轨道整体刚度对车辆和轨道动力性能的影响

以车辆-轨道耦合动力学理论为基础,结合移动式线路动态加载试验车在京广高铁线路测试的试验数据,利用有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK建立联合仿真模型,分析运行速度为200,250,300,350 km/h时,不同轨道整体刚度下车辆和轨道的动力性能。计算结果表明:车辆运行速度为300 km/h时,轨道整体刚度宜控制在75~100 k N/mm;车辆运行速度为250或200 km/h时,轨道整体刚度宜控制在65~100 k N/mm。研究结果可为高速铁路线路的养护维修更加合理的轨道刚度设计提供依据。     

250 km/h城际铁路的扣件间距选取研究

以车辆动力学、轨道动力学有限元方法为基础,以轮轨关系为联系纽带,将机车车辆、轨道作为一个整体大系统,应用计算机数值仿真的方法并借助于通用大型有限元动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA建立车辆-线路垂向全车耦合模型,来分析城际铁路各项动力性能随扣件间距增大的变化规律。并与高速铁路设计规范建议的运行速度为350值25 kN/mm,扣件间距为0.687 m的动力性能比较。找出适合运行速度为250 km/h时的更为经济、合理的扣件间距。     

市域铁路轨道减振方案研究

为探寻适用于市域铁路的轨道减振技术方案,通过建立车辆-轨道耦合动力分析模型,分析扣件减振和道床减振2类轨道减振措施对市域铁路的适用性。结果表明:行车速度的提高对车辆、轨道动力响应的影响不可忽视,在将城市轨道交通的轨道减振措施沿用到市域铁路时,必须开展适应性分析和差异化设计;当减振扣件的系统刚度取15kN/mm及以上时,可适用于120、160km/h两种速度等级市域铁路线路,满足中等减振要求;对于减振道床,为适应市域铁路120km/h速度等级的运行条件,隔离式减振垫的支承面刚度不应低于0.019N/mm3,而为适应160km/h速度等级的运行条件,隔离式减振垫的支承面刚度不应低于0.025N/mm3;当隔离式减振垫的支承面刚度设置合理时,减振道床可满足市域铁路高等减振的要求。     

基于随机振动理论的我国中高速铁路有砟轨道设计轮载研究

研究我国中高速铁路设计轮重。在考虑轨道高低和水平不平顺的基础上,采用德国高速低干扰谱与人工短波样本合成得到轨道随机不平顺样本,将轨道结构的扣件刚度和道床刚度作为随机参数。将两者共同作为车辆-轨道耦合振动系统的激励,应用Monte Carlo随机有限元方法,对轮轨动作用力进行研究。给出轮轨动作用力的概率分布特性及其随行车速度的变化规律,并提出在失效概率为0.05时我国中高速铁路设计动轮载和动力系数的建议值。当车速为160、200、250、300、350 km/h时,建议的动力系数分别为2.4、2.8、3.0、3.5、3.7。     

双块式无砟轨道合理刚度取值研究

为确定双块式无砟轨道的合理刚度,提出将准静态与动力响应分析手段相结合,根据应力、变形及振动水平控制指标,综合比选合理范围内的多种轨道刚度方案来确定双块式无砟轨道合理刚度的方法.分别运用有限单元法和车辆-轨道耦合动力理论建立双块式无砟轨道准静态计算模型进行应力与变形分析,开展无砟轨道扣件刚度对轮轨系统动力响应的影响分析.结果表明:对于250 km/h和350 km/h客运专线双块式无砟轨道,扣件刚度宜分别在35～45 kN/mm和20～25 kN/mm范围内取值.     

