重载货车轴重与速度匹配关系研究

基于重载货车轨道耦合动力学模型,采用机车车辆与线路最佳匹配设计方法,进行货车轴重与速度的匹配研究.结果表明:25,27,30和40t轴重重载货车容许通过轨道低接头的速度应分别小于110,100,90和60km·h-1;40t轴重重载货车以60km·h-1速度在直线线路上运行时,其轮轨垂向力为249.6kN,非常接近英国铁路250kN轮轨垂向力的限值;在我国现有以60kg·m-1轨为主的干线铁路上开行30和40t轴重重载货车,对轨道结构的破坏比现有低轴重货车严重得多,但开行27t轴重重载货车是可行的;40t轴重重载货车在600m半径的曲线轨道上以40～120km·h-1速度运行时,轮轨垂向力最大值超过了英国铁路的250kN轮轨垂向力限值,轮轨横向力最大值非常接近我国《铁道车辆动力学性能评定及试验鉴定规范》所规定的77.80kN容许限值,另外轮轨磨耗功非常大,因此40t轴重重载货车还不能直接应用于我国现有60kg·m-1钢轨的轨道.     

33 t轴重重载铁路轨道结构合理刚度研究

现有刚度研究多运用准静态方法进行分析并确定轨道结构的刚度取值范围,而没有考虑轨道刚度对轨道结构动力响应的影响,为改进既有方法,文章以车辆-轨道耦合动力学为基础,建立垂向分析模型,运用Matlab编写动力学仿真计算程序,采用敏感系数法分析轨道结构动力响应对轨道部件刚度变化的敏感度,从而得出轨道结构的合理刚度。以轨道综合动力响应最小建立目标函数,得出33 t轴重货车作用下有砟轨道结构的最优刚度匹配为:扣件刚度120 kN/mm,道床刚度175 kN/mm。     

35～40 t轴重重载铁路有砟轨道结构方案及试验研究

基于国外重载铁路现状,并结合前期研究成果,提出了35～40 t轴重重载铁路有砟轨道结构方案。在高速铁路轨道技术国家重点实验室铺设了有砟轨道实尺模型,通过轨道结构刚度试验、荷载垂向传递试验获得了35～40 t轴重有砟轨道的轨道刚度、枕上支点压力、枕下0.55 m和0.95 m位置基床压应力;通过钢轨倾翻试验得知轨道结构在垂向荷载400 kN、横向荷载165 kN同时作用下,重载扣件安全可靠,轨道结构稳定,验证了该轨道结构具有良好的防钢轨倾翻性能;通过轨枕荷载弯矩试验验证了重载轨枕在垂向荷载单独作用、垂向和横向荷载耦合作用等不同的荷载组合工况下,轨下截面弯矩以及枕中截面弯矩均有一定的安全余量,轨枕强度能够满足35～40 t轴重铁路的承载要求。     

35.7t轴重重载铁路轨道关键设计参数研究

我国面临着发展重载铁路和承担海外重载铁路的设计任务,美国、加拿大、澳大利亚等国重载铁路的轴重普遍达到35.7 t,结合海外项目,以35.7 t轴重货车为例,对此轴重条件下的轨道结构主要设计参数进行研究。轴重的提高对重载铁路轨道部件提出更高的要求。采用商业有限元软件ANSYS,建立轨道-路基系统有限元模型,主要研究钢轨类型、轨下垫板刚度、道床状态、路基基床参数对35.7 t轴重货车的轨道结构静力学特性的影响,为轴重35.7 t轨道结构的关键参数选取提供建议。     

道床刚度对钢轨接头动力响应影响研究

有砟轨道在施工阶段存在大量的钢轨接头会加剧轮轨间冲击和振动，造成钢轨伤损，影响轨道平顺性，不利于工程车辆行车安全，合理的道床刚度能减缓钢轨接头处轮轨间的冲击作用，改善临时轨道结构的受力和变形。基于多体动力学理论，以21 t轴重平车为研究对象，建立车辆-钢轨接头耦合动力学模型，研究钢轨接头区轮轨动力响应，分析道床刚度对轮轨冲击的影响规律。结果表明：钢轨接头区的轮轨冲击较为显著，其轮轨垂向力比非接头区增大约1.4倍。随着道床刚度增加，轮轨垂向力呈非线性增加趋势，钢轨和轨枕的垂向加速度和垂向位移均呈减小趋势，道床刚度为170 kN/mm时，轮重减载率最大值为0.63，接近我国规范的允许限值0.65；道床刚度小于45 kN/mm时，钢轨和轨枕的位移均超出了我国规范允许值（2.5 mm和2.0 mm）。因此，施工阶段应对道砟进行合理的捣固，宜将道床刚度控制在45～170 kN/mm。     

