轨道结构落轴冲击动态响应有限元分析

通过确定落轴冲击问题的轮轨接触条件,根据接触冲击响应的虚位移原理,将轮轨接触边界条件用罚函数法释放,确立轮轨接触变分方程;采用点面接触单元导出轮轨接触有限元控制方程,进一步建立轨道结构动力有限元方程,从而可模拟计算落轴冲击对轨道结构产生的动态响应。基于该分析方法,求解了弹性支承块轨道结构的动力性能,并由现场实测得到验证。结果表明,运用所建立的落轴冲击有限元计算模型分析轨道结构动力性能,直观有效。     

地铁轨道减振性能的落轴冲击仿真分析

建立落轴冲击有限元模型,仿真分析地铁弹性扣件、弹性支承块和浮置板等三种轨道结构的冲击响应,对比分析了其减振性能.结果表明,弹性支承块轨道通过轨下和块下刚度的合理匹配,动力性能优于弹性扣件结构;浮置板轨道结构的减振效果最好,受行车速度的影响较小.采用所建落轴冲击数值模拟方法,可有效分析不同形式轨道结构的动力性能.     

弹性支承块式无砟轨道结构参数动力学优化设计

建立车辆-弹性支承块式无砟轨道耦合动力学模型。模拟落轴试验荷载条件,分析轨下刚度与块下刚度的匹配关系,得出轨下刚度与块下刚度的合理取值范围。在轨道刚度确定的前提下,提出不同运营条件下满足动态轨距扩大限值的弹性支承块式无砟轨道合理结构参数。评估不同半径曲线上铺设弹性支承块式无砟轨道时重载货车和快速客车的运行安全性和舒适性。研究隧道内弹性支承块式无砟轨道与隧道外有砟轨道过渡段动力学问题,结果表明:将有砟轨道向隧道内延伸一定长度可明显改善连接处轨枕的受力状况,同时使支承块免受雨水侵蚀。延伸段长度以10～20 m为宜。     

基于周期结构法的弹性短轨枕轨道声振特性分析

为解决有限截取长度轨道模型边界振动反射波的干扰问题,基于周期结构原理,建立无反射边界的有限元轨道模型,分析弹性短轨枕轨道的隔振性能、轨道各结构的声辐射特性,以及不同轨枕下支承刚度对其振动和声辐射特性的影响。结果表明:基于周期结构原理建立的轨道模型能够消除边界反射波的影响,从而准确地反映轨道的振动特性;弹性短轨枕轨道的隔振率在整个频率段稳定在1,同普通板式轨道相比具有较为优良的隔振性能;弹性短轨枕轨道的总辐射噪声频率为0～240 Hz,轨下结构为主要贡献源,在频率高于240 Hz时钢轨成为轨道总辐射声功率的主要贡献源,在频率为1 020 Hz时轨道总声功率出现峰值,这与钢轨的Pinned-Pinned共振有关;为兼顾弹性短轨枕轨道的减振和降噪性能,轨下支承刚度应为40～160 MN·m~(-1)。     

重载铁路弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力计算分析

弹性支承块式无砟轨道结构整体弹性较好,有利于降低轮轨相互作用力并减缓对隧道基底的振动冲击,是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。但弹性支承块式无砟轨道采用两个独立的弹性块体支承钢轨,其保持轨道几何状态,尤其是保持轨距的能力相对较弱。本文通过有限元模型计算,结合室内相关试验结果,研究分析了重载条件下弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力的影响因素。结果表明:增大支承块的长度、宽度以及埋深,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;当支承块埋深不变时,增大支承块高度对轨距扩大、钢轨转角及支承块转角的控制不利;增大支承块套靴侧向刚度,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;增大轨下垫板刚度和支承块下垫板刚度,轨距扩大不断减小,但轨下垫板刚度的增加主要是降低钢轨转角,对支承块的几何状态影响不大,而支承块下垫板刚度的增加主要是降低支承块横向间距扩大,对钢轨转角的影响较小。     

轨下支承失效对车辆系统动态响应及乘坐舒适度的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对车辆乘坐舒适度的影响。钢轨被视为弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统垂向支承刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态。推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式。利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论分别计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响。利用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程。乘坐舒适度评价采用Sperling指标,通过数值分析,得到直线轨道连续从0到6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。结果表明,轨下支承失效对车辆系统位移、加速度有显著的影响,随着轨下支承失效个数的增加,轮轨力和车辆系统的位移、加速度将会急剧增大,乘坐质量和乘坐舒适度指标呈线性增大,但数值很小。     

