高速铁路轮轨垂向力与轨道高低不平顺关联特性

采用ABAQUS商业软件建立三维轮轨接触有限元模型,以中国高速铁路线路和典型服役车辆参数作为模型仿真参数,分别将中国高速铁路无砟轨道高低不平顺谱和余弦型轨道高低不平顺作为模型输入,仿真分析轨道高低不平顺幅值、波长与轮轨垂向力响应之间在时频域上振幅、相位的关联特性,并拟合不同车速下附加轮轨垂向力与轨道高低不平顺特征参数之间的函数表达式。结果表明:附加轮轨垂向力的波动范围随轨道高低不平顺波长的增加而非线性减小;轨道不平顺及轮轨垂向力之间的延迟相位随激振频率的增加而增加,整体处于0.02π～0.10π之间;轨道高低不平顺波长大于30 m时,附加轮轨垂向力与轨道变化率呈近似线性关系,二者之间的比例系数在车速300和350 km·h~(-1)时分别为13.14和19.19。     

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。     

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.     

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。     

45 t轴重重载铁路扣件系统刚度分析

为分析45 t轴重重载铁路有砟轨道扣件系统刚度合理取值范围,首先,使用钢轨容许应力法及轨道容许变形法分析扣件系统静刚度合理取值范围;然后,建立45 t轴重重载货车-有砟轨道空间耦合动力学模型,以美国五级谱及钢轨焊缝不平顺作为该耦合系统激励,通过分析车轨耦合动力学模型在不同激励、不同动刚度下的动力响应变化,分析扣件系统动刚度合理取值范围。结合钢轨容许应力法及轨道容许变形法,建议扣件系统静刚度范围为200～240 kN/mm;通过综合比较最大轮轨垂向力、最大枕上压力、最大钢轨垂向位移及最大轮重减载率4个评价指标在不同轮轨系统激励及不同扣件系统动刚度下的变化范围,建议扣件系统动刚度范围取240～300 kN/mm。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

时速350km客运专线无砟道岔的合理轨道刚度研究

分析高速无砟道岔轨道刚度的组成特点,从舒适性、应力、变形、振动和部件刚度匹配5个方面提出了高速道岔刚度合理取值的评判,运用车辆-道岔空间耦合动力学理论建立了高速道岔轨道合理取值的确定方法。运用该方法分析了时速350 km客运专线无砟道岔轨道刚度的合理取值,结果表明:22.5～27.5 kN/mm的扣件系统刚度,270～330 kN/mm的轨下胶垫刚度,24～30 kN/mm的板下胶垫刚度最为合理。     

高铁长大桥上不同无砟轨道无缝线路受力研究

研究目的:为对比桥上铺设不同无砟轨道时对应无缝线路受力规律,本文基于有限元方法及梁轨相互作用原理,分别建立大跨度桥上纵连板式、单元板式及双块式无砟轨道有限元模型,分析实测温度工况及制挠力耦合作用下,不同无砟轨道对应的无缝线路受力规律及桥梁理论最大温度跨度,并比较制动墩墩顶刚度、扣件阻力等参数对无缝线路受力及最大温度跨度的影响。研究结论:(1)相同桥梁温度跨度下,双块式无砟轨道钢轨附加应力最大,纵连板式无砟轨道钢轨附加应力最小,且纵连板式无砟轨道钢轨附加应力远小于铺设单元板式或双块式无砟轨道时对应钢轨附加应力;(2)采用常阻力扣件时,当制动墩墩顶刚度由1 500 k N/cm增大到8 000 k N/cm时,单元板式无砟轨道最大温度跨度由93.3 m增大到105 m,双块式无砟轨道最大温度跨度由60 m增大到75.8 m,而纵连板式无砟轨道钢轨附加应力受墩顶刚度的影响很小;(3)纵连板式无砟轨道对应桥梁最大温度跨度需同时考虑钢轨附加应力及墩顶纵向位移限值;(4)扣件阻力大小对单元板式及双块式无砟轨道钢轨附加应力影响较大,采用小阻力扣件后,两者对应最大温度跨度分别增大约1.5、2.0倍,小阻力扣件可以有效的减小单元板式及双块式无砟轨道钢轨附加应力;(5)本研究成果可为不同无砟轨道应用及对应桥梁跨度设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

高速铁路路基动力响应特性

结合高速铁路路基基床动力响应现场实测与有限元计算,分析了无砟轨道路基动应力、动变形和振动加速度的幅值特征及变化规律,揭示了列车荷载作用下基床内应力、应变的分布规律。研究结果表明:轨道路基基床动应力范围为11~16 k Pa,随车速变化不明显,随轴重增大而增加,每1 t轴重产生动应力约为1.02 k Pa;无砟轨道路基基床表面动应力分布范围较大且相对均匀,动应力随深度衰减较缓慢;无砟轨道路基动变形较小,随着路基刚度的增大动变形减小且分布较均匀,路基对线路整体刚度影响不大;无砟轨道路基振动加速度一般不大于10 m/s2,振动主频100~500 Hz。     

双块式无砟轨道动刚度特性及影响因素分析

轨道刚度足轨道结构动力特性的一个重要参量.由于轮轨间的动力作用,轨道刚度由动刚度来衡量更为合理.应用轨道结构的动力学频域分析方法,研究了双块式无砟轨道的动刚度特性及轨道参数对它的影响.双块式无砟轨道动刚度随频率变化幅度较大,在激振频率为81 Hz时达到最小值51 kN/mm,约为静刚度的0.8倍.扣件刚度、扣件阻尼对双...     

轨下垫板刚度的时变特性及其影响研究

以WJ7-A型轨下垫板为对象,测试轨下胶垫刚度随服役时间的变化,分析垫板刚度的时变特性;然后以此为基础,建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型,研究轨下胶垫时变特性对轮轨随机振动响应的影响规律。研究结果表明:随着服役时间的增长,轨下橡胶垫板的刚度将增大,2年后垫板刚度的增幅为13.91%;随着运营时间的增长,车体振动加速度变化微弱;轮轨力及扣件力的第二主频幅值增大并向高频移动,且扣件力变化更显著,线路运营2年时间后,扣件力第二主频向高频移动7.4 Hz,幅值增幅达到53.80%。建议定期抽样测试轨下胶垫刚度并及时更换性能老化垫板,降低轮轨垂向力和扣件力。     

减轻列车轮轨横向动力作用的技术措施

基于铁道车辆-轨道耦合动力学理论及仿真分析系统，分析了机车车辆悬挂参数、结构参数及轨道结构参数对轮轨横向相互作用的影响，在此基础上提出了降低轮轨横向动力作用的技术措施：（1）一系水平定位刚度（纵向和横向刚度）对轮轨横向动力作用影响较大，刚度值选取的基本设计原则是，在充分满足运动稳定性的前提下，尽可能降低刚度值；（2）二系水平（包括纵向和横向）刚度对轮轨横向动力作用影响不明显，设计时，应更多地考虑机车车辆的平稳性；（3）簧下质量对轮轨横向动力作用影响较大，较小簧下质量，将使轮轨横向动力作用得到显著的降低；（4）较低的扣件横向刚度、扣件垂向刚度及道床横向刚度等参数值将有利于降低轮轨横向动力作用。