双块式无砟轨道上拱离缝后动力性能评价

在高速铁路运营过程中,局部双块式无砟轨道道床板和支承层间发生了开裂,并在接触面上因温度变化而产生一定程度的离缝,这会引起道床板的空吊,形成动态不平顺,给行车的舒适性和安全性带来隐患。本文基于 ABAQUS有限元理论,建立了车辆-双块式无砟轨道耦合动力学模型,对比了车辆时速350 km时离缝存在与否两种情况下的车体及轨道结构的振动特性,从车辆运行的安全性以及轮轨系统的动力作用水平等方面来评价分析双块式无砟轨道上拱离缝的影响。研究结果表明：双块式无砟轨道上拱离缝后对行车车辆安全性指标及轨道结构的受力影响较大,需要及时养护维修。     

高速铁路路基沉降对车体振动影响研究

某开通时间较短的高速铁路线路受连续降雨影响,路基沉降快速发展,导致部分区段轨道结构发生变形,使轨道不平顺幅值明显增加,引起车体振动加剧,对列车运行的安全性和稳定性造成影响。为了研究路基沉降引起的轨道不平顺对车体振动的影响,选取典型路基沉降区段连续4次动态检测数据进行时频特征分析,结合建立的车辆-有砟轨道空间耦合动力学仿真模型,研究路基沉降区段轨道不平顺和车体振动加速度之间的映射关系,获得了路基沉降不平顺波长和状态演变对车辆动力响应的影响规律。研究结果表明：降雨导致的路基沉降对高低不平顺和车体垂向加速度的影响显著,对轨向不平顺和车体横向加速度的影响较小;路基沉降区段的高低不平顺与车体垂向加速度幅值变化趋势和振动频率基本相同,42～70 m波长高低不平顺的幅值增加是造成车体垂向振动加剧的主要原因;依据仿真结果,路基沉降引起的高低不平顺幅值急剧增加会造成行车过程中局部轮轨垂向力显著减小,导致轮重减载率显著增加;对于速度等级250 km/h的线路,建议雨后重点盯控路基沉降点长波高低不平顺的变化,针对车体垂向振动加速度不良区段的养护维修作业,应着重调整42～70 m波长高低不平顺幅值,以保障车辆...     

高速列车作用下双块式无砟轨道与路基垂向耦合振动分析

针对双块式无砟轨道和路基的结构特点,建立车辆-轨道-路基垂向耦合动力学频域分析模型,模型充分考虑机车车辆、双块式无砟轨道和路基的相互耦合作用。车体、转向架和轮对被视为多刚体系统,一系和二系悬挂用弹簧阻尼元件模拟;双块式无砟轨道和路基系统视为多层叠合梁模型,彼此用弹簧阻尼元件联结。推导双块式无砟轨道和路基系统振动响应的解析表达式,计算得出轨道和路基耦合系统的动柔度特性,结合虚拟激励法提出该模型在轨道随机不平顺激励时动力学响应的求解方法,分析高速列车荷载作用下双块式无砟轨道和路基的随机振动响应及其振动传递特性。研究结果表明:在10～5 000Hz频率范围内,钢轨的动柔度幅值远大于道床与路基的动柔度幅值,而道床动柔度幅值在30Hz以上频段大于路基的动柔度幅值;钢轨振动的能量分布频段较道床和路基要宽,道床和路基振动主要集中于163.9Hz左右频段;对于无砟轨道和路基耦合系统的振动功率,钢轨最大,道床次之,路基最小;道床和路基振动功率在100Hz以上中高频段,衰减比较快,而在100Hz以下低频段,其衰减不明显;在300Hz以上高频段,钢轨-路基间振动衰减较大,其主要原因是受钢轨-道床间振动衰减波动的影响。     