无砟轨道扣件刚度突变对高速列车动力的影响

研究目的:无砟轨道结构的弹性主要来源于扣件系统,在高速铁路无砟轨道施工或维修过程中,扣件系统可能出现安装不当或新旧轨下垫板不合理过渡的情况,从而在相邻的扣件间形成较大的刚度差或称刚度突变,静态条件下难以发现,但可能对高速行车的平稳性和安全性产生不利的影响。本文应用轮轨系统动力学理论和ANSYS/LS-DYNA有限元软件,建立了车辆-无砟轨道-路基系统垂向耦合振动模型,根据扣件刚度实际检测的范围,考虑不同的扣件刚度突变工况,计算分析扣件刚度突变对高速车辆及轨道动力特性的影响。研究结论:经过计算分析表明:(1)当扣件刚度局部发生突变时,车体加速度最大值和最小值基本不变,即扣件刚度突变对行车平稳性的影响不大;(2)扣件刚度突变对轮重减载率即行车安全性的影响明显,尤其是列车速度超过300 km/h时,扣件刚度突变直接导致轮重减载率超标;(3)该研究成果可为高速铁路无砟轨道扣件刚度在施工或维修中加强检测、建立严格的控制标准提供理论依据。     

一种确定弹性支承块式无碴轨道刚度的新方法

为确定弹性支承块式无碴轨道的合理刚度,提出以轨道应力与变形、动态轨距扩大及轨道动力响应参数为指标确定轨道刚度的方法。该方法运用有限单元法,建立弹性支承块式无碴轨道应力与变形、动态轨距扩大及动力响应3种计算模型,分析刚度对轨道应力与变形、动态轨距扩大及动力性能的影响。结果表明:增大钢轨支点刚度能减小钢轨弯曲应力和挠度,增大块下胶垫刚度能减小支承块位移;扣件刚度是影响动态轨距扩大的主要因素;增大扣件刚度能使支承块的加速度迅速增大。最后提出200 km/h弹性支承块式无碴轨道的合理刚度。     

快修砂浆对CRTSⅡ型板式轨道结构的动力影响分析

以CRTSⅡ型板式无砟轨道为研究对象,基于轮轨系统动力学原理,建立含有快修砂浆的车辆-轨道垂向耦合动力学模型。对比列车以不同速度通过普通砂浆区域与快修砂浆区域的不同工况,旨在研究快修砂浆对轮轨系统动力性能的影响,分析快修砂浆对车辆系统动力特性、轮轨垂向力、轨道动力特性和轨道部件垂向位移的影响。研究结果表明:应用快修砂浆会引起轨道刚度局部变化,列车高速通过时会引起较大的砂浆动应力,对砂浆产生不利影响。对于允许行车速度为350 km/h的线路,建议修复后限速为200 km/h,待砂浆完全达到设计强度和力学性能时再恢复运营速度。     

不同刚度的32m简支箱梁动力性能试验分析

研究目的:为研究不同刚度的高速铁路32 m简支箱梁在动车组列车作用下的工作状态,本文对6个图号的简支箱梁(优化前后的250 km/h有砟轨道、250 km/h无砟轨道、350 km/h无砟轨道)的实测梁体竖向挠跨比、自振频率及动车组作用下的动力响应数据进行分析。研究结论:(1) 32 m箱梁自振频率和挠跨比实测值大于设计值,截面优化后的竖向刚度与优化前相比均有所降低;(2)在同一型号动车组作用下,箱梁振动数值大小与梁体刚度大小呈反比;(3)设计速度250 km/h无砟轨道箱梁横向和竖向振动实测值最大,350 km/h无砟轨道箱梁刚度大于250 km/h有砟轨道箱梁但竖向动力响应数值相当,无砟轨道箱梁振动数值大于有砟轨道;(4)同一图号的32 m简支箱梁,当动车组轴重增大、桥上线路不平顺时,桥梁竖向动力响应与线路平顺状态时相比明显增大,会发生超过通常值的现象;(5)本文研究可为桥梁车桥耦合仿真计算、设计优化、运营性能评估提供参考。     

横风作用下高速列车安全运行速度限值的研究

横风作用下的列车安全运行速度限值应通过列车气动特性和车辆轨道动力学特性的分析得到。以我国CRH3型高速列车实车为原型,考虑真实受电弓、转向架等列车的细部特征,假定列车在平地上行驶,对列车速度分别为200、250、300、350和380km/h,横风速度分别为10、15、20、25和30m/s,风向角为90°的25个工况进行气动特性的数值模拟,并采用国内实测轨道谱和德国轨道谱分别对这25个工况的车辆轨道动力学性能进行仿真计算和对比分析。结合国家标准和技术规范,给出CRH3型列车在平地上运行时,横风风速与列车最大安全运行速度之间的对应关系,为横风作用下的列车运行安全控制提供参考。     