轨枕吊空对轨道结构动力性能的影响

运用车辆一轨道耦合动力学理论,模拟计算轨枕吊空状态下轮轨系统的动力响应,比较分析列车运行速度和吊空轨枕数量埘轨道结构动力性能的影响,并对时域与频域内室内模型试验线进行测试分析和验证.结果表明:轨枕吊空破坏了轨道结构支承的连续性,轮轨间相互作用加剧,并随吊空数量的增加与列车运行速度的提高而显著增大;同时,轨枕吊空将影响其前后毗邻的正常轨道结构的动态特性,形成线路几何与动态不平顺,影响车辆运行平稳性与乘坐舒适度.钢轨与轨枕频响函数测试表明,由于轨枕吊空改变了该区段轨枕间距和轨下支承刚度,削弱了道床对线路所提供的阻尼,使得轨道结构的动力性能也产生了显著变化.     

浮置板轨道系统动力响应分析

为了分析浮置板轨道的动态特性,根据结构动力学原理建立浮置短板-隧道、浮置长板-隧道和普通轨道-隧道的有限元模型。利用落轴冲击仿真分析和施加实测轮轨力进行动力响应分析两种方法,对浮置短板、浮置长板和普通轨道进行仿真分析,对比分析了其动力响应性能。落轴冲击分析结果和施加实测轮轨力谐响应分析的结论一致。这表明:浮置板轨道隔振性能主要由其固有频率决定,只要浮置短板和浮置长板的固有频率相同,隔振性能基本相同。可以通过增加浮置板质量和降低浮置板支承刚度的方法降低浮置板轨道系统的固有频率,以达到较好的隔振性能。     

轨下支承失效对轨道结构动力性能的影响

通过建立车辆轨道耦合动力学模型,分析了普通整体道床、弹性支承块与浮置板三种轨道结构轨下支承失效后的动力响应。结果表明:轨下支承失效对列车通过时轮轨系统动态响应的影响较大;随着轨下支承失效个数的增加与列车运行速度的提高,轨道结构的位移、支座反力、轮轨力的动力响应都将显著增加。     

弹性长枕整体道床合理轨下刚度有限元分析

文章基于有限元理论，建立弹性长枕整体道床结构计算模型，模拟了落轴试验的整个过程，对轨道的动力特性及减振性能进行分析，分析轨下刚度的合理范围，为弹性长枕整体道床结构的养护维修、铺设和设计提供指导。     

减振型无砟轨道轨枕结构对比分析

减振型无砟轨道形式较多,典型的有弹性支承块式轨枕和SAT S312双体轨枕,以及一种新型的减振型轨枕——弹性长枕。为了给无砟轨道设计中轨枕形式及参数的选取提供参考,通过建立弹性长枕的三维有限元模型,考虑避免弹性长枕结构与线路激振发生共振,从弹性长枕的枕下胶垫刚度、侧面套靴刚度、埋深及支撑长度4个方面进行模态分析,给出弹性长枕合理的参数匹配,再对3种轨枕做出对比分析。结果表明:3种减振型轨枕中,弹性长枕的结构最优,SAT S312双体轨枕次之,弹性支承块式轨枕最差。     

基于现场锤击试验的地铁轨道振动特性分析及参数研究

近来,由于轮轨共振而产生的地铁钢轨异常波磨问题备受关注。轨道结构动力特性分析是开展轮轨耦合振动研究的基础,地铁轨道结构的动力特性取决于各组成部分(钢轨、扣件、轨枕和道床等)的物理特性及其组合形式。基于轨道结构的周期性频域解析模型,结合北京地铁在线锤击试验,通过计算轨道结构在脉冲荷载下的频响函数,对0~2000Hz频段内轨道结构的动力响应主频进行分析;并通过改变轨道结构参数,分别研究了不同轨道结构参数对各轨道结构动力响应主频的影响情况。研究结果表明:轨下支撑刚度对钢轨共振频率影响较大,枕下支撑刚度对轨道系统共振频率影响较大,轨下和枕下支撑阻尼仅能改变各共振频率点的响应幅值;轨枕支撑间距对pinned-pinned共振频率影响较大,对其他共振频率点的影响较小。     

基于车辆-轨道单元的无砟轨道动力特性有限元分析

根据CRTSⅡ型无砟轨道系统结构特点,建立列车-轨道-路基耦合系统动力分析模型,提出一种包含钢轨、扣件、轨下垫板、预制轨道板、CA砂浆层、混凝土支承层及路基的无砟轨道单元,并推导该单元刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。运用Lagrange方程建立高速列车通过时无砟轨道动力特性分析的有限元数值方程。结合实例,研究无砟轨道轨下垫板、CA砂浆层、路基等结构参数对轨道振动的影响,并对有砟轨道与无砟轨道连接段动力特性进行分析,分析时考虑列车速度、轨道基础刚度等影响因素。计算结果表明:无砟轨道结构参数合理取值与刚度合理匹配可显著提高轨道整体工作性能;连接段轨道基础刚度变化对钢轨垂向加速度和轮轨作用力均有影响,其影响随列车速度提高而增大;连接段采取轨道刚度渐变过渡措施,可明显降低车辆-轨道结构冲击振动,有效改善行车品质。     

