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。     

WJ-8型扣件弹性垫板低温动力性能及其影响研究

研究目的:为研究我国高速铁路WJ-8型扣件弹性垫板在莫喀高铁极低温环境中的适用性,本文利用配备温度箱的万能试验机测试WJ-8型扣件弹性垫板的低温动刚度和阻尼系数,并基于车辆-轨道耦合动力学模型,计算和分析莫喀高铁极寒气候和超高速行车条件下的安全性及平稳性,评价WJ-8型扣件在莫喀高铁中的适用性。研究结论:(1)WJ-8型扣件弹性垫板具有极强的低温敏感性,温度在-20℃之上时,弹性垫板动刚度和阻尼系数较为稳定,当温度低于-20℃时,弹性垫板的刚度迅速增大,而阻尼系数先增大后减小,在-45℃达到最大值;(2)考虑扣件系统动力特性随温度变化规律后,轮轨力和轮重减载率随温度的降低而增大,钢轨垂向动态位移随温度的降低而减小,车体平稳性Sperling指标受温度变化影响很小;(3)在莫喀高铁超高速客货混行和极低温气候条件下,只有高速客车轮重减载率无法满足规定的安全限值,成为影响WJ-8型扣件系统在莫喀高铁中适应性的关键因素;(4)本研究结论可为严寒地区高速铁路无砟轨道扣件系统弹性垫板的研发提供参考。     

钢轨重型化对轮轨系统动力响应及动力传递的影响

运用能量法建立车辆—轨道耦合动力学模型,结合大秦线轨道结构力学参数,分别计算分析了45,50,60和75 kg/m共4种钢轨支承下轮轨系统各结构的动力响应,研究钢轨重型化对轮轨系统动力特性的影响。研究发现:钢轨重型化对车辆系统的动力响应影响较小,而对轨道结构和路基的影响显著;随着钢轨质量及抗弯刚度的增大,车体位移、车轮加速度、轮轨力、钢轨位移、扣件力、轨枕振动位移及枕下支承力降低,车体加速度、钢轨加速度先增大后减小,轨枕加速度增加。     

CRTSⅡ型板式轨道关键参数对高速车辆-轨道垂向耦合振动响应的影响

基于CRTSⅡ型板式无砟轨道关键参数对行车安全的影响,指导轨道结构的优化,利用有限元方法和轮轨系统耦合动力学原理,建立车辆-轨道-路基系统垂向耦合动力学模型,研究轨道结构关键参数对列车的振动特性和轮轨垂向作用力的影响规律。研究结果表明：轨道板厚度对行车平稳性基本无影响;当扣件刚度从20 kN/mm增加到100 kN/mm时,轮对和转向架的振动加速度分别增加43.94%和7.98%,轮轨垂向力增加29.83%;扣件阻尼从20 kN·s/m增大到100 kN·s/m时,轮对和转向架的振动加速度分别减小21.64%和7.09%,轮轨垂向力减小9.48%,车体变化不大;为保证行车的安全性和平稳性,扣件阻尼和混凝土支承层厚度应尽可能取较大值。     

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。     

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。     

CRTSⅡ型板式轨道参数对车辆频率响应的影响

研究目的:为研究CRTSⅡ型板式无砟轨道结构参数对高速车辆运行品质的影响,本文建立高速车辆-CRTSⅡ型板式轨道垂向耦合系统动力分析模型,将频率分析法与辛数学方法相结合进行求解,分析轨道板厚度、混凝土支承层厚度、扣件系统刚度和阻尼、CA砂浆弹性模量和阻尼对高速车辆频率响应的影响。研究结论:(1)轨道结构参数对车体、转向架振动的影响较小,对轮轨垂向力和轮对垂向加速度的影响较大;(2)轨道板厚度不宜过大或过小,若过大则在50～70 Hz范围内的轮对垂向加速度、轮轨垂向力的频率响应增大,若过小则在30～50 Hz范围内的频率响应增大;(3)在满足轨道结构强度的前提下,适当减小混凝土支承层的厚度,可降低轮对垂向加速度和轮轨垂向力;(4)在满足轨道几何形位和轨道动位移的前提下,采用小刚度、大阻尼的扣件系统,可降低轮对垂向加速度和轮轨垂向力;(5)本研究成果可为CRTSⅡ型板式轨道的设计提供理论依据。     

扣件胶垫温变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动响应的影响研究

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著.从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小.从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大.钢轨在8～100 Hz范围内振动减弱,在125～315 Hz振动加剧,轨道板在80～400 Hz振动加剧,桥梁在80～250 Hz振动加剧.     