高速铁路有砟轨道轮轨附加动荷载取值研究

为提出符合我国高速铁路有砟轨道线路质量状态的轮轨垂向附加动荷载取值,运用ANSYSLS-DYNA软件建立车辆-轨道耦合动力学模型,结合统计学理论,分析轮轨力统计特征值随车速、扣件刚度、簧上簧下质量与轨道质量状态等参数的变化规律。利用线路质量指数TQI管理标准作为表征线路质量状态的依据,仿真计算不同轨道质量状态下轮轨力随车速变化规律,进而提出高速铁路有砟轨道轮轨附加动荷载建议计算公式。研究结果表明:不同工况下轮轨力平均值与车辆静轮重基本相同;轮轨力标准差随车速、扣件刚度、簧上质量、簧下质量增大而增大,随轨道质量劣化而增大;当列车速度等于330 km/h且轨道质量状态较差时仿真得到的动力系数为1.99,速度大于330 km/h后大于无缝线路设计规范取值。     

250km/h客运专线无砟道岔的合理轨道刚度

研究目的:我国正在进行大规模的客运专线建设,其中时速250 km的客运专线占有相当大的比重.无砟道岔作为客运专线的重大基础设备,其轨道刚度影响动车组过岔时的安全性和平稳性,需进行合理设置.根据线路运营条件,运用理论分析,开展客运专线无砟道岔轨道刚度取值研究,为确定我国250 km/h客运专线无砟道岔的合理轨道刚度提供理论指导.研究结论:从列车运行品质、道岔应力状态、振动水平、变形大小和部件刚度匹配5个方面提出岔区合理轨道刚度的评判准则,并基于车辆一道岔空间耦合动力学理论和轨道变形分析建立岔区合理轨道刚度的确定方法,对我国时速250 km客运专线无砟道岔轨道的合理刚度进行了研究,结果表明:36～44 kN/mm的扣件系统刚度,290～330 kN/mm的轨下胶垫刚度,40～50 kN/mm的板下胶垫刚度最为合理.     

极寒状态下扣件胶垫刚度温变特性及影响研究

以莫喀高铁为工程背景,以WJ-8型扣件胶垫为对象,测试胶垫静刚度随温度降低的变化,分析胶垫刚度的温变特性;建立车辆-轨道垂向耦合系统动力学模型,分析在-48℃和20℃两种温度下胶垫静刚度对高铁列车以400 km/h的速度运行所产生的动力响应的影响规律。结果表明:轨下胶垫的刚度随温度降低而增大,-48℃时的静刚度相比20℃时增幅51.1%;不同环境温度下,车辆运行平稳性受到影响较小而轮对垂向振动加速度受到影响较大;低温条件下垂向轮轨力和轮重减载率较常温时前者增幅8.19%而后者增幅达14.13%;因在-48℃低温条件下轮重减载率已接近于限值,为保证车辆运行安全性,建议采用耐低温类型的扣件胶垫。     

京沪高速铁路路涵过渡段动态响应特征及影响范围研究

针对高速铁路的桥涵与临近路基由于存在材料和沉降的差异形成的刚度和几何不平顺,对路涵过渡段的动态响应和影响范围进行研究。本文建立"车辆-轨道-过渡段"垂向耦合动力模型,研究过渡段路基的动态响应特征,并与京沪高速铁路廊坊段路涵过渡段现场实测值进行对比。结果表明,当运行速度小于300km/h时,过渡段基床动应力、加速度、垂向位移等随速度增加而增大;在300km/h时动应力、加速度出现最大值,动位移随行车速度呈线性增大;从动应力、加速度的影响范围看,运行速度在300km/h以下时路涵过渡段影响范围为20~25m,300km/h及以上时,过渡段长度达到30~35m。当设计速度超过300km/h时,应适当加长路涵过渡段长度。     

