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。     

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。     

WJ-7型高速铁路扣件胶垫刚度温变性的测试与分析

研究WJ-7型扣件胶垫刚度值在环境温度20~-60℃的变化规律,探讨其温变刚度对轮重减载率与扣件支反力的影响。利用配备温度箱的万能试验机,进行WJ-7型扣件胶垫温变刚度试验,论述和分析试验过程及结果。分析WJ-7型扣件胶垫刚度的温变性对列车动力特性及钢轨动力响应的影响,得出WJ-7型扣件胶垫刚度的温变性对CRH_2型动车组的轮重减载率影响显著;在-20℃低温时,WJ-7型扣件胶垫的温变性对高速铁路扣件支反力有明显影响等结论。     

Vossloh300扣件胶垫刚度温变性的测试与分析

以Vossloh300扣件胶垫为研究对象,通过使用配备温度箱的万能试验机,测试其在-60~20℃温度范围内静刚度值;在上述实验的基础上,利用多刚体动力学软件建立车轨耦合模型,探究该型扣件胶垫温变刚度对高铁列车动力特性的影响。实验结果显示:Vossloh300扣件胶垫刚度在-40~20℃温度域内具有较好的温度稳定性,-40℃胶垫静刚度为26.91 kN/mm,较20℃的22.40 kN/mm仅有20.4%的增长;当温度低于-40℃时,该扣件胶垫刚度随温度降低急剧增长。仿真分析表明:扣件胶垫刚度的温变性对高速列车脱轨系数影响不大,但对轮重减载率的影响十分明显:环境温度为-48℃时轮重减载率的最大值0.585较20℃时轮重减载率最大值0.469有24.73%的增长,可见环境温度继续降低时轮重减载率将成为影响行车安全的主要因素之一。     

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。     

CRTSⅡ型板式无砟轨道路涵过渡段的优化设计研究

研究目的:以京沪高铁廊坊段CRTSⅡ型板式无砟轨道路涵过渡段为背景,采用Abaqus数值分析软件建立车辆-轨道-过渡段动力系统耦合模型,研究不同因素对列车通过路涵过渡段时运行安全性及平稳性的影响。根据极差和方差分析方法,确定影响列车运行安全性及平稳性的因素重要性次序,提出高速铁路路涵过渡段最佳设计方案。研究结论:(1)以横向力或线路横向稳定性系数为试验指标优化时,过渡段方式为第一影响因素;以车轮脱轨系数、轮重减载率或Sperling舒适度指标为试验指标优化时,行车速度为第一影响因素;以垂向加速度为试验指标优化时,填土厚度为第一影响因素;(2)建议在路涵过渡段设计时采用倒梯形过渡、过渡段长度25 m、涵洞跨径2 m、填土厚度4 m、行车速度330 km/h的方案,能使列车运行安全性及平稳性达到最优状态;(3)该研究成果可为其他高速铁路路涵过渡段的设计提供借鉴。     

高速铁路WJ-8型扣件系统组装疲劳试验研究

针对WJ-8型扣件系统组装疲劳试验中扣件组装静刚度变化率超标现象,选取不同工况进行研究。结果表明:WJ-8型扣件零部件横向配合尺寸存在问题时会造成扣件在静态组装时轨距挡板无法安装到位,组装疲劳试验时铁垫板被轨距挡板卡住,试验后组装静刚度过大,出现超标现象;在环境温度20℃的试验室进行频率4.8 Hz的扣件组装疲劳试验时,扣件零部件温度会超过50℃,但短时间超过50℃不会对试验结果造成较大影响。     

温度对弹性垫层刚度影响的试验研究

由于我国地域广阔,南北方温差较大,研究无砟轨道用弹性垫层刚度随温度变化的规律,可为提高我国高速铁路无砟轨道列车的乘坐舒适性提供一定的科学依据。本文以我国高速铁路无砟轨道采用较多的WJ-7型扣件、WJ-8型扣件弹性垫层刚度作为研究对象,通过室内试验较为系统地研究了环境温度在-40℃～+50℃变化时,弹性垫层静刚度和动刚度的变化规律。试验结果表明,两种类型扣件的弹性垫层刚度均随环境温度的升高而减小,环境温度在-20℃～+50℃之间变化对弹性垫层刚度的影响较小,而环境温度在-40℃～-20℃范围内变化对弹性垫层刚度的影响较为显著。     

遇水条件下无砟轨道扣件胶垫刚度的时变特性及其影响研究

连续强降雨条件下,轨下胶垫会出现长期泡在水中的情况。为研究该条件下无砟轨道轨下胶垫刚度的时变特性及其对轮轨系统的影响,以WJ-7A,WJ-7B型橡胶垫板为对象,通过设计室内原型试验,跟踪测试分析胶垫泡水后其刚度随服役时间的变化情况,并基于试验结果和轮轨动力学理论,分析胶垫刚度变化对轮轨动力响应的影响。研究结论:(1)WJ-7A型胶垫的遇水稳定性较差,泡水25 d后胶垫静刚度降低了22.21%,其中前5 d静刚度降低了18.83%;WJ-7B型胶垫的遇水稳定性较好,泡水25 d前后刚度变化率不超过3.91%;(2)泡水结束后,WJ-7A型胶垫的刚度恢复了88.9%,而WJ-7B型则继续表现出很好的稳定性,刚度值变化不大;(3)试验前后扣件刚度的变化引起的车体加速度、钢轨加速度、轮轨力及扣件力等响应的变化不大,但对钢轨位移影响较大,泡水后钢轨位移增幅达到13.71%。     