路基不均匀沉降对列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性的影响

基于列车—轨道耦合动力学理论,建立能够考虑无砟轨道-路基系统各部件间接触状态非线性的列车-路基上板式无砟轨道三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维非线性有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上无砟轨道线路上高速行驶时,在路基不均匀沉降作用下,列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:(1)路基不均匀沉降对车体振动加速度影响极大,路基不均匀沉降对车体振动加速度的影响与无砟轨道类型关系不大;(2)路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性有一定的影响,影响小于对车体振动加速度的影响,路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性的影响与无砟轨道类型有一定的关系,总体来讲,路基不均匀沉降对I型板式无砟轨道动力特性的影响要大于对双块式及Ⅱ型板式无砟轨道的影响。     

30 t轴重重载铁路高低/轨向复合不平顺管理限值分析

基于动力学理论并利用多体动力学仿真软件UM建立30 t轴重重载车辆-轨道空间耦合模型,分析高低/轨向复合不平顺波长、幅值对重载车辆动力性能的影响,确定最不利波长并提出高低/轨向复合不平顺幅值管理建议值。研究结果表明:(1)高低/轨向复合不平顺的最不利波长为10 m,波长大于40 m后,波长对动力性能影响较小;(2)高低/轨向复合不平顺中的高低不平顺成分幅值变化对轮重减载率、车体垂向加速度等指标影响显著,而轨向不平顺成分幅值变化对脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、车体横向加速度等指标影响较大;(3)仅开行重载货车的线路,高低/轨向复合不平顺偏差限值I~Ⅳ级管理标准建议分别取为4 mm/5 mm、7 mm/8 mm、10 mm/10 mm、14 mm/13 mm。     

车轮多边形磨耗对车辆-轨道动态相互作用的影响

为确保时速400 km下列车安全平稳运行，车辆部件正常使用，以车辆-轨道耦合动力学为理论基础，将车轮多边形磨耗考虑为轨道不平顺激励，针对单阶主导的车轮多边形形式，分析了车轮多边形阶数、幅值对车辆-轨道动态相互作用的影响规律；基于轮轨垂向力170 kN的限值要求，给出了时速400 km行车条件下车轮多边形阶数、幅值组合的安全限值。结果表明：随着车轮多边形阶数增加，轮轨垂向力逐渐出现高频波动，且阶数越高，波动频次越高，波动幅值越大；车轮多边形幅值越大，对轮轨动态相互作用的影响越明显；相比无多边形的正常车轮工况，轮对垂向振动加速度增幅总体上随车轮多边形阶数增大而增大；车轮多边形对车体和构架影响不大。     

轨道不平顺对悬挂式货运单轨车辆动力行为影响分析

建立了悬挂式货运单轨车辆60自由度动力学模型。使用模态方法研究了悬挂式货运单轨车辆的主要振动频率和相应的敏感波长,使用非线性积分方法计算了悬挂式货运单轨车辆在轨道不平顺作用下的动态响应。结果显示:在车速15～30km/h范围内,悬挂式货运单轨车辆横向振动主要受波长在13.44～26.88m范围内的不平顺的影响,垂向振动主要受1.46～3.36m范围内的短波不平顺影响。轮轨导向力随横向不平顺幅值的增大而线性增大,然增幅不明显。车体垂向加速度和轮轨垂向力随垂向不平顺幅值的增大而线性增大,其中短波不平顺的影响最明显,短波不平顺幅值从1mm增加到4mm,车体垂向加速度幅值从0.58m/s2增加到2.1m/s2,在工程实际中,应重点对走行面上的短波不平顺进行监测和控制。     

温度梯度作用下高速铁路桥上行车安全性研究

研究目的:为研究温度梯度作用对高速铁路行车安全性的影响,以徐兰高速铁路郑徐段为背景,采用ABAQUS建立四跨32. 6 m高速铁路简支梁桥及CRTSⅢ型无砟轨道有限元模型,分析不同温度梯度作用下钢轨附加变形的变化规律。在此基础上,将含钢轨附加变形的桥梁-轨道结构有限元模型导入多体动力学软件SIMPACK中进行车桥耦合动力仿真分析,探讨各工况下车辆响应的变化规律和行车安全性。研究结论:(1)温度引起的钢轨横向和竖向附加变形均随着温度梯度幅值的增大而增大;(2)竖向温度梯度作用主要引起钢轨竖向几何形状变化,对横向的几何形位影响较小;横向温度梯度作用主要引起钢轨轨距的变化;(3)所考虑工况中,温度梯度幅值越大,车体竖向加速度峰值越大,变化的幅度也越大,但都满足规范要求;(4)轮轨垂向力以及轮重减载率与温度梯度幅值的相关性不明显;(5)本研究成果可为高速铁路设计、桥上列车行车安全性评估提供参考。     

