轨道随机不平顺与车辆动力响应的相干分析

不平顺条件下高速铁路路基的动力分析发布时间：2023-03-30T07:46:09.441Z 来源：《福光技术》2023年4期作者：刘广广[导读] 无碴轨道-过渡段路基系统是一个十分复杂的三维空间耦合系统。

它由钢轨、扣件和轨下胶垫、轨道板、CA砂浆层、整体混凝土道床、掺5%的水泥级配碎石层、A填料、B填料和硬质岩地基等子结构构成。

甘肃铁科建设工程咨询有限公司甘肃省兰州市 73000摘要：轨道不平顺是机车车辆与轨道结构产生随机振动、轨道结构疲劳破坏和机车车辆运行平稳性下降的重要原因.轨道不平顺是随里程变化的随机干扰函数，对其的管理是一项复杂的工作.国外的经验是建立各级线路的轨道谱对轨道不平顺进行总体控制.在对轮轨系统动力仿真计算时，为了分析轨道不平顺对机车车辆、轨道结构振动的影响，根据现场实测的轨道不平顺随机函数，将轨道不平顺谱转化为时域不平顺随机函数，作为轮轨系统动力学仿真计算的激扰输入.并根据轨道不平顺和仿真计算的结果进行相干分析，评价引起车辆运行品质下降的轨道不平顺频率和幅值范围，进而为轨道不平顺的管理提供依据.1 过渡段动力学计算理论与不平顺模拟1.1 能量方程无碴轨道-过渡段路基系统是一个十分复杂的三维空间耦合系统。

它由钢轨、扣件和轨下胶垫、轨道板、CA砂浆层、整体混凝土道床、掺5%的水泥级配碎石层、A填料、B填料和硬质岩地基等子结构构成。

如上所述，无碴轨道-过渡段路基系统可视为若干个子结构，求出这些各子结构的能量，并将不同性质单元耦合能量纳入到总能量矩阵中，便可得在t时刻的无碴轨道-路基系统总能量。

应用能量驻值原理就可得到无碴轨道-过渡段路基系统各个子结构的动力矩阵方程。

其总能量泛函W·（t）包括以下几个部分，即W（t）=W（t）int+W（t）ext+W（t）kin+W（t）dam+W（t）coup。

（1）式中：W（t）int为系统应变能，包括钢轨、扣件和垫板、轨道板、整体道床板、基床加强层、基床以及基床以下部分等结构的总变形能；W（t）ext为各种外力所作的功，亦包括各种轮轨力的功；W（t）kin为系统的动能，包括上述各子结构的振动动能；W（t）dam为阻尼力所作的功，包括结构阻尼和材料阻尼的功；W（t）coup为约束力所作的功，即上述系统各子结构单元位移耦合约束所增加的变形能。

