減小火車經(jīng)過(guò)軌道搭接處振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

1、減小火車經(jīng)過(guò)軌道搭接處振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究李銳 徐華超 李梅 張偉 蘇志勇航天學(xué)院指導(dǎo)教師：趙樹山一、課題研究目的驗(yàn)證在鐵軌連接處采用斜縫代替直縫的連接方式能有效的減小火車經(jīng)過(guò)接縫處的振動(dòng)量，并通過(guò)對(duì)振動(dòng)量的測(cè)量及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出最有效減小火車經(jīng)過(guò)鐵軌接縫處振動(dòng)量的斜縫角度，為我國(guó)的鐵路提速和減振研究領(lǐng)域提供一些全新的數(shù)據(jù)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在該測(cè)試領(lǐng)域的空白，并進(jìn)一步將理論與實(shí)際相結(jié)合，并為我國(guó)軌道的改進(jìn)提供參考及依據(jù)。二、課題背景高速鐵路是當(dāng)今世界各大國(guó)鐵路的開展方向，因?yàn)楦咚勹F路所具有的平安性、可靠性、平順性、便捷性和高效管理性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)行的鐵路系統(tǒng)。但是高速鐵路需要攻克傳統(tǒng)鐵路的提速瓶頸。目前

2、限制機(jī)車速度提升的瓶頸因素較多，涉及到動(dòng)力持續(xù)性缺乏、機(jī)車制造精度不高和軌道根底落后等。其中接縫震動(dòng)問(wèn)題如果得到解決，那就會(huì)緩解機(jī)車制造精度不高和軌道根底落后的問(wèn)題?，F(xiàn)行鋼軌幾何形狀為齊頭的端面，為了消除熱脹冷縮的影響，在連接處留有單根鐵軌長(zhǎng)度千分之一的間隙，但是由于我國(guó)鋼材的改進(jìn)及對(duì)氣溫變化的了解，實(shí)際間隙要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于千分之一，一般為每25米3毫米左右。車輪和鋼軌外表的接觸可以近似視為圓柱面和平面的接觸，下面我們基于這一假設(shè)進(jìn)行討論。當(dāng)車輪經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)直縫時(shí)，由于突然失去了支撐車輪便突然下沉，在下沉不久便會(huì)和前軌邊緣接觸撞擊，隨即在驅(qū)動(dòng)力的作用下“跳出接縫，產(chǎn)生了振動(dòng)。劇烈的振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重影響著火

3、車車身的設(shè)計(jì)要求及火車的提速，在經(jīng)濟(jì)高速開展的今天這些問(wèn)題變得越來(lái)越突出，前人曾提出用斜縫代替直縫的設(shè)想，但直到現(xiàn)在仍沒有任何單位做深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。目前，我國(guó)在該領(lǐng)域仍處于空白狀態(tài)。三、課題研究主要內(nèi)容采用斜縫軌道代替直縫軌道，進(jìn)行相關(guān)振動(dòng)測(cè)試硬件搭建、軟件開發(fā)、數(shù)學(xué)模型建立等方面的研究和設(shè)計(jì)。采用單一變量原那么，分別以小車載荷量、速度及斜縫角度為變量對(duì)小車的振動(dòng)量進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)：相同速度下不同載荷時(shí)小車振動(dòng)量隨斜縫角度變化情況、相同角度下不同載荷時(shí)小車振動(dòng)量隨速度變化情況、相同載荷不同角度時(shí)小車振動(dòng)量隨速度變化情況以及相同載荷不同速度時(shí)小車振動(dòng)量隨角度變化情況進(jìn)行測(cè)量分析，得出最有效減

