以判斷結構在靜載荷作用下的工作狀態。


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                        圖鐵路橋梁靜載試驗


2)動載試驗:試驗荷載以不同速度通過試驗橋梁進行動應力、動位移、豎向與橫向振動的測定,以了解結構的動力系數、振動特征(振幅、頻率、模態振型、阻尼比)等,據以判斷結構在動載作用下的工作狀態。


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        圖10 鐵路橋梁模態試驗——從火箭激勵到力錘激勵再到天然脈動激勵


3)制動試驗:試驗荷載以特定速度運行,在橋上進行緊急制動,以測定荷載制動時產生的構件應力和位移,據以檢驗結構物在制動力作用下的工作狀態。


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                        圖11 鐵路橋梁制動試驗


橋梁試驗可根據具體的試驗目的進行上述單項或多項試驗。


軌道交通環境測試

隨著城市現代化進程,振動對生活和工作環境的影響引起人們的普遍關注。據統計,除工廠、企業和建筑施工外,交通系統引起環境振動是公眾反映中最強烈的,已經引起了各國政府、研究機構和高等院校的高度重視。對振源(交通車輛和支承結構)——傳播路徑(地基土)——受振體(人、建筑物、儀器設備)動力相互作用系統進行綜合研究,以便對交通引起的環境振動影響作出分析和評估,是合理進行鐵路、公路、城市軌道交通工程規劃、設計的實際需要,對于承受移動荷載的交通土建工程結構物的可持續發展、改善城市環境質量、降低振動水平、提高城市居民生活質量、保證建筑物安全具有十分重要的理論和實際意義。

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                圖12 軌道交通環境振動測試與施工噪聲監測



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