轨道不平顺随机性对高速铁路桥梁动力响应的影响受人为建造误差、复杂运营环境、材料性能的经时劣化等内外、主客观因素的影响，列车与桥梁之间的相互作用具有显著的随机性。

现阶段，国内外学者已经逐步开展车桥耦合随机振动的相关研究[1-7]，以期更准确地描述现实中列车运行于高速铁路桥梁上的动力学状态。

2.扩大冰雪商贸服务，促进冰雪经济繁荣。

商贸服务业主要包括批发业、零售业、餐饮业、住宿业等服务行业。

在餐饮业上，打造吉菜餐饮品牌，突出天然、绿色、营养、健康的特色，提升餐饮附加值。

在住宿业上，合理引进高星级品牌酒店，在重点旅游城市和环长白山区域建设高档酒店、经济型酒店、客栈民宿、短租公寓、长租公寓等多种旅游住宿业态，以满足不同的市场需求。

同时，要加快旅游商品开发，开发具有吉林地域和民族文化特色的旅游商品，优选东北三宝、长白山珍、吉林鲜米、民族工艺等产品，将其打造成为吉林特色商品。

车桥耦合系统中，最为主要且常见的随机激励源为轨道不平顺。

在传统确定性计算模型中，轨道不平顺的空间序列是由某一功率谱密度函数转变而来的，如具有代表性的德国轨道谱、美国轨道谱、中国轨道谱等。

然而，这些轨道谱实质上是统计平均谱，不能完整地反映实际线路中轨道不平顺的离散特性。

因此，既有基于平均轨道谱的车桥耦合振动研究可能准确度欠佳、可靠性不足。

近年来，研究者们已逐步开展轨道不平顺随机场模型的研究，如Perrin等[8]提出的轨道不平顺随机模型，Xu等[9-10]提出的轨道不平顺概率模型等。

以之为基础，可进一步研究轨道随机不平顺对车桥耦合系统动力响应的影响规律。

本文建立了一种基于整体式建模方法的车-轨-桥耦合系统动力学模型，结合文献[9-10]所提出的轨道不平顺概率模型，综合运用概率密度演化及极值分析等方法，研究了轨道不平顺随机性对桥梁动力响应的影响。

1 车-轨-桥耦合计算模型如图1所示，三维车-轨-桥动力学模型主要由车辆模型、有砟轨道模型、桥梁模型、轮轨相互作用、桥轨相互作用及数值积分方法共6大模块组成。

铁路轨道不平顺对车轨系统竖向振动响应的影响分析的开题报告题目：铁路轨道不平顺对车轨系统竖向振动响应的影响分析一、研究背景铁路系统作为人类现代交通运输的重要组成部分，既是经济发展的基础，也是人民生活的保障。

但是，铁路车辆运行过程中存在着不同程度的振动问题，其中竖向振动对车辆和轨道系统的稳定性和安全性影响尤为重要。

而铁路轨道不平顺作为一个重要的外部扰动因素，其对车轨系统竖向振动响应的影响需要深入研究。

目前，国内外的学者和工程技术人员已经对车轨系统的竖向振动问题进行了大量的研究，探索了多种不同的理论模型和数值方法。

然而，铁路轨道不平顺对车轨系统竖向振动响应的影响仍然存在一定的争议和不确定性，需要进一步深入研究。

二、研究目的本研究旨在通过对铁路轨道不平顺对车轨系统竖向振动响应的影响进行分析和探讨，深入研究铁路车辆和轨道系统的振动特性及其影响因素，提出针对性的优化措施和建议，为铁路运输安全和运行效率的提升提供科学依据和技术支持。

三、研究内容1. 铁路车辆和轨道系统的振动特性及其数学模型；2. 铁路轨道不平顺对车轨系统竖向振动响应的分析；3. 研究铁路轨道不平顺的特点和分布情况；4. 优化铁路轨道结构和减少不平顺对车轨系统振动响应的影响；5. 对优化方案进行数值模拟验证和实验研究。

四、研究方法本研究主要采用数学建模和数值仿真相结合的方法，通过建立车辆和轨道系统的数学模型和铁路轨道不平顺的数学描述，分析和探讨铁路轨道不平顺对车轨系统竖向振动响应的影响。

同时，结合实际数据和仿真结果，提出优化方案和措施，并进行数值模拟验证和实验研究。

五、研究意义通过本研究，可以深入分析和探讨铁路轨道不平顺对车轨系统竖向振动响应的影响及其机理，提出针对性的优化措施和建议，为铁路运输安全和运行效率的提升提供科学依据和技术支持。

同时，本研究还可以为相关领域的学者和工程技术人员提供研究参考和借鉴。

收稿日期：2018-06-09；修回日期：2018-07-25基金项目：国家自然基金地区科学基金项目（51568037）作者简介：张坤（1992—），男，硕士研究生，研究方向为道路与铁路选线，E-mail ：1026266404@qq．com 。

通信作者：段晓峰（1978—），女，副教授，博士研究生，E-mail ：774196620@qq．com 。

第63卷第4期2019年4月铁道标准设计ＲAILWAYSTANDAＲDDESIGNVol．63No．4Apr．2019文章编号：1004-2954（2019）04-0028-06轨道随机不平顺对高速铁路列车运行性能影响分析张坤，段晓峰，韩峰，杜阳阳（兰州交通大学土木工程学院，兰州730070）摘要：轨道几何不平顺不仅是列车动力响应的主要原因，也是列车运行安全性和平稳性的重要因素。