基于乘车舒适性的高速铁路轨道高低不平顺谱限值估计方法

应用车辆-轨道耦合动力学理论和平稳随机过程理论,借助车辆-轨道垂向耦合频域分析模型,以轨道高低不平顺谱为输入激励,提出基于车辆垂向舒适性指标(车体加速度和 Sperling 指标)估计高低不平顺谱限值的方法。以我国武广客运专线及德国低干扰轨道高低不平顺谱为例,对350 km/h行车速度时的谱限值进行了估计。通过对比时域、频域模型计算结果,对所估计谱限值进行了校核,校核分析结果表明,频域模型计算结果与时域结果吻合较好,说明了所估计谱限值的合理性。分析方法及研究结果可为高速铁路轨道不平顺管理提供参考。     

桥上复合轨枕无砟轨道垂向动力性能研究

桥上复合轨枕无砟轨道是一种新型轨道结构,轨枕由复合高分子材料及加劲材料等构成。为研究桥上复合轨枕无砟轨道结构的垂向动力性能,建立车辆-轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,对比双块式轨枕分析车辆、轮轨系统、轨道系统以及桥梁的动力响应。结果表明:桥上复合轨枕无砟轨道垂向动力性能满足行车安全性、平稳性以及旅客乘坐舒适性标准要求;车辆、轮轨系统及轨道上部结构动力响应较双块式轨枕略有增大,轨道下部结构及桥梁动力响应较双块式轨枕有所减小。桥上复合轨枕无砟轨道结构在满足现有规范使用要求的同时具有一定减振作用。     

重载铁路桥上无砟轨道扣件关键参数研究

研究目的:为研究重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统关键设计参数取值,本文基于弹性地基梁理论和车辆-轨道耦合动力学理论,建立32.5 t轴重重载货车-长枕埋入式无砟轨道-桥梁垂向耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道静、动力学性能的影响规律,提出重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统设计参数取值。研究结论:(1)钢轨垂向位移和钢轨轨底应力随扣件系统刚度的增大而减小,车体垂向振动加速度、轮重减载率、轮轨力和桥梁垂向振动加速度随扣件系统刚度的增大而增大;(2)钢轨垂向位移、钢轨轨底应力、车体垂向振动加速度、轮重减载率和桥梁垂向振动加速度随扣件间距的增大而增大,但轮轨垂向力随之减小;(3)综合考虑轨道变形以及工程造价,建议重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道扣件系统的静刚度取为40～60 k N/mm,扣件系统的动刚度取为80～100 k N/mm,扣件间距取为0.6～0.65 m;(4)本研究成果可为重载铁路桥上长枕埋入式无砟轨道结构设计提供参考。     

重载铁路隧道内无砟轨道动力响应

研究目的:采用少维修的无砟轨道结构是重载铁路长大隧道地段的必然选择,本文通过建立车辆-轨道耦合动力学模型,对不同车速、不同轴重、不同轨道结构、不同过渡形式下的系统动力响应进行对比,以确定出最佳轨道类型和过渡段类型,进而为无砟轨道在重载铁路隧道中的设计提供理论依据。研究结论:(1)车速增加对轨下结构的振动加速度影响较大;(2)随着轴重增加,除轮重减载率以外,其他各项指标均随轴重的增加而增大,且增幅较大;(3)长枕套靴式无砟轨道道床垂向应力较小,但脱轨系数大,道床垂向位移较大;双块式无砟轨道钢轨垂向位移小,但道床垂向应力、钢轨垂向力均较大;弹性支承块式无砟轨道脱轨系数和轮重减载率较小,道床垂向应力适中,利于重载铁路环境下铺设使用;(4)将有砟与无砟过渡段设置在路基上时,车辆运行的安全性指标控制得较好,并且因冲击而产生的钢轨加速度明显减小,且扣件的支反力也明显减小;(5)本研究成果对开展重载铁路无砟轨道结构设计具有参考价值。     