新型钢枕轨道结构受力特性影响因素分析

针对轨道过渡段基础沉降引起的轨道不平顺问题,提出一种能够自动补偿基础沉降的新型钢枕。为研究新型钢枕轨道结构参数对轨道结构受力特性的影响,基于有限元法,建立新型钢枕轨道-路基空间耦合模型,分析轨下胶垫刚度、钢枕间距以及道床弹性模量等参数对钢枕轨道结构受力特性的影响规律。研究结果表明:轨下胶垫刚度对钢轨受力特性的影响最为显著,随着轨下胶垫刚度的增大,钢轨的受力与变形均随之减小,但同时钢枕、道床和路基的受力与变形有所增大;减小钢枕间距能够减小轨道结构受力与变形,但钢枕间距太小会加大对道砟捣固的作业难度,增加养护维修工作量和维修成本;增大道床弹性模量可以减小轨道结构变形,但同时增大了钢枕和道床的受力。建议对轨下胶垫刚度、钢枕间距和道床弹性模量等参数综合考虑后合理选取。     

贵阳轨道交通1号线钢弹簧浮置板轨道过渡段合理设置方式研究

短轨枕式整体道床与钢弹簧浮置板轨道的轨下基础刚度差异很大,需要设置过渡段以实现轨下基础刚度的合理过渡。结合贵阳轨道交通1号线中广泛采用的短轨枕式整体道床与钢弹簧浮置板轨道进行研究,建立短轨枕式整体道床与钢弹簧浮置板轨道过渡段的力学模型,采用有限元方法,对不同过渡段的长度、不同过渡段分级不同车速对过渡段的影响进行分析,同时还分析"加密钢弹簧支座减振扣件"的过渡方式。结果表明,不同的过渡段长度和不同的过渡段分级对过渡段的性能有不同程度的影响,采用加密钢弹簧支座结合减振扣件的过渡方式比仅加密钢弹簧支座的过渡方式过渡效果更好。     

弹性轨枕有碴轨道动力响应分析

利用车辆-轨道耦合动力学理论所编制的程序,计算弹性轨枕有碴轨道与普通轨枕有碴轨道在相同工况下的动力响应。通过对两种轨道动力响应的对比分析,表明弹性轨枕不仅能够提高轨道弹性,缓和列车冲击,减轻道床振动,减少道碴粉化,延长轨道维护周期,还能保持行车的安全性与平稳性。     

无砟轨道中减振垫组合减振性能对比分析

无砟轨道的整体刚度比有砟轨道大,为降低列车通过时的轮轨振动以及环境振动,有关无砟轨道的减振措施应运而生,考虑3种减振垫组合:轨下减振垫、轨下减振垫+枕下减振垫和轨下减振垫+板下减振垫。为研究3种减振垫组合情况下的减振性能,基于FEM方法,建立3种组合情况下的振动力学模型,对其进行谐响应分析,结果表明:轨下减振垫+枕下减振垫组合和轨下减振垫+板下减振垫组合不利于减少轮轨(钢轨)振动;轨下减振垫+板下减振垫组合有助于降低200 Hz频率以下环境(底座板)振动,最多能降低底座板振动加速度级为11.98 d B,频率越低减振能力越强;轨下减振垫+枕下减振垫组合仅能略微降低20 Hz频率以下环境(底座板)振动,最多能降低底座板振动加速度级为5.46 d B;相关计算和分析可为合理设计减振垫位置提供依据。     

城市轨道交通大坡道及小半径曲线地段轨道结构受力和变形特性分析

采用有限元法建立了大坡道及小半径曲线地段的长枕埋入式轨道和浮置板轨道结构模型,分析列车紧急制动下坡通过曲线时的钢轨受力、轨道结构底部支反力及轨道板的位移。结果表明:浮置板轨道结构的钢轨纵向力大于长枕埋入式轨道钢轨纵向力;长枕埋入式轨道结构底部纵向支反力大于浮置板轨道隔振弹簧的纵向支反力,垂向支反力小于浮置板隔振弹簧垂向支反力。列车转向架处于浮置板两端时会引起轨道板垂向位移增大,对剪力铰影响较大;纵向位移自列车荷载作用处向浮置板两端递减,纵向位移最大值约为0.30 mm;列车通过曲线时易引起浮置板向外轨方向发生横向位移和倾斜。