基于SIM-PACK 多体动力学仿真软件，分析4种基本随机不平顺对高速列车直线运行性能和曲线运行性能的影响，对比不同激励类型下列车的安全性和平稳性指标，并推导出最不利影响激励和线路位置，为现场控制基本轨道不平顺，制定轨道养护维修和不平顺管理标准提供理论依据。

分析结果表明：方向和高低随机不平顺分别对列车的横向加速度以及垂向加速度影响较大，轨距随机不平顺对曲线地段列车脱轨系数作用最大，方向随机不平顺对列车在直线和第二段缓和曲线处脱轨系数影响较大，同时在两段缓和曲线处轮重减载率也急剧增大，水平随机不平顺对两个缓和曲线地段处列车的脱轨系数影响较大。

关键词：轨道；基本不平顺；动力响应；SIMPACK 中图分类号：U211.2文献标识码：ADOI ：10．13238/j．issn．1004－2954．201806090002Analysis of the Influence of Ｒandom Irregularity on High-speedＲailway Train's Operation PerformanceZHANG Kun ，DUAN Xiao-feng *，HAN Feng ，DU Yang-yang（School of Civil Engineering ；Lanzhou Jiaotong University ，Lanzhou 730070，China ）Abstract ：The track geometric irregularity is not only the main cause of the train's dynamic response ，but also the important factor of the safety and stability of train operation．This paper ，based on the multi-body dynamics software SIMPACK ，analyzes the influence of four kinds of basic random irregularities on high speed train's operating performance on straight line and curve line．The comparison of the safety and stability of the train running under different irregularity conditions and the derivation of the most unfavorable excitation and line position provide theoretical guidance for controlling the basic irregularities in railway maintenance and formulating the criterion for maintenance of track geometry and relevant managerial work．The final analysis results show that the direction and the longitudinal random irregularity pose great influences respectively on the lateral acceleration and vertical acceleration of the train．The gauge random irregularity has the greatest effect on the train derailment coefficient on curve section．The direction random irregularity affects the derailment coefficient of the train on straight line and the second section of transition curve．Meanwhile ，the load reduction rate of wheel load increases sharply on the transition curve．Horizontal random irregularity brings greater influence on the derailment coefficient of the train on the two transition curve sections．Key words ：Track ；Basic irregularity ；Dynamic response ；SIMPACK引言随着我国铁路事业的蓬勃发展，人们对列车运行速度，行车安全性和运行平稳性有着越来越高的要求。

第31卷第1期 2018年2月振动工程学报Journal of V ibration EngineeringV o l. 31 N o. 1Feb. 2018横风和轨道不平顺联合作用下的车辆-轨道系统随机分析模型徐磊，翟婉明(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031)摘要：视横风和轨道随机不平顺激扰下的车辆-轨道系统为随机非线性系统。

依据车辆-轨道耦合动力学和随机分析理论，建立了用于横风、轨道随机不平顺联合分析的车辆-轨道系统随机分析模型。

其中，横风由平均风和随机脉 动风构成，考虑脉动风的空间相关性，采用谐波合成法模拟脉动风速，用K a rhunen-L o^e展开法把握脉动风的随机特征；采用轨道不平顺概率模型，生成轨道随机不平顺样本序列；通过将横风和轨道不平顺转化为相应的车辆- 轨道系统荷载矢量，从而建立用于风-轨道不平顺联合分析的车辆-轨道随机分析模型。

计算结果表明：横风对车 辆、轨道系统的动力影响均十分显著。

在本文给出的计算条件下，当横风标准风速达到15m/s以上时，会逐步影 响车辆的平稳舒适性，而当风速达到25m/s以上，行车安全受到严重威胁；此模型能够用于风环境下的车辆-轨道系统随机分析及可靠度计算。

