減小火車經(jīng)過軌道搭接處振動的實驗研究

1、減小火車經(jīng)過軌道搭接處振動的實驗研究李銳 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)過接縫處的振動量，并通過對振動量的測量及實驗數(shù)據(jù)的分析，得出最有效減小火車經(jīng)過鐵軌接縫處振動量的斜縫角度，為我國的鐵路提速和減振研究領(lǐng)域提供一些全新的數(shù)據(jù)，填補國內(nèi)在該測試領(lǐng)域的空白，并進一步將理論與實際相結(jié)合，并為我國軌道的改進提供參考及依據(jù)。二、課題背景高速鐵路是當(dāng)今世界各大國鐵路的開展方向，因為高速鐵路所具有的平安性、可靠性、平順性、便捷性和高效管理性能都遠遠優(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、限制機車速度提升的瓶頸因素較多，涉及到動力持續(xù)性缺乏、機車制造精度不高和軌道根底落后等。其中接縫震動問題如果得到解決，那就會緩解機車制造精度不高和軌道根底落后的問題?，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度千分之一的間隙，但是由于我國鋼材的改進及對氣溫變化的了解，實際間隙要遠遠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)進行討論。當(dāng)車輪經(jīng)過傳統(tǒng)直縫時，由于突然失去了支撐車輪便突然下沉，在下沉不久便會和前軌邊緣接觸撞擊，隨即在驅(qū)動力的作用下“跳出接縫，產(chǎn)生了振動。劇烈的振動和噪聲嚴(yán)重影響著火

3、車車身的設(shè)計要求及火車的提速，在經(jīng)濟高速開展的今天這些問題變得越來越突出，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驗研究。目前，我國在該領(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，進行相關(guān)振動測試硬件搭建、軟件開發(fā)、數(shù)學(xué)模型建立等方面的研究和設(shè)計。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小車的振動量進行測量，并對：相同速度下不同載荷時小車振動量隨斜縫角度變化情況、相同角度下不同載荷時小車振動量隨速度變化情況、相同載荷不同角度時小車振動量隨速度變化情況以及相同載荷不同速度時小車振動量隨角度變化情況進行測量分析，得出最有效減

4、小火車經(jīng)過鐵軌接縫處振動量的斜縫角度。四、結(jié)論成果介紹自主設(shè)計開發(fā)了一個軌道振動測量實驗裝置。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)計了一輛實驗用小車。長8米的軌道上布置有一個直縫，七個斜縫，斜縫從30°到60°以5°步長遞增。動力系統(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。測量得到了一批實驗數(shù)據(jù)，并進行了綜合分析。局部數(shù)據(jù)分析圖象如下:圖1圖2圖3圖4對圖1、圖4分析可以得出，在同一速度下當(dāng)小車通過各斜縫時，通過35°斜縫的振動量最小，通過直縫時振動量最大，振動量隨斜

5、縫角度增大而增大。對圖2、圖3分析可以得出,在同一角度下，速度越大振動量越大。從圖4可以看出，在同一載荷下，速度越大振動量越大，當(dāng)速度確定時，斜縫角度為35度時振動量最小。在各種情況下直縫的振動量最大，且直縫的振動量隨速度變化變化很大，30°角斜縫振動量最小，當(dāng)斜縫為35度時振動量較小且隨速度變化不太明顯，縫隙角度越大振動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35°斜縫的振動量與30°斜縫振動量接近，綜合以上數(shù)據(jù)分析及考慮到加工經(jīng)濟性及具體連接時的操作性,本實驗認(rèn)為斜縫角度為45度時最適合實際應(yīng)用。通過實驗測量，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%的振動量。振動實驗設(shè)備整體實驗設(shè)備動力系統(tǒng)實驗設(shè)備多角度接縫軌道模型實驗火車模型實驗設(shè)備測試軟件界面五、問題、體會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，在工程實施的過程中遇到很多問題，首先是機械設(shè)計及加工方面的問題，設(shè)計機械局部過程中，由于考慮不夠全面，使得所設(shè)計完成的個別部件的裝卸很不方便，比方電動機固定支架的螺柱、螺母。其次，在課本上學(xué)到的知識與實踐中有些出入，感受最深的是在購置聯(lián)軸器及繼電器時。在本次工程實施過程中，我小組成員充分利用課堂、課下學(xué)到的理論知識以及金工實習(xí)中學(xué)到的實踐技能連接電機電路、離合器電路、焊接動力系統(tǒng)支架等，將理論知識與實

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

8、時間查閱了大量資料，努力擴充自己的知識儲藏，為工程的進行做好充分的準(zhǔn)備。在工程實施的過程中，我們深刻的認(rèn)識到成員之間相互理解相互配合的重要性，一個團隊就是一個整體，團隊意識一定要強，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。遇到困難時不要退縮，堅持住就等于把問題就解決了一半，真正的付出才能有收獲，輕松中取得成績是天方夜譚！為節(jié)約經(jīng)費，在振動量測量程序編寫調(diào)試及測量整個過程中我們始終使用的是小組成員個人計算機，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)離校帶走個人計算機，振動測量軟件已沒有計算機硬件的支持，而且本小組借用的測量器件已被所屬單位收回使用，因此

9、，本小組希望能購置一臺計算機和相應(yīng)振動測量器件或者學(xué)校方面幫助我們解決一下計算機及測試器件的問題，使得該工程得以進一步進行。六、結(jié)束語與致謝感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)對此次實驗研究的大力支持；特別感謝航天學(xué)院力學(xué)實驗中心趙書山教授,他在很多方面給予我們指導(dǎo)，并提出了很多實驗改進措施，使我們在科技創(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、趙希文處長和李旦處長，他們一直很關(guān)心我們小組的試驗方案，給予我們很多的指導(dǎo)和照顧;感謝此次試驗中幫助過我們的師兄師姐；感謝我們團隊中意志頑強的隊友。七、參考文獻1 李成芝，?2000年火車噪聲對成都火車站居民區(qū)環(huán)境污染的預(yù)測?，?鐵道勞動平安衛(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，2007年1月 第1期 41-533 朱劍月，練松良，?軌道結(jié)構(gòu)洛軸沖擊動態(tài)響應(yīng)有限元分析?，鐵道學(xué)報，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，?我國鐵路改革的特點、困難與對策?6 魏強 朱祥 ?中低頻振動計算中有限元建模方法的討論?，?中國艦船研究?2006-02第一卷 第一期7須永陽一 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?日本學(xué)報?2003年第六期 20-249須永陽一 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)動噪聲的措施與研究現(xiàn)狀?鐵路建筑?19