基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明：在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。     

道砟非均匀分布对道床力学特性的影响

铁路道床机械清筛作业中,分次回填道砟颗粒会导致道砟分层,出现非均匀分布现象。为了解道砟非均匀分布对道床力学特性的影响,基于离散单元法基本原理,生成有砟道床仿真模型,模拟道砟均匀分布、“上大下小”分层分布、“上小下大”分层分布等3种道床工况,分析3种道床工况在捣固作业和稳定作业中的力学特性变化。结果表明：道砟非均匀分布对道床力学特性产生影响,其中道床密实度特性受道砟分布状态影响较小,而道床垂向刚度和横向阻力特性则受道砟分布状态影响较大。在捣固作业中,道砟“上小下大”分层分布最有利于道床垂向刚度提升。在稳定作业中,道砟“上大下小”分层分布最有利于道床横向阻力提升。道砟颗粒流动则是使得道床垂向刚度和横向阻力提升的重要因素。     

不同捣固阶段有砟道床阻力特性试验研究

为确定不同捣固次数下道床横纵向阻力变化规律以及横纵向阻力之间的相关性,以湖南长株潭城际铁路有砟轨道道床为研究对象,沿线进行现场原位试验;根据试验结果,采用数据分析方法,研究不同捣固阶段道床横、纵向阻力特征。建立不同捣固阶段道床横、纵向阻力随轨枕位移变化的幂函数模型;研究结果表明:道床阻力并非随捣固次数增加而逐渐增大,捣固6遍时,道床处于限制轨枕在水平方向位移的最佳状态,道床横、纵向阻力最大;在不同捣固阶段,道床横、纵向阻力随着轨枕位移增大而增大,当轨枕位移达到4 mm左右时,道床阻力趋于稳定;不同捣固阶段道床横、纵向阻力之间均呈现强线性相关性,建议采用道床横向阻力检验指标代替道床横、纵向阻力检验指标。研究成果可为无缝线路设计、施工和养护维修提供参考。     

铰接式岔枕受力与振动响应分析

考虑枕下道床支承的非线性特性和联结铰的特殊结构,建立整组道岔有限元计算模型,分析比较了列车过岔时铰接式与普通长岔枕的受力及动态响应.结果表明:与普通轨道结构相比,铰接式岔枕轨道结构整体刚度较低且变化均匀,改善了道岔区综合受力环境;岔枕疲劳强度较高;改变了普通岔枕的振动曲线,极大程度地降低了高速列车过岔时未行车股道岔枕末端对于道床的冲击,延长了道床养护维修周期.     

铰接式岔枕道岔结构落轴冲击数值分析

考虑岔枕下道床的非线性支承和联结铰结构,建立了三维弹性铰链单元数值模拟方法和整组道岔落轴冲击有限元模型,比较分析了时域与频域内铰接式与普通长岔枕道岔结构的振动响应.结果表明:与普通岔枕相比,铰接式岔枕轨道结构的整体刚度较低,缓和了轮轨冲击,改善了道岔区的综合受力环境;改变了普通岔枕的动态特性,极大程度上降低了高速列车过岔时未行车股道岔枕末端对道床的拍击,减少了道砟粉化,延长了道床养护维修周期;道岔区采用高弹性扣件,可与铰接岔枕组合成优良的弹性基础,优化高速道岔动力性能.     

基于DEM-MBD联合仿真的车致有砟道床破碎分析

为分析车致有砟道床破碎，建立有砟轨道DEM-MBD联合仿真模型，分析列车荷载对道床稳定性的影响及道床内不同位置、不同形状道砟的破碎规律。结果表明：列车荷载作用后，道床横向阻力下降14.82%；枕下深度0.21m内，承轨槽正下方道砟较枕心正下方更易破碎；枕下深度0.12~0.24m内的道砟破碎率最高，为12.5%；砟肩道砟基本未破碎；片状道砟较常规状、针状道砟更易破碎；在运营的有砟轨道线路上，应减少片状道砟含量且重点关注枕下深度0.24m内的道砟破碎情况。     

弹性轨枕对有砟道床宏细观力学特性的影响

为了系统研究列车荷载作用下弹性轨枕对有砟道床力学特性的影响,首先,采用离散单元法建立了考虑道砟颗粒棱角特征的精细化道床模型;其次,结合现场动态测试结果,验证所建模型的正确性;最后,分析了弹性轨枕对道砟颗粒接触力、道砟颗粒摩擦耗能、道砟颗粒运动以及道床变形等行为的影响。研究结果表明：弹性轨枕可以通过弹性垫层的变形从而起到缓冲作用,使列车动荷载分配更均匀,将荷载的分担比降低了5.67%,减小车轮正下方道砟颗粒的受力,减缓道砟颗粒因受力过大而破碎粉化的趋势;弹性轨枕可以降低道床的整体振动,从而降低列车荷载作用下道砟颗粒之间的滑动程度,减缓道砟颗粒摩擦耗能的增长速率,减少道砟颗粒磨耗粉化;弹性轨枕增大了列车动荷载作用下轨道的弹性变形,却降低了道砟颗粒的转动角速度以及道砟颗粒的塑性位移,有助于保持道床的稳定性,减缓道床沉降和变形的速度,延长轨道的使用寿命并降低维护成本。     

道岔区板式无砟轨道竖向受力分析

本文将板式无砟道岔系统视为梁-实体-实体组合结构体系,通过Ansys软件建立板式无砟道岔道床的空间有限元模型,采用ADAMS/Rail软件进行岔区结构不平顺仿真,计算了列车过岔的动力响应;选取合适的计算参数,计算分析了转辙器区和辙叉区道床板及底座板的受力变形,为板式无砟道岔的设计、施工提供参考。     

复合轨枕有砟轨道动力性能试验研究

为研究复合轨枕有砟轨道动力性能,试验铺设轨道结构实尺模型,采用落轴冲击的方法,测试不同落轴高度冲击下钢轨、轨枕、道床、基础的加速度及钢轨的应变,并推算轨道动刚度和阻尼。研究结果表明:与弹性轨枕有砟轨道对比,复合轨枕钢轨加速度较大,衰减快;复合轨枕道床和基础加速度峰值略小,道床衰减较慢;2种轨道结构基础加速度衰减均较慢;在1～10 Hz范围内,复合轨枕振动能量较大,减小了其轨道钢轨和基础的振动,使得2种轨道动力特性差异较大;2种轨道弹性均很好,使得动刚度较小,复合轨枕和弹性轨枕轨道动刚度分别为28～32 kN/mm和38 kN/mm,阻尼分别为170～195 kN?s/m和146～178 kN?s/m。从减振性能角度考虑,复合轨枕有砟轨道效果更好。     

高速铁路桥上不同轨枕型式动力特性对比

在对国内外多种轨枕型式调研分析的基础上,结合我国高速铁路桥上有砟轨道结构特点,确定了高速铁路轨枕型式的初选方案.建立车辆-轨道-桥梁耦合系统动力分析模型,对Ⅲ型轨枕、宽轨枕、梯子式轨枕和框架式轨枕4种轨枕型式的动力性能进行了对比分析,选出了适合桥上应用的轨枕结构方案.并对选定的轨枕结构型式进行优化,提出了适合我国高速铁路的桥上有砟轨道轨枕结构的选型建议.研究结果表明:在所选轨枕型式中,宽轨枕动力性能相对较优;综合考虑养护维修对有砟轨道的要求,建议高速铁路桥上有砟轨道采用Ⅲ型轨枕加宽的方案;根据动力分析的结果,在Ⅲ型轨枕基础上加