30 t轴重重载铁路有砟轨道动力性能试验研究

在瓦日(吕梁市兴县瓦塘镇—日照港)重载铁路综合试验段开展30 t轴重实车试验,研究新型重载铁路有砟轨道结构扣件、轨枕及整体轨道结构的动力性能。研究结果表明:30 t轴重重载列车通过时,新型重载有砟轨道安全性参数均小于安全限值;弹性垫层采用TPEE材质,并提高了垫层刚度,延长了其疲劳寿命;弹条Ⅵ型扣件具有足够的横向承载能力,保持轨距的能力较好;Ⅳa型轨枕承载能力高,具有较大的安全储备且其横向位移小,具有较好的轨道结构稳定性;通过提高道床厚度降低了道床底部应力,减少了重载列车对路基的破坏;新型重载轨道结构提高了轨道结构的横向刚度,具有更好的稳定性。     

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。     

40 t轴重重载铁路轨枕关键设计参数研究

研究目的:重载列车轴重的增加使轨枕的服役环境大大恶化,为探究运行40 t轴重列车的轨枕关键设计参数,本文建立更为精确的三维轮轨接触与轨道有限元模型,分析轨枕应力变化规律,并提出提升轨枕承载能力的措施,以期为我国未来大轴重轨道结构设计提供数据支持。研究结论:(1)当40 t轴重重载列车以120 km/h的速度通过时,轨枕承轨槽处的最大应力达9.21 MPa,但仍小于C60混凝土12 MPa的抗压限值;(2)轨枕的承载能力由轨枕提供的抗正弯力矩控制,速度达到120 km/h时,轨枕最大正弯矩极值增加至18.99 kN·m,非常接近Ⅲ型轨枕的抗弯限值19.05 kN·m;(3)通过加宽或加长改进的Ⅲ型轨枕,重量增加至350 kg以上,可满足运行40 t轴重重载列车的要求;(4)考虑到建造成本和道床限界等因素,优先考虑加宽轨枕,加宽10 cm后的轨枕至少可承受23.52 kN·m和-22.87 kN·m的最大正、负弯矩;(5)该研究结果可为40 t轴重重载铁路轨枕设计提供参考。     

30t轴重重载铁路轨道刚度研究

重载铁路轨道的刚度由钢轨、支点间距和轨下支承刚度共同决定,合理的轨道刚度对延长轨道结构的使用寿命、减少现场养护维修工作量、提高线路的经济效益有着重要的实际意义。本文结合大秦线重载铁路扣件弹性垫层的使用情况,探讨了在30 t列车轴重作用下,不同钢轨类型及不同道床支承状态所对应的弹性垫层刚度范围。分析认为:30 t轴重重载铁路轨道宜使用68 kg/m钢轨或75 kg/m钢轨;对于新建重载有砟轨道线路弹性垫层刚度选取范围为120~160 kN/mm;对于既有有砟轨道重载改造线路弹性垫层刚度选取范围为100~140 kN/mm;对于刚性道床重载无砟轨道线路弹性垫层刚度选取范围为40~60 kN/mm。     

30 t轴重条件下轨道几何不平顺限速管理值研究

结合朔黄铁路开行KM96型30 t轴重重载列车试验,应用车辆-轨道耦合动力学理论和SIMPACK多体动力学软件,建立30 t轴重货车车辆仿真模型,研究不同轨道几何不平顺条件下的列车动力性能以及运营安全性能。基于国内铁路开展的30 t轴重列车动力性能试验,设置高低和轨向2种类型的轨道不平顺,结合现场测试结果对仿真模型进行了验证与优化,进而分析了30 t轴重重载列车在不同不平顺波长下的动力学响应,得出了轨向、高低、三角坑等轨道不平顺指标的敏感波长。研究列车在敏感波长为10 m时,直线、曲线上单项以及逆向复合不平顺条件下的动力学响应,结合30 t轴重列车运行安全性能指标的变化趋势,提出了30 t轴重条件下重载铁路轨道几何不平顺的限速管理值,其中高低26 mm,轨向22 mm,水平26 mm,三角坑18 mm,逆向复合不平顺19 mm。     