关键词：车辆-轨道耦合系统'随机分析'横风'轨道不平顺中图分类号：U211.3; 0324文献标志码：A文章编号：1004-4523(2018)01-0039-10D O I：10. 16385/j. cnki. issn. 1004-4523. 2018. 01. 005引言风致振动是影响铁路车辆安全、平稳、舒适运行 的重要因素，特别是横风条件下的车辆运动稳定性 及倾覆安全性问题受到了国内外学者的普遍关注[15]%大量实测资料表明6，风速由准静态平均风 和随机脉动风构成，通过对车辆系统产生风压，进而 影响车辆/轨道系统的综合动力性能。

目前，考虑风荷载作用的车辆-轨道（桥梁）系统 动力学研究成果颇丰，C h ris tia n和Carsten)]将阵 风持续时间和气动力系数作为随机变量，开展了铁 道车辆系统在横风作用下的可靠度和敏感性研究' SOphane等）]基于压力场实测结果发展了 一种用 于计算局部瞬态气动力的方法;X u等[9]研究了横风 作用下列车-斜拉桥系统的动力性能；李永乐等[10]发展了用于风-车-桥耦合系统动力计算及性能评估 的分析模型；郗艳红等[11]以C R H3型高速列车为 例，分析了横风作用下的列车安全运行速度限值;刘 加利等[12]基于高速列车空气动力学和多体动力学 理论，研究了横风对高速列车运行安全性的影响；周丹等）3]基于三维非定常方程，模拟了青藏线客运列车在强横风和路堤上的运行稳定性；杨吉忠等[14]研 究了横风环境下的的铁道车辆振动响应特性。

第 38 卷第 5 期Vol.38 No.5工 程 力 学2021年5 月May2021ENGINEERING MECHANICS191文章编号：1000-4750(2021)05-0191-08地铁轮轨耦合不平顺激励对轨道振动影响分析马 蒙1，李明航1，谭新宇1，曲翔宇1，张厚贵2(1. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2. 北京市劳动保护科学研究所， 北京 100054)摘 要：轮轨动态输入激励直接影响车辆-轨道耦合模型的计算结果。

目前在地铁列车环境振动振源研究中，大多只考虑了轨道不平顺的激励而忽略了车轮不圆顺的影响。

为了构建地铁轮轨耦合不平顺激励、综合分析轨道不平顺以及车轮、钢轨的磨耗状态对轨道动力响应的影响，对一列地铁列车进行了车轮不圆顺的现场测试，同时对一段区间隧道内的轨道不平顺和钢轨粗糙度均进行了测试。

基于车辆-轨道耦合频域解析模型计算了轨道动力响应，比较了不同轮轨激励模式对计算结果的影响。

同时，在同一区间隧道内实测了钢轨振动响应，用以验证不同激励模式计算结果的准确性。

结果表明：美国谱和Sato谱会低估车轮不圆顺典型波长控制频段的振动响应，从而难以准确获得8 Hz~200 Hz频段的振动响应；按能量叠加方法获得的轮轨耦合不平顺谱可反映完备的轮轨激励信息，以此作为激励，在8 Hz~200 Hz频段，可计算获得与实测值更相近的模拟计算结果。