扣件胶垫温变特性对车辆-轨道-桥梁耦合振动响应的影响研究

为研究扣件胶垫温变特性对车辆、轨道和桥梁的振动影响规律,以高速铁路WJ-7型扣件胶垫为研究对象,通过其动态力学性能试验得到不同温度下扣件的动参数,然后代入建立的车辆-轨道-桥梁耦合振动时域模型中进行分析.研究结果表明:扣件的动刚度和阻尼随温度降低而增大,低温时更为显著.从时域响应来看,当温度降低时,车体加速度和桥梁位移基本无影响,轮轨力、扣件力、轨道板加速度和桥梁加速度增大,钢轨的位移和加速度则减小.从频域响应来看,当温度降低时,轮轨力和扣件力在低频基本无变化,轮轨力主频向高频偏移且峰值增大,扣件力中高频峰值明显增大.钢轨在8～100 Hz范围内振动减弱,在125～315 Hz振动加剧,轨道板在80～400 Hz振动加剧,桥梁在80～250 Hz振动加剧.     

轨道高低不平顺敏感波长的分布特征及其影响因素的研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论,采用频率分析方法计算轨道高低不平顺与车辆-轨道垂向耦合系统之间的传递函数。根据车辆-轨道耦合系统的振动传递特性得出轨道高低不平顺的敏感波长,并分析其分布特征,进一步探讨行车速度、车辆悬挂参数、轨道参数对敏感波长的影响。结果表明:基于车辆-轨道耦合系统的振动传递特性,可得出轨道不平顺的敏感波长;车体、转向架振动加速度的敏感波长不随车速的增大而递增,而由车速的增大速率与敏感频率移动速率的比值决定的;轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随车速的增大近似呈线性增大;适当增大车辆系统的悬挂刚度和阻尼有利于减小高低不平顺的最大敏感波长范围;轨道刚度和阻尼对车体、转向架振动加速度的敏感波长几乎无影响,但轮对加速度、轮轨力和轨道结构振动加速度的敏感波长随轨道刚度和阻尼的增大而减小。     

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。     

轨道刚度对车辆-轨道系统频率响应的影响

研究目的:目前,轨道刚度变化对车辆-轨道耦合系统频率响应的影响规律尚不明确,本文基于车辆-轨道耦合动力学理论,以既有提速线路为例,从频率角度,研究轨道刚度变化对车辆-轨道耦合系统振动响应的影响。研究结论:(1)轨道刚度的变化,对车体、转向架的振动影响较小,对轮对及轨道结构的振动影响较大;轨道刚度的增大,对27 Hz以下的低频振动基本无影响,27~70 Hz之间的中低频振动略有降低,100 Hz以上的中高频振动显著增大;(2)随扣件刚度的增大,轮轨力谱以及轮对、钢轨振动加速度谱的最大值均显著增大,且振动频率有向高频发展的趋势;(3)随道床刚度的增大,频率响应谱的最大值变化相对较小,轮轨力、轮对、钢轨和轨枕的振动频率向高频移动;(4)总体上看,扣件刚度对耦合系统振动响应的影响较大,在线路维修时应及时更换恶化的扣件系统,道床刚度变化的影响相对较小,其维修周期可适当延长;(5)该研究可指导轨道结构的优化设计以及轨道的养护维修。     

地铁车辆轮轨耦合振动特性研究

轮轨耦合振动模态是系统固有属性,掌握轮轨间的耦合振动特征对减少车轮不圆磨耗和钢轨波磨有必然性和现实性。文章建立了详细的地铁车辆轨道耦合动力学模型,利用扫频分析方法,研究了车辆和轨道参数对轮轨耦合振动特性的影响。结果表明,车辆和轨道间的轮轨耦合振动主要表现为轮轨间P2耦合振动和由转向架轮对间钢轨局部变形引起的高频轮轨耦合振动,如轮对间钢轨的1阶、2阶和3阶弯曲振动等。轮轨P2耦合共振频率主要在30～100 Hz,钢轨受扣件刚度和簧下质量影响最为显著,随着扣件刚度的增加,轮轨P2耦合共振幅值和频率均增加。钢轨“Pinned-Pinned”振动和转向架轮对间钢轨的3阶弯曲模态是影响轮轨高频耦合振动的主要因素。当振动频率小于1 000 Hz时,轮对间钢轨的3阶弯曲是轮轨高频振动的主要驱动力,其主要受轴距、扣件阻尼和轨枕间距影响较为显著。     

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。     

弹性支承块式无砟轨道的减振机理

为了揭示弹性支承块式无砟轨道的减振机理,为轨道减振设计提供理论依据,运用模态分析法,分析扣件刚度、块下胶垫刚度及部件刚度匹配对轨道减振效果的影响,结果表明:扣件刚度对钢轨570 Hz以下的振动具有较好的减缓作用,对钢轨的高频振动基本没有减缓作用;降低块下胶垫刚度能提高块下胶垫的减振效果;扣件与块下胶垫刚度同取为20~40 kN/mm时,钢轨与支承块将产生共振作用,较高的扣件刚度与较低的块下胶垫刚度相匹配,能提高轨道的减振效果。     