地铁轨下胶垫参数对轨道垂向振动影响研究

以往地铁线路轨下结构研究过于简化,只考虑轨下弹性垫板单一变量对轨道动力学的影响,没有综合考虑刚度和阻尼参数对轨道结构动力学性能的影响。在车辆-轨道耦合系统动力学理论基础上,运用动力学软件SIMPACK建立地铁车辆-板式无砟轨道模型,分析轨下弹性垫板刚度在30~70 MN/m,阻尼在60~80 k N·s/m范围内变化对板式无砟轨道结构动力学性能的影响。研究显示,轨下垫片刚度敏感的动力参数顺序为轨道板垂向加速度、钢轨垂向加速度、轨道板垂向位移、钢轨垂向位移和轮轨力。     

40t轴重货车轮轨动力特性分析

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据40 t轴重货车结构特点,建立了重载货车车辆-轨道耦合模型,并对不同线路谱和速度下40 t轴重货车的轮轨动力特性进行了仿真分析。     

铁路轨道刚度的确定方法

对轨道合理刚度问题进行分析,阐述轨道容许变形量与轨道部件容许应力相互平衡关系以及维修工作量与行车舒适性相互制约关系。给出三种确定轨道整体刚度的方法,钢轨允许应力法、轨道允许变形法和临界速度法。论述部件刚度合理匹配关系。从安全和控制维修的角度,提出基于合理变形确定轨道部件刚度的方法,即变形分配法。应用所提出的方法,对高速铁路轨道刚度问题进行探讨,建议采用轨道允许变形法和变形分配法确定高速铁路轨道整体刚度和部件刚度。给出我国高速铁路在车辆轮载作用下轨道刚度的建议值,轨道整体刚度100kN·mm-1、钢轨支座刚度37kN·mm-1、轨下垫板和道床刚度74kN·mm-1。     

40 t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕设计研究

我国具有25 t和30 t轴重重载铁路预应力混凝土轨枕的设计和运营经验,但对于40 t轴重重载铁路混凝土轨枕仍缺乏相关技术储备。为配合我国重载铁路"走出去"战略,本文基于对国内外混凝土轨枕设计标准的对比分析,开展了40 t轴重重载轨枕的设计研究。研究结果表明:对于40 t轴重重载铁路典型工况,按照北美地区混凝土轨枕的设计标准计算出的轨下截面正弯矩显著高于按照欧洲和中国标准的计算结果;按照中国混凝土轨枕的设计标准设计完成的40 t轴重重载轨枕轨下截面正弯矩和枕中截面负弯矩承载能力分别为35.6,22.3 kN·m,与适用于25,30 t轴重重载铁路的Ⅲa型、Ⅳa型轨枕相比,该轨枕在质量提高相对不大的情况下,满足设计承载要求。然后按照北美地区轨枕标准的规定进行了一系列室内试验验证,试验结果均满足标准要求。     

30t轴重下朔黄铁路轨道结构强化技术试验研究

本文针对朔黄铁路开行30t轴重货车时既有轨道的适应性与强化措施等问题,进行了系统的理论与试验研究。采用动力仿真分析与30t轴重货车实车试验相结合的方法,分析30t轴重下轨道结构的适应性。朔黄铁路既有轨道结构能满足大轴重货车近期少量开行的要求,但大轴重货车作用于轨道的动态荷载会明显增加,既有轨道结构面临轨道部件伤损增加、疲劳寿命缩短、小半径曲线稳定性储备不足等问题。根据30t轴重下轨道结构荷载特点,有针对性地开展轨道结构强化措施的研究,重点开展SH-Ⅰ型重载轨枕与SH-Ⅰ型重载扣件、小半径强化措施、75kg/m钢轨移动闪光焊技术、直线钢轨打磨廓面、重载道岔的研发等工作,各强化措施均已在朔黄铁路实施。对朔黄铁路既有轨道结构的强化改造,可全面提升轨道结构等级,能满足30t轴重货车的运营要求。     

