减小火车经过轨道搭接处振动的实验研究

减小火车经过轨道搭接处振动的实验研究李锐 徐华超 李梅 张伟 苏志勇航天学院指导教师：赵树山一、课题研究目的验证在铁轨连接处采用斜缝代替直缝的连接方式能有效的减小火车经过接缝处的振动量，并通过对振动量的测量及实验数据的分析，得出最有效减小火车经过铁轨接缝处振动量的斜缝角度，为我国的铁路提速和减振研究领域提供一些全新的数据，填补国内在该测试领域的空白，并进一步将理论与实际相结合，并为我国轨道的改进提供参考及依据。二、课题背景高速铁路是当今世界各大国铁路的发展方向，因为高速铁路所具有的安全性、可靠性、平顺性、便捷性和高效管理性能都远远优于现行的铁路系统。但是高速铁路需要攻克传统铁路的提速瓶颈。目前限制机车速度提升的瓶颈因素较多，涉及到动力持续性不足、机车制造精度不高和轨道基础落后等。其中接缝震动问题如果得到解决，那就会缓解机车制造精度不高和轨道基础落后的问题。现行钢轨几何形状为齐头的端面，为了消除热胀冷缩的影响，在连接处留有单根铁轨长度千分之一的间隙，但是由于我国钢材的改良及对气温变化的了解，实际间隙要远远小于千分之一，一般为每25米3毫米左右。车轮和钢轨表面的接触可以近似视为圆柱面和平面的接触，下面我们基于这一假设进行讨论。当车轮经过传统直缝时，由于突然失去了支撑车轮便突然下沉，在下沉不久便会和前轨边缘接触撞击，随即在驱动力的作用下“跳出”接缝，产生了振动。剧烈的振动和噪声严重影响着火车车身的设计要求及火车的提速，在经济高速发展的今天这些问题变得越来越突出，前人曾提出用斜缝代替直缝的设想，但直到现在仍没有任何单位做深入的理论和实验研究。目前，我国在该领域仍处于空白状态。三、课题研究主要内容采用斜缝轨道代替直缝轨道，进行相关振动测试硬件搭建、软件开发、数学模型建立等方面的研究和设计。采用单一变量原则，分别以小车载荷量、速度及斜缝角度为变量对小车的振动量进行测量，并对：相同速度下不同载荷时小车振动量随斜缝角度变化情况、相同角度下不同载荷时小车振动量随速度变化情况、相同载荷不同角度时小车振动量随速度变化情况以及相同载荷不同速度时小车振动量随角度变化情况进行测量分析，得出最有效减小火车经过铁轨接缝处振动量的斜缝角度。四、结论（成果介绍）自主设计开发了一个轨道振动测量实验装置。采用相似原理，按一定比例将铁轨及火车车轮缩小。在该比例的基础之上设计了一辆实验用小车。长8米的轨道上布置有一个直缝，七个斜缝，斜缝从30到60以5步长递增。动力系统采用更换带轮的方式变速，共有12组带轮，能让小车有从450mm/s到2000mm/s的12种速度。测量得到了一批实验数据，并进行了综合分析。部分数据分析图象如下:图1图2图3图4对图1、图4分析可以得出，在同一速度下当小车通过各斜缝时，通过35斜缝的振动量最小，通过直缝时振动量最大，振动量随斜缝角度增大而增大。对图2、图3分析可以得出,在同一角度下，速度越大振动量越大。从图4可以看出，在同一载荷下，速度越大振动量越大，当速度确定时，斜缝角度为35度时振动量最小。在各种情况下直缝的振动量最大，且直缝的振动量随速度变化变化很大，30角斜缝振动量最小，当斜缝为35度时振动量较小且随速度变化不太明显，缝隙角度越大振动量随速度变化越为明显。在不同载荷及不同速度下小车经过35斜缝的振动量与30斜缝振动量接近，综合以上数据分析及考虑到加工经济性及具体连接时的操作性,本实验认为斜缝角度为45度时最适合实际应用。通过实验测量，在载荷、速度条件不变的情况下，斜缝搭接与直缝搭接最少减少80%的振动量。