高速铁路轨道不平顺幅值控制研究

研究目的:快速、舒适和安全是高速铁路得以实现的三大要素.由于高速铁路列车与轨道的相互作用很复杂,轨道几何形位难控制,从而造成轨道与设计线形的变化,出现轨道几何不平顺,反过来又会影响列车行驶的安全和舒适度.本文通过建立列车垂向振动整车模型,考虑轨道结构的弹性,以轨道不平顺值作为激励,建立运动方程.用变换矩阵法求解系统的刚度、阻尼、质量矩阵,以Newmark积分法经matlab编程逐步求解.提出车体垂向加速度和轨道高低不平顺幅值.研究结论:通过建立整车模型和对运动方程的求解,探讨了轨道高低不平顺对列车垂向加速度的影响;通过与国内外相关标准的比较,提出在时速300 km/h时应满足的轨道最大高低不平顺幅值,即:当车体垂向加速度满足不平顺舒适度值0.15 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在8 mm以内;满足计划维修目标值0.25 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在14 mm以内;满足安全管理目标值0.35 g时,轨道高低不平顺幅值应控制在19 mm以内.     

单元双块式无砟轨道道床板温度翘曲变形的影响研究

单元双块式无砟轨道中的道床板在温度梯度作用下会产生翘曲变形,可能对轨道几何形位产生不利影响,从而危害行车安全。采用有限元方法建立单元双块式无砟轨道计算模型,探索温度梯度作用下道床板的翘曲变形规律及其对轨道几何形位的影响。结果表明:在正温度梯度作用下,道床板的翘曲变形较大,可能危害高速行车安全,需采取措施进行控制;而在负温度梯度作用下,道床板的温度翘曲变形较小,可忽略。     

土质路基上板式无砟轨道结构的动力学性能仿真研究

依据系统工程理论的思想,基于车辆—轨道耦合动力学理论和有限元理论,建立机车车辆和板式无砟轨道结构的力学模型,采用ABAQUS软件实现滚动接触过程的轮轨接触的模拟,对铁路客运专线土质路基板式无砟轨道结构在高速行车条件下的动力学性能进行仿真分析研究。结果表明：板式无砟轨道结构的平顺性很好;动车组轮轨垂向力、轮重减载率、轮轨垂向力动载系数和各轮脱轨系数的最大值及其离散性均随着列车速度的提高而增大,整个动车组所有车轮的轮轨横向力最大值以及各轴的轮轴横向力均远小于安全控制值;板式无砟轨道结构各部分的振动加速度和主要振动频带范围随着列车速度的增大而增大;板式无砟轨道结构的振动衰减情况良好。     

高速铁路(京沪、沪宁、沪杭线)轨道不平顺谱分析

利用改进的Welch周期图法计算了京沪、沪杭、沪宁等高速铁路的轨道不平顺功率谱密度,从波长和幅值2个角度分析其轨道不平顺特征,并对成因进行探析;利用相干理论对轨道不平顺与车体振动加速度进行分析,探讨高速线路轨道不平顺引起的车体不利波长。研究结果表明:京沪、沪杭、沪宁高速铁路普遍存在2.8～2.9,6.45～6.5,24～25和32～33m不利波长范围的周期性轨道不平顺;高速铁路高低不平顺对车体垂向加速度影响显著;各高铁线水平和扭曲不平顺对车体垂、横向振动不利波长主要为2.0～3.5m窄带周期性波长。     