4、小火車經(jīng)過(guò)鐵軌接縫處振動(dòng)量的斜縫角度。四、結(jié)論成果介紹自主設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)軌道振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置。采用相似原理，按一定比例將鐵軌及火車車輪縮小。在該比例的根底之上設(shè)計(jì)了一輛實(shí)驗(yàn)用小車。長(zhǎng)8米的軌道上布置有一個(gè)直縫，七個(gè)斜縫，斜縫從30°到60°以5°步長(zhǎng)遞增。動(dòng)力系統(tǒng)采用更換帶輪的方式變速，共有12組帶輪，能讓小車有從450mm/s到2000mm/s的12種速度。測(cè)量得到了一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了綜合分析。局部數(shù)據(jù)分析圖象如下:圖1圖2圖3圖4對(duì)圖1、圖4分析可以得出，在同一速度下當(dāng)小車通過(guò)各斜縫時(shí)，通過(guò)35°斜縫的振動(dòng)量最小，通過(guò)直縫時(shí)振動(dòng)量最大，振動(dòng)量隨斜

5、縫角度增大而增大。對(duì)圖2、圖3分析可以得出,在同一角度下，速度越大振動(dòng)量越大。從圖4可以看出，在同一載荷下，速度越大振動(dòng)量越大，當(dāng)速度確定時(shí)，斜縫角度為35度時(shí)振動(dòng)量最小。在各種情況下直縫的振動(dòng)量最大，且直縫的振動(dòng)量隨速度變化變化很大，30°角斜縫振動(dòng)量最小，當(dāng)斜縫為35度時(shí)振動(dòng)量較小且隨速度變化不太明顯，縫隙角度越大振動(dòng)量隨速度變化越為明顯。在不同載荷及不同速度下小車經(jīng)過(guò)35°斜縫的振動(dòng)量與30°斜縫振動(dòng)量接近，綜合以上數(shù)據(jù)分析及考慮到加工經(jīng)濟(jì)性及具體連接時(shí)的操作性,本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為斜縫角度為45度時(shí)最適合實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在載荷、速度條件不變的情況下，斜縫搭接

6、與直縫搭接最少減少80%的振動(dòng)量。振動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備整體實(shí)驗(yàn)設(shè)備動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備多角度接縫軌道模型實(shí)驗(yàn)火車模型實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)試軟件界面五、問(wèn)題、體會(huì)與收獲我們小組由于是第一次做科技創(chuàng)新工程，沒有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，在工程實(shí)施的過(guò)程中遇到很多問(wèn)題，首先是機(jī)械設(shè)計(jì)及加工方面的問(wèn)題，設(shè)計(jì)機(jī)械局部過(guò)程中，由于考慮不夠全面，使得所設(shè)計(jì)完成的個(gè)別部件的裝卸很不方便，比方電動(dòng)機(jī)固定支架的螺柱、螺母。其次，在課本上學(xué)到的知識(shí)與實(shí)踐中有些出入，感受最深的是在購(gòu)置聯(lián)軸器及繼電器時(shí)。在本次工程實(shí)施過(guò)程中，我小組成員充分利用課堂、課下學(xué)到的理論知識(shí)以及金工實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐技能連接電機(jī)電路、離合器電路、焊接動(dòng)力系統(tǒng)支架等，將理論知識(shí)與實(shí)

7、際應(yīng)用融合在一起。在測(cè)試軟件的編寫及測(cè)試過(guò)程中，為減小噪聲干擾頗費(fèi)了一番功夫，比方，加速度傳感器信號(hào)線的選擇，信號(hào)線長(zhǎng)度在允許范圍內(nèi)要盡量選擇短的，這樣就能有效的減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到外界的干擾。以上只是在工程實(shí)施過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題的幾個(gè)例子。在工程中我們也學(xué)到了許多課堂上涉及不到的知識(shí)，例如在動(dòng)力系統(tǒng)支架焊接過(guò)程以及光電碼盤安裝過(guò)程中都遇到一些困難，但是我們認(rèn)真思考，敢于創(chuàng)新，虛心向工人師傅請(qǐng)教，使得問(wèn)題得以順利解決，在這些過(guò)程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以后的工作進(jìn)展和提高自身能力有很大的幫助。這次工程的實(shí)施讓我們充分感受到，我們現(xiàn)有的知識(shí)儲(chǔ)藏嚴(yán)重缺乏，急迫需要加強(qiáng)，因此，我們小組成員，利用課余