振动实验设备整体实验设备动力系统实验设备多角度接缝轨道模型实验火车模型实验设备测试软件界面五、问题、体会与收获我们小组由于是第一次做科技创新项目，没有相应的经验，在项目实施的过程中遇到很多问题，首先是机械设计及加工方面的问题，设计机械部分过程中，由于考虑不够全面，使得所设计完成的个别部件的装卸很不方便，比如电动机固定支架的螺柱、螺母。其次，在课本上学到的知识与实践中有些出入，感受最深的是在购买联轴器及继电器时。在本次项目实施过程中，我小组成员充分利用课堂、课下学到的理论知识以及金工实习中学到的实践技能连接电机电路、离合器电路、焊接动力系统支架等，将理论知识与实际应用融合在一起。在测试软件的编写及测试过程中，为减小噪声干扰颇费了一番功夫，比如，加速度传感器信号线的选择，信号线长度在允许范围内要尽量选择短的，这样就能有效的减少信号在传输过程中受到外界的干扰。以上只是在项目实施过程中遇到的一些问题的几个例子。在项目中我们也学到了许多课堂上涉及不到的知识，例如在动力系统支架焊接过程以及光电码盘安装过程中都遇到一些困难，但是我们认真思考，敢于创新，虚心向工人师傅请教，使得问题得以顺利解决，在这些过程中不断积累经验，对以后的工作进展和提高自身能力有很大的帮助。这次项目的实施让我们充分感受到，我们现有的知识储备严重缺乏，急切需要加强，因此，我们小组成员，利用课余时间查阅了大量资料，努力扩充自己的知识储备，为项目的进行做好充分的准备。在项目实施的过程中，我们深刻的认识到成员之间相互理解相互配合的重要性，一个团队就是一个整体，团队意识一定要强，我们共同的目的就是把科技创新项目做好、做精、做出水平。遇到困难时不要退缩，坚持住就等于把问题就解决了一半，真正的付出才能有收获，轻松中取得成绩是天方夜谭！为节约经费，在振动量测量程序编写调试及测量整个过程中我们始终使用的是小组成员个人计算机，加速度传感器、数据线及电荷放大器都是借用的，现今由于本小组中有成员毕业离校带走个人计算机，振动测量软件已没有计算机硬件的支持，而且本小组借用的测量器件已被所属单位收回使用，因此，本小组希望能购买一台计算机和相应振动测量器件或者学校方面帮助我们解决一下计算机及测试器件的问题，使得该项目得以进一步进行。六、结束语与致谢感谢学校领导对此次实验研究的大力支持；特别感谢航天学院力学实验中心赵书山教授,他在很多方面给予我们指导，并提出了很多实验改进措施，使我们在科技创新道路的迈出了第一步；另外也特别感谢教务处胡青老师、张中华教授、赵希文处长和李旦处长，他们一直很关心我们小组的试验计划，给予我们很多的指导和照顾;感谢此次试验中帮助过我们的师兄师姐；感谢我们团队中意志顽强的队友。七、参考文献1 李成芝，2000年火车噪声对成都火车站居民区环境污染的预测，铁道劳动安全卫生与环保，1993年1期60-612 卢祖文，高速铁路轨道技术综述，铁道工程学报，2007年1月 第1期 41-533 朱剑月，练松良，轨道结构洛轴冲击动态响应有限元分析，铁道学报，2005年6月27卷第5期，77-794 渡边 清一，日本新干线高速化技术的前景与技术课题，世界铁路2005年01月05，彭惠民 编译5 张承耀，我国铁路改革的特点、困难与对策6 魏强 朱祥 中低频振动计算中有限元建模方法的讨论，中国舰船研究2006-02第一卷 第一期7须永阳一 内田雅夫新干线高速化的轨道减振降噪技术-各种防震轨道现状及展望 铁路建筑1996年 第四期8 张季风 新干线与日本经济日本学报2003年第六期 20-249须永阳一 内田雅夫新干线高速化的轨道减振降噪技术减低转动噪声的措施与研究现状铁路建筑1996年 第四期10 德国铁路改革十年 、铁路技术创新2004年3月11 范俊杰，夏禾等 高速轨道