城市轨道车辆—轨道垂向耦合振动实验系统研究

【摘要】长期以来，轨道车辆和轨道系统动力学与振动问题的研究一直是该学科的核心课题。轨道振动对于行车安全、舒适性、轨道系统寿命及其引起的环境振动对周围人们生活的影响是不可忽视的。因此，对轨道动力学的深入研究刻不容缓。车辆—轨道垂向耦合动力学涉及车辆工程、轨道工程、振动力学、数值分析方法及计算机仿真技术等多个学科领域。研究这样的复杂问题，一般需要从理论模型、数值仿真和现场试验三方面入手，采用理论与试验相结合的研究方法。轨道振动试验可分为线路运行试验及实验室振动试验两类。线路运行试验存在试验周期长、费用高、影响因素多和影响线路运行等缺点，所以，各研究机构对实验室模型试验进行了大量的研究。本文提出并设计了一种基于车辆运行的轨道垂向振动实验系统。该实验系统是一个1:10的缩尺单轨实验系统，由实验小车和轨道系统组成。实验小车模拟车辆运行、车辆静荷载和由轨道不平顺引起的车辆动荷载，由行走机构、激振机构和质量块组成。轨道系统由钢轨、轨枕模拟块、扣件、道床模拟块和实验台底板组成。本文具体工作内容如下：⑴对城市轨道车辆-轨道垂向振动的相关理论进行了介绍，并进一步地研究与分析了车辆和轨道的动力学特性，研究了轮轨作用力的特性，寻找到了模拟车辆-轨道垂向耦合振动的理论依据和模拟方法，还对模型试验的理论及相似方法进行了研究，为实验模型的建立和实验系统设计奠定了理论基础。⑵通过调研所获得的上海地铁的各项资料，为车辆-轨道垂向耦合振动实验系统各部件的选型和设计提供依据，最终建立了车辆-轨道垂向耦合振动实验系统平台。⑶建立了实验系统的模型并利用Matlab对其进行了仿真分析，将实验台的仿真数据与文献[8]中的计算结果进行对比，由于本实验台只有一个车轮，所以不存在叠加部分，但是从其峰值可见，符合1:10的缩尺比例。⑷基于虚拟仪器技术研究对钢轨垂向位移和轨枕支点反力等数据的采集，和对电机转速的控制，使用LabVIEW软件进行了控制面板和后台程序的设计。⑸利用该实验系统进行了城市轨道车辆满载工况下动力学实验，得到钢轨垂向位移和轨枕支点反力曲线图，与仿真计算结果进行了对比分析。在顺利完成了上述工作的基础上，本文得出如下结论：仿真计算结果与试验结果颇为相似，也存在一些差异，其原因是轨道系统的相似关系由于轮轨的蠕滑不能完全得到动力学要求的相似比，存在一定的误差，但是该误差较小，并不影响对系统作定性的和一定的定量研究，能够满足轨道系统动力学一般性实验研究的需求，减少了实验花费，为轨道垂向振动实验系统的进一步研究提供参考。
【作者】刘小威；
【导师】王方程；杨俭；
【作者基本信息】上海工程技术大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】轨道交通；动力学和振动；模型实验；LabVIEW；MATLAB仿真；

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