弹性长枕无砟轨道动刚度垂向耦合动力及能量分析

本文探索弹性长枕无砟轨道动刚度的变化规律、轨道动力刚度改变对车辆-轨道耦合系统中各构件动力响应及其与车辆、轨道子系统中能量(动能、势能)变化的关系。利用车辆-轨道耦合及哈密顿原理,列出耦合系统总动能、势能和阻尼做功方程并作一阶变分,按对号入座法得出耦合系统总质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵,再用Wilson-θ法求解微分方程。通过计算结果分析得出:轨道垂向动刚度与车速的变化规律;扣件刚度、枕下支撑刚度、道床板下(路基)支撑刚度各自对轨道动刚度的影响程度及其与耦合系统中各构件垂向位移、加速度之间的关系;车辆、轨道子系统势能(动能)与轨道动刚度之间的关系,势能(动能)也可作为评价轨道振动的依据。     

基于连续弹性基础梁模型的扣件动刚度测试方法

为确定服役状态下的轨道扣件动刚度,将钢轨视为置于连续弹性基础上的简支梁,推导扣件动刚度计算式,提出基于连续弹性基础梁模型的扣件动刚度测试方法,对某服役状态下的高铁线路轨道扣件动刚度进行测试。结果表明:扣件动刚度由钢轨1阶弯曲振动的频率和参振长度、钢轨的单位长度质量和抗弯刚度以及扣件的支承间距决定,当轨道结构确定时扣件动刚度可通过测试钢轨1阶弯曲振动频率求得,其计算式在振动频率小于450 Hz时计算结果的误差小于10%;某高铁线路CRTSⅡ型板式无砟轨道服役状态下的扣件动刚度为36.5kN·mm^-1,约为垫板静刚度的1.62倍。     

聚氨酯减振浮置板轨道结构减振参数研究

为了更好地进行聚氨酯减振浮置板轨道结构的选型设计,建立车辆-轨道系统动力分析模型,研究轨道板厚度、扣件刚度、减振垫刚度对聚氨酯减振浮置板轨道结构动力响应的影响。结果表明：轨道板厚度增大会导致钢轨加速度相应增大,而钢轨位移、轨道板加速度、基底加速度显著减小;扣件刚度减小会导致钢轨垂向位移增大,而钢轨、轨道板、基底加速度不同程度减小;减振垫刚度增大会导致钢轨垂向位移、垂向加速度减小,而轨道板、基底垂向加速度平稳增大。结合工程实际,建议轨道板厚度取260～300 mm,扣件刚度取20～40 kN/mm,减振垫刚度取0.02～0.03 MPa/mm。     

往复荷载作用下WJ-8扣件纵向阻力试验研究

研究目的:在温度作用下,简支梁桥梁体会发生热胀冷缩,长期作用下将导致桥上无砟轨道梁端扣件系统发生破坏,严重时将不能满足线路的功能要求。本文通过往复加载试验模拟温度效应下32 m简支梁桥梁端扣件破坏过程,以此研究轨下垫板滑出过程机理及其对扣件纵向阻力的影响。研究结论:(1)随着对轨道加载试验次数的增加,2 mm位移对应的扣件纵向阻力先增加随后波动式降低,扣件滑移阻力先增加后逐渐减小,而垫板窜出位移量持续增大,可以预测当加载工作继续进行时,2 mm位移对应扣件纵向阻力及滑移阻力将继续减小;(2)随着垫板窜出位移量的增加,2 mm位移处扣件纵向阻力先增加后缓慢减小,扣件滑移阻力先有所增加而后逐渐减小;(3)扣件垫板窜出过程中,垫板纵向拉长,厚度减小,弹性降低,轨下橡胶垫板的弹性位移逐渐减小,且钢轨更易产生滑移;(4)在往复加载过程中,影响扣件纵向阻力的因素有两个:垫板表面的粗糙度及垫板窜出位移量,前期阶段垫板表面的粗糙度为主要影响因素,而后期阶段垫板窜出位移量影响更大;(5)本研究成果对于指导无砟轨道线路扣件的养护维修具有一定的参考意义。     

直线电机地铁轨道结构振动特性研究

以直线电机地铁系统的特点和动力学特征为依据,通过建立直线电机地铁系统横、垂向车辆-轨道耦合动力学仿真模型,计算了不同的轨道结构形式(长枕埋入式与板式)和不同板下支承刚度和阻尼情形下,直线电机车辆与轨道结构的动力响应,并进行了对比分析.结果表明,长枕埋入式轨道结构的车体垂向加速度略大于板式轨道,而板式轨道的钢轨横向加速度以及钢轨垂向位移则要略大于长枕埋入式,板下阻尼值的增大有利于轨道板减振,板下刚度对轮轨力、钢轨位移和电机气隙影响较小,当板下刚度增加时,轨道板的位移值变小但轨道板的加速度值变大.