城际铁路桥上纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数研究

为研究城际铁路纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数取值,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立客车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对桥上无砟轨道系统动力响应的影响规律,并基于层次分析法,对桥上无砟轨道系统动力特性进行综合评价。结果表明:随着扣件系统刚度增大,钢轨垂向位移减小,车体振动加速度、轮轨垂向力、轮重减载率和桥梁振动加速度均增大;随着扣件间距的增大,轮轨垂向力减小,车体振动加速度、轮重减载率、钢轨垂向位移和桥梁振动加速度均增大;综合考虑轨道变形以及工程造价,建议扣件系统刚度为50～80 kN/mm,扣件间距为0.6～0.7 m。     

无砟轨道纵向连接形式对列车—板式无砟轨道—路基系统振动特性影响

运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则,建立列车—板式无砟轨道—路基的竖向振动方程组,用Matlab编制相应计算程序,并用ANSYS软件验证,分析在随机不平顺激扰下,列车高速运行时板式无砟轨道不同纵向连接形式对列车—板式无砟轨道—路基系统振动特性的影响。研究表明:板式无砟轨道纵向连接形式对车体垂向加速度、钢轨垂向加速度、轮轨垂向力、扣件压力的影响极小,但对板式无砟轨道各部件及路基受力有较大影响,轨道板与底座纵连,可以大大降低轨道板和底座的振动和动应力,无砟轨道动力特性总体较为优良。     

利用高速铁路轨道不平顺谱估算不平顺限值的方法

基于车辆-轨道耦合动力学理论,结合我国高速铁路轨道不平顺的管理模式,提出利用高速铁路轨道不平顺谱进行不同管理等级轨道不平顺限值估算的方法。以中国高速铁路无砟轨道不平顺谱激扰作用下中国典型高速车辆在板式无砟轨道上运行为例,进行350km/h行车速度条件下轨道高低、轨向、水平、轨距不平顺各管理等级(Ⅰ~Ⅳ级)对应限值的估算,并与传统单一谐波(波长为10、40m)激扰作用下计算获得的限值和国内外高速铁路轨道不平顺标准对比分析。结果表明,采用本文所提的限值估算方法,以包含多种波长成分的随机不平顺作为输入激扰,相比单一谐波的计算方式考虑更为全面,可反映轨道不平顺各波长成分对行车品质的共同作用;相比国内外高速铁路轨道不平顺标准,在本文仿真计算条件下,利用高速铁路轨道不平顺谱估算的各管理等级轨道不平顺限值总体居于国内外标准之间。因此,本文利用高速铁路轨道不平顺谱进行轨道不平顺限值估算的方法是可行的,为采用动力学仿真手段获取轨道不平顺理论限值提供了一种新途径。     

温度-轨道不平顺组合激励下车-轨-桥耦合动力响应分析

为研究温度-轨道不平顺组合激励下千米级矮塔斜拉桥上无砟轨道的行车安全,根据运营环境确定温度荷载工况,并采用ANSYS进行静力分析,确定最不利温度荷载工况。基于车-轨-桥耦合动力分析理论,分析温度-轨道不平顺组合激励下千米级的矮塔斜拉桥上无砟轨道行驶高速列车的动力响应,计算不同行车速度对车辆和桥梁动力响应的影响,并根据现有规范标准,评价千米级的矮塔斜拉桥上无砟轨道的行车安全,提出温度-轨道不平顺组合激励下桥上安全行车的舒适行驶速度范围。分析结果表明：以350 km/h设计行车速度过桥时,动车、拖车垂向加速度最大值分别为0.8 m/s²和0.66 m/s²,各动力响应数据均处于优良水平,满足相关规范要求;车体的加速度最值与行车速度呈正相关趋势;行车速度为400 km/h时,动车车体垂向加速度最大值为0.95 m/s²,是行车速度为250 km/h的1.48倍;当车速达到400 km/h时,Sperling舒适性指标由“优秀”转为“良好”,行车舒适度相对较差。为保证桥上行车安全,建议行车速度不超过400 km/h。