30t及以上轴重货车动力性能仿真研究

随着我国铁路货运量的迅速增加,重载运输己成为我国铁路运输的主要发展方向.为了适应我国25t以上轴重重载货车运输的发展,首先建立了25 t轴重重载货车动力仿真模型,在此基础上对30 t和35 t轴重条件下车辆模型的关键参数等进行了动力学分析,优化了30 t和35 t轴重货车模型的参数取值.利用所确定货车模型参数,建立30 t和35 t轴重重载货车-轨道动力仿真模型,计算分析车辆-轨道各项动力响应,相应指标符合规范中优良等级要求.通过不同速度下的动力学响应分析,对30 t和35 t轴重重载铁路的运行速度进行初步探究,建议我国30 t和35 t轴重货车适宜的运行速度为100 km/h.     

合成轨枕式无砟轨道结构垂向动力特性分析

通过合成轨枕式无砟轨道结构的半车—轨道垂向耦合动力学模型,研究了焊接不平顺激励下,扣件刚度、枕下支承刚度等对结构垂向动力特性的影响。分析表明:扣件刚度、阻尼及树脂砂浆弹性模量对行车安全性及平稳性影响不大。扣件刚度增加,对轨道系统的动力特性有一定影响,其中钢轨位移减少最为显著;扣件阻尼增加后,钢轨垂向振动加速度明显减小;树脂砂浆弹性模量增加,轨枕垂向振动加速度减小显著,钢轨垂向振动加速度增加。     

梯形轨道-普通整体道床过渡段布置方式研究

梯形轨道与普通整体道床的过渡部分,由于两种轨道结构形式的轨下基础刚度存在差异,从而影响行车平稳性和钢轨使用寿命。采用线性增加梯形轨道纵向轨枕下减振胶垫个数,作为梯形轨道-普通整体道床过渡段设置方式,建立车辆与过渡段轨道耦合动力学模型,分析不同过渡段设置方式钢轨垂向位移和车体垂向加速度的变化。计算表明,在两种轨道形式连接处梯形轨道的纵向轨枕下,采9个减振胶垫,以等间距0.625 m布置的过渡段设置方式较为合理。     

隧道内有砟轨道铺设弹性轨枕的动力特性分析

弹性轨枕已被应用于国内外多条有砟轨道线路,铺设于路基、桥涵地段以减小道砟受力。为探明隧道内有砟轨道铺设弹性轨枕的适用性及其减振性能,基于动力学理论与有限元法,建立车辆-有砟轨道-隧道空间耦合动力学模型,分析弹性轨枕对车辆、轨道以及隧道动力响应的影响,并对枕下垫层合理刚度进行探讨。结果表明:弹性轨枕能保证隧道内行车的安全性和平稳性,车辆动力学指标变化不大;枕下垫层会导致钢轨、轨枕垂向位移显著增加,但可大幅降低有砟道床动态响应;相比普通有砟轨道,弹性轨枕具有很好的减振效果,隧道壁振动最大减小17dB,发生于80Hz中心频率处;从控制轨道振动和位移、保证减振效果的角度考虑,建议枕下垫层刚度取40~60kN/mm。     

南京长江大桥有砟桥道床弹性改善的研究

研究目的:为考察道砟垫对南京长江大桥有砟桥道床弹性的改善效果,在室内试验基础上,通过仿真计算和现场测试,分析了3种不同厚度道砟垫对有砟桥轮轨动力响应的改善情况.研究结论:仿真计算和现场测试都表明:铺设道砟垫对低频轮轨力、钢轨和轨枕的垂向位移、钢轨和轨枕的振动加速度有一定改善;对道床垂向位移、道床振动加速度有明显改善效果,道床垂向位移可增加50%以上,道床振动加速度可降低45%以上;道砟垫对动力响应的影响与列车速度、轨道不平顺波长和波深的关系不大;30 mm厚度的道砟垫对道床的弹性改善效果较好,且其产生的轨道整体动刚度与明桥面的轨道整体动刚度较接近,有利于实现明桥面和引桥的刚度过渡.