时速250km级18号道岔设计理论与试验研究

为确保客运专线建设成功,铁道部组织进行了客运专线道岔的自主研发。本文以系统集成设计方法,建立了250km/h客运专线道岔动力强度、无缝道岔设计理论、转换计算理论、轨道刚度设计理论等设计理论体系,优化了道岔平面线型,研发了新型扣件系统及心轨一动处工电结构,实现了岔区轨道刚度的合理设置与均匀化。对所研制的250km/h客运专线有砟轨道18号道岔在胶济线进行试铺和动测试验,CRH动车组、提速客车及货车直、侧向过岔时的动力测试结果表明,该道岔具有较高的安全性和列车运行平稳性,证明了客运专线道岔设计理论体系的科学性及道岔结构设计的合理性。     

哈尔滨至齐齐哈尔城际铁路速度目标值选择

研究目的:通过国内外城际铁路速度目标值分析,路网建设速度目标值的合理定位,项目的工程建设成本与经济效益以及动车组配属与列车实际运行速度等方面,确定合理的速度目标值.研究结论:从本线功能定位角度分析,建议采用200～250 km/h速度方案;从工程投资和经济效益角度分析,200～250 km/h速度目标值方案略优,300 km/h方案投资效益最差;因此,建议本线初期开通速度采用200 km/h,但考虑到200～250 km/h方案工程投资增加不多,且本线的线路平面标准比较高,所以决定本线速度目标值为开通200 km/h,基础设施按照200～250 km/h建设.     

减振型板式轨道动力特性试验研究

通过在国家城市轨道交通试验线铺设减振型板式轨道试验段,测试了不同速度条件下新型轨道结构的动力性能。实车试验结果表明:列车通过试验段时脱轨系数、减载率和轮轴横向力均在限值范围内,可满足最高速度120 km/h的运营需要;未发现相邻轨道板间垂向相对位移影响列车的平稳运行;与配套采用DTⅥ2型扣件普通无砟轨道相比,减振型板式轨道在1~200 Hz范围内可实现9.2~15.7 d B的减振效果。现场试验结果为其工程化应用提供了良好的技术支撑。     

车辆过岔时轮对横移运动的仿真分析

车辆过岔时横移量的大小对道岔的通过速度有着决定性的影响,同时也是动力学研究和设计重要参数.本文以国产300 km/h动力分散式动车组拖车、客运专线18号单开(右开)道岔为研究对象,建立ADAMS/Rail模型,以200 km/h,250 km/h,275 km/h三个速度级分直顺向与直逆向两种过岔方式共6种工况进行计算分析,得到了车辆过岔时轮对横移状态的一般规律,在以相同速度通过道岔时,顺向出岔时轮对横移量要比逆向进岔时大;在相同条件下,轮对横移运动在辙叉区要比转辙器区剧烈,这主要是由于心轨截面变化较快,即轨道不平顺波长较短所致.     

基础沉降对土路基上板式轨道动力性能影响分析

研究目的:无砟轨道的稳定性和耐久性由线下基础决定,而土路基上无砟轨道铺设成功的核心是不均匀沉降的控制,因此研究不均匀沉降对轮轨系统的动力影响对工程设计很有必要。研究方法:应用车辆-轨道耦合动力学理论,建立了土路基上车辆-板式轨道耦合动力学垂向模型,并编制相应的仿真计算程序。研究结果:选用不同沉降工况进行计算,得出轮轨系统的动力响应,以及不均匀沉降对轮轨系统的动力影响规律。研究结论:当车辆通过路基不均匀区段时,轮轨动力作用急剧增大,CA砂浆和路基面动应力明显增大,设计速度为250 km/h时,路基不均匀沉降建议控制在20 mm/20 m以内,困难路段不得超过30 mm/20 m,设计速度为300 km/h时,路基不均匀沉降建议应控制严格在20 mm/20 m以内。     

120 km/h地铁减振垫浮置板动力学特性分析及减振垫刚度取值研究

目前,国内部分地铁设计速度已达120 km/h,有必要针对该速度条件下的减振垫浮置板动力特性以及减振垫刚度取值等问题展开专门研究。基于有限元软件,建立车辆-轨道-隧道耦合动力学模型,可对120 km/h速度条件下地铁车辆、钢轨、减振垫浮置板,以及隧道结构等细部结构的动力学特性进行详细的研究。经计算和检算可知,在减振垫浮置板上运行120 km/h速度的地铁A型车,其各项动力学指标均满足动力学检算标准;同时计算结果表明,减振垫面刚度宜取0.01~0.02 N/mm3.