关键词：地铁；车轨耦合动力学；功率谱密度；车轮不圆顺；轨道不平顺；钢轨粗糙度中图分类号：U260.11+1 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0421INFLUENCE ANALYSIS ON TRACK VIBRATION DUE TO COUPLED IRREGULARITY EXCITATION OF METRO WHEEL-TRACKMA Meng1 , LI Ming-hang1 , TAN Xin-yu1 , QU Xiang-yu1 , ZHANG Hou-gui2(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Beijing Institute of Labor Protection Science, Beijing 100054, China)Abstract: The input wheel-track dynamic excitation directly affects the calculation results of vehicle-track coupled models. Nowadays, in the research of metro-train induced environmental vibrations, only the track irregularity excitation was considered but the effect of wheel roughness was ignored. To establish a metro wheel-track coupled excitation and to comprehensively analyze the influences of track irregularity, the out-of-round wheels of a metro train were measured, and the track irregularities and rail roughness in a metro running tunnel were also measured. Based on the vehicle-track coupled analytical model in the frequency domain, the track dynamic responses were calculated, and the influences on the results of different wheel-track simulations were compared. Furthermore, the rail vibrations were measured in the same metro running tunnel, which were used to validate the calculation accuracy by different simulations. The research results indicate that: the vibration responses will be underestimated in typical frequency band domination by wheel irregularities using the US irregularities power spectrum density (PSD) and Sato irregularities PSD, and accordingly, it is difficult to obtain the accurate vibration responses between 8 Hz and 200 Hz. The wheel-rail coupled irregularity PSD obtained by energy superposition can reflect the complete wheel-rail excitation information, which can be used to obtain the accurate simulation results between 8 Hz and 200 Hz.收稿日期：2020-06-30；修改日期：2020-09-09基金项目：国家自然科学基金项目(51978043)通讯作者：马　蒙(1983−)，男，四川成都人，副教授，博士，主要从事轨道交通环境振动研究 (E-mail: ***************.cn).作者简介：李明航(1991−)，男，辽宁朝阳人，博士生，主要从事地铁环境振动影响与预测研究(E-mail: *****************.cn);谭新宇(1994−)，男，山东诸城人，博士生，主要从事地铁车辆轨道动力学研究 (E-mail: *****************.cn);曲翔宇(1994−)，男，山东威海人，博士生，主要从事轨道交通环境振动研究(E-mail: *****************.cn);张厚贵(1982−)，男，贵州安顺人，助理研究员，博士，主要从事地铁环境振动与轮轨动力磨耗研究(E-mail: *********************).Key words: metro; vehicle-track coupled dynamics; power spectral density; wheel out-of-round wear; track irregularity; rail roughness地铁列车运行引起的振动由车辆、轨道相互作用产生，经由轨道结构、隧道结构、地层及建筑基础，传至敏感建筑内部引起结构振动及二次噪声，对楼内居民生活和建筑功能造成潜在影响。

基于轨道不平顺地铁车辆动力学分析摘要：轨道不平顺是使车辆产生振动的一个主要的外部激励，轨道局部不平顺则会引起车辆产生强烈的瞬时振动。

在车辆的动力学仿真计算中，轨道激励是车辆系统不可或缺的外部激励。

关键词：地铁车辆；轨道不平顺；动力学性能1轨道不平顺概述轨道不平顺是指铁路轨道的轨面磨耗和轨道的几何形状发生了改变，而使轨道处在不平顺的状态，一般是由于列车运行中车轮与线路轨道的之间相互作用引起的。

轨道不平顺一般分为四类：钢轨顶面沿轨道纵向高低不平的轨道垂向不平顺、钢轨顶面沿轨道的左右两轨对应点的高低不平的轨道水平不平顺、钢轨横向沿轨道纵向的凹凸不平的轨道横向不平顺以及左右两轨横向间距沿轨道纵向的距离偏差的轨距不平顺。

轨道不平顺对列车的平稳性、舒适性和安全性都有很重要的影响，它是引起列车振动、轮轨间作用力增大的主要原因，也是轨道方面直接限制列车速度的主要因素。

轨道随机不平顺由于其形成的因素众多，往往表现出随机性。

在线路的特定结构处或偶然地点（如线路局部病害处）产生的轨道几何参数的偏差称为轨道局部不平顺。

局部不平顺对机车车辆运行的安全有重大影响，机车车辆行经单个轨道局部不平顺会引起机车车辆产生强烈的瞬时振动；机车车辆行经连续出现好几个局部不平顺时，在不利的场合下，激励的频率有可能接近机车车辆的共振频率而激起大的振动。

某些局部位置的轨道不平顺，或幅值较大，或形状特殊。

这些突出的局部不平顺往往引起很大的车辆响应，造成车体异响、轮对踏面磨耗异常等故障。

2列车牵引电机的悬挂与定位列车牵引电机的安装需要通过五根垂向吊杆吊挂在一个转向架的前后两根均衡梁上，同时为了限制直线电机的横向摆动，在电机与构架间又设置了两根横向支承杆，为传递牵引力在直线电机中轴线位置设置了一根具有一定长度的牵引拉杆，使得牵引力可以从电机直接传递到构架。