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。     

Influence of fastener stiffness mutation in ballastless track on dynamic characteristics of high-speed trainsEI北大核心

Research purposes: The elasticity for the ballastless track structure is mainly provided by the fastening system. During the construction and maintenance of ballastless track on high-speed railway, the incorrect installation and the unreasonable transition between the old and new rail-pads may occur to the fasteners, which will cause a stiffness mutation for the fasteners. Even though this problem can hardly be found under the static condition, it can have a great effect on the stability and safety for the high-speed vehicle operation. Here different conditions for the fastener stiffness mutation are considered, according to the actually measured data. And the influence of fastener stiffness mutation on the dynamic performance of high-speed vehicle and track is calculated and analyzed by using the vertically coupled vehicle-ballastless track-subgrade vibration spatial model and the finite element software ANSYS/LS-DYNA. Research conclusions: The calculation and analysis results show that: (1) When there is a local mutation for the stiffness of fasteners, the maximum and minimum of vehicle acceleration basically keep the same. That is to say, the fastener stiffness mutation has few influence on the stability of vehicle operation. (2) The fastener stiffness mutation has much obvious effect on the wheel load reduction rate, which is related to the safety of vehicle operation. Further, when the train speed is larger than 300 km/h, the fastener stiffness mutation will directly cause the wheel load reduction rate to exceed the standard. (3) This research results can be used to provide a theoretical basis for monitoring the fastener stiffness in construction or repairing and establishing the strict control standards in high-speed railway.     

沪宁城际WJ-7B型扣件螺栓轴力衰减规律与复紧周期探讨

高速铁路扣件系统是轨道弹性、轨距、水平调整能力的主要提供者,扣件的可靠性关系到列车运行的安全性和旅客乘车的舒适度等,对于WJ-7B型弹性分开式扣件,其功能的正常发挥很大程度上取决于锚固螺栓的预紧力是否足够。以沪宁城际WJ-7B型扣件系统为例,推导扣件系统螺栓轴力计算方法;结合现场转角测试结果计算锚固螺栓轴力的衰减规律。研究结论为:螺栓轴力稳定在40~60 kN,满足横向力校核结果,在此基础上确定了复紧周期为3~4年。     

郑徐客运专线(76+160+76)m连续梁无缝线路设计

针对郑徐客运专线开兰特大桥(76+160+76)m连续梁的无缝线路设计,采用有限元法,对扣件类型和是否设置伸缩调节器进行方案比选。检算结果表明,本桥采用WJ-8B型常阻力扣件钢轨应力不满足强度要求,采用小阻力扣件非常接近钢轨的容许应力值。研究结论:该桥需要在梁端设置钢轨伸缩调节器。     

多跨简支梁桥上Ⅲ型板式无砟轨道制动力传递规律研究

为探究列车制动荷载作用下轨道、桥梁结构纵向受力特性及其影响因素,基于有限元法和梁-板-轨相互作用原理,建立多跨简支梁桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型,对列车制动荷载作用下结构纵向受力特性、传递规律及其影响因素进行分析。结果表明:以全桥列车制动加载作为计算轨道及桥梁结构制动受力与变形时的最不利工况是偏安全的,并应以有载侧计算数据进行检算;桥上扣件需依据轨道板快速相对位移试算结果进行比选, WJ-8型小阻力扣件可适用于多跨简支梁桥且有较大安全冗余;桥上采用小阻力扣件或墩顶纵向刚度较小时均会使得列车制动荷载作用下的轨道板快速相对位移较大,不利于扣件的长期服役;轨道和桥梁结构制动检算过程中建议将桥跨数简化为10～15跨;需保证土工布隔离层的滑动性能,且应将其摩擦系数应控制在合理范围内。     

不同弹性扣件下钢轨振动仿真分析

建立一般弹性扣件、粘结板式弹性扣件和轨道减振器扣件下的轨道模型,用有限元法模拟分析列车移动荷载作用下,不同扣件刚度、不同行车速度时钢轨的振动和荷载的传递情况。计算结果表明,随着行车速度提高,钢轨振动加剧,扣件支反力增大;随着扣件刚度减小,钢轨振动增加,扣件支反力减小,冲击荷载传递减小。     

扣件失效对城市轨道交通列车-浮置板式轨道系统竖向振动响应的影响

利用基于横向有限条与无砟轨道板段单元的车轨系统竖向振动分析方法,研究1对和多对扣件失效时城市轨道交通列车-浮置板式轨道系统的竖向振动响应。研究结果表明,当列车通过扣件失效的轨道时,轮轨相互作用增大,其中钢轨竖向位移及加速度增长最明显,且随着失效扣件数目增加,动力响应增长越明显;即使毗邻轨道的扣件工作状态良好,也受到失效扣件的影响,钢轨竖向位移及加速度增长显著;扣件失效会加速轨道结构破坏,甚至危及行车安全。     

WJ-7型扣件横向阻力试验研究

为确定轨条碎弯时WJ-7型扣件的横向刚度取值,在实验室条件下,对一段安装了一组扣件的短钢轨加载横向力,测量扣件铁垫板和钢轨截面轨头、轨腰、轨底的横向位移,考虑到试验误差,只取均匀性较好5组数据分析横向力与位移之间的关系。试验结果表明:铁垫板位移随横向力的加载呈线性增加;以铁垫板产生单位位移所需施加的横向力表征横向刚度,常阻力扣件横向刚度在143.7～162.1 kN/mm,小阻力扣件横向刚度在130.2～138.9 kN/mm;钢轨截面各位置横向位移曲线由二次抛物线和直线两部分组成。