8、時(shí)間查閱了大量資料，努力擴(kuò)充自己的知識(shí)儲(chǔ)藏，為工程的進(jìn)行做好充分的準(zhǔn)備。在工程實(shí)施的過(guò)程中，我們深刻的認(rèn)識(shí)到成員之間相互理解相互配合的重要性，一個(gè)團(tuán)隊(duì)就是一個(gè)整體，團(tuán)隊(duì)意識(shí)一定要強(qiáng)，我們共同的目的就是把科技創(chuàng)新工程做好、做精、做出水平。遇到困難時(shí)不要退縮，堅(jiān)持住就等于把問(wèn)題就解決了一半，真正的付出才能有收獲，輕松中取得成績(jī)是天方夜譚！為節(jié)約經(jīng)費(fèi)，在振動(dòng)量測(cè)量程序編寫調(diào)試及測(cè)量整個(gè)過(guò)程中我們始終使用的是小組成員個(gè)人計(jì)算機(jī)，加速度傳感器、數(shù)據(jù)線及電荷放大器都是借用的，現(xiàn)今由于本小組中有成員畢業(yè)離校帶走個(gè)人計(jì)算機(jī)，振動(dòng)測(cè)量軟件已沒有計(jì)算機(jī)硬件的支持，而且本小組借用的測(cè)量器件已被所屬單位收回使用，因此

9、，本小組希望能購(gòu)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)和相應(yīng)振動(dòng)測(cè)量器件或者學(xué)校方面幫助我們解決一下計(jì)算機(jī)及測(cè)試器件的問(wèn)題，使得該工程得以進(jìn)一步進(jìn)行。六、結(jié)束語(yǔ)與致謝感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對(duì)此次實(shí)驗(yàn)研究的大力支持；特別感謝航天學(xué)院力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心趙書山教授,他在很多方面給予我們指導(dǎo)，并提出了很多實(shí)驗(yàn)改進(jìn)措施，使我們?cè)诳萍紕?chuàng)新道路的邁出了第一步；另外也特別感謝教務(wù)處胡青老師、張中華教授、趙希文處長(zhǎng)和李旦處長(zhǎng)，他們一直很關(guān)心我們小組的試驗(yàn)方案，給予我們很多的指導(dǎo)和照顧;感謝此次試驗(yàn)中幫助過(guò)我們的師兄師姐；感謝我們團(tuán)隊(duì)中意志頑強(qiáng)的隊(duì)友。七、參考文獻(xiàn)1 李成芝，?2000年火車噪聲對(duì)成都火車站居民區(qū)環(huán)境污染的預(yù)測(cè)?，?鐵道勞動(dòng)平安衛(wèi)生與環(huán)保

10、?，1993年1期60-612 盧祖文，?高速鐵路軌道技術(shù)綜述?，鐵道工程學(xué)報(bào)，2007年1月 第1期 41-533 朱劍月，練松良，?軌道結(jié)構(gòu)洛軸沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)有限元分析?，鐵道學(xué)報(bào)，2005年6月27卷第5期，77-794 渡邊 清一，?日本新干線高速化技術(shù)的前景與技術(shù)課題?，?世界鐵路?2005年01月05，彭惠民 編譯5 張承耀，?我國(guó)鐵路改革的特點(diǎn)、困難與對(duì)策?6 魏強(qiáng) 朱祥 ?中低頻振動(dòng)計(jì)算中有限元建模方法的討論?，?中國(guó)艦船研究?2006-02第一卷 第一期7須永陽(yáng)一 內(nèi)田雅夫?新干線高速化的軌道減振降噪技術(shù)-各種防震軌道現(xiàn)狀及展望? ?鐵路建筑?1996年 第四期8 張季風(fēng) ?新干線與日本經(jīng)濟(jì)?日本學(xué)報(bào)?2003年第六期 20-249須永陽(yáng)一 內(nèi)田雅夫?新干線高速化的軌道減振降噪技術(shù)減低轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲的措施與研究現(xiàn)狀?鐵路建筑?19