车下各类设备、箱体在安装过程中要仿照牵引电机的悬挂与定位方法进行设计安装，通过车辆动力学分析保证车辆平稳性、稳定性。

基于ANSYS轨道不平顺条件下轮轨系统频谱动力响应分析魏云鹏;吴亚平;陈鄂;段志东;王良璧【摘要】In order to analyze the dynamic responses of wheel/rail system under the condition of track irregularity, the finite element model of wheel/rail system is established based on the dynamic principle and finite element method, static and modal/spectrum analyses of wheel/rail system are carried, and basic contact characteristics of wheel/rail, displacement and acceleration response spectrum values of wheel/rail system in different parts are obtained. The results show that the maximum vertical displacement spectrum values of train body correspond to the frequency of 1. 669 Hz, while the maximum acceleration spectrum values of train body correspond to the frequency of 105. 25 Hz. The maximum vertical displacement and acceleration spectrum values of axle and bottom wheel correspond to the frequency of 66. 27 Hz and 66. 28 Hz respectively. At the same time the results also indicate that displacement and acceleration response spectrum values increase with the increase of train speed.%为了分析轮轨系统在轨道不平顺功率谱激励下的动力响应,根据动力学原理并结合有限元理论,建立了轮轨接触的有限元模型,对轮轨系统进行静力分析和频谱分析,获得轮轨接触的基本特性和轮轨系统不同部位位移和加速度响应的谱值,计算结果表明,车体竖向位移最大谱值对应的频率为1.669Hz,而其最大加速度谱值所对应的频率为105.25Hz；车轴和车轮底面最大竖向位移和加速度谱值所对应的频率分别为66.27Hz和66.28Hz；同时结果显示,位移和加速度响应谱值随着列车运行速度的增加也是逐渐变大的。

轨道不平顺激扰下高速列车振动特性分析轨道不平顺激扰下高速列车振动特性分析引言高速列车在现代交通中起着至关重要的作用。

然而，在实际运行过程中，列车所面临的轨道不平顺激扰会对列车振动特性产生重要影响。

因此，深入研究轨道不平顺激扰下高速列车的振动特性对于确保列车运行安全与乘坐舒适性具有重要意义。

一、轨道不平顺的成因与影响轨道不平顺是指轨道表面存在的凸起或凹陷。

它的成因多种多样，包括自然因素（如地壳运动、气候变化等）和人为因素（如施工质量、维修保养等）。

轨道不平顺既会对列车产生冲击力，又会增加轮轨间的相对位移，从而影响列车的运行稳定性和振动特性。

轨道不平顺对列车振动特性产生的影响主要包括以下几个方面：1. 振动频率的变化：轨道不平顺会导致列车的振动频率发生变化。

在不平顺较大的轨道上，列车的振动频率较高，而在平顺的轨道上，振动频率则相对较低。

2. 振幅的增加：轨道不平顺会使列车的振幅增大。

这是因为轨道不平顺造成了轮轨间的额外位移，进而增加了列车振动的振幅。

3. 振动模态的变化：轨道不平顺还会改变列车的振动模态。

在不平顺较大的轨道上，列车的振动模态会发生转变，使列车振动的形态变得复杂。

二、高速列车振动特性分析为了深入了解轨道不平顺激扰下高速列车的振动特性，我们可以借助数学建模和仿真方法进行分析。

首先，我们可以建立高速列车与轨道之间的力学模型。

该模型考虑列车的几何特性、轮轨之间的接触关系以及轨道不平顺造成的冲击力等因素。

通过这个力学模型，可以计算出列车振动的频率、振幅和振动模态。

其次，我们可以使用专业的仿真软件对列车振动进行模拟。

通过在仿真软件中输入轨道不平顺的数据，可以获得列车在不同情况下的振动响应。

通过对仿真结果的分析，可以得到列车振动特性的详细信息。

三、振动控制策略分析在轨道不平顺激扰下，为了保证列车的运行安全与乘坐舒适性，我们可以采取一些振动控制策略。

1. 主动控制：通过在列车车体或轮轴上设置主动控制器，可以实时感知列车的振动状态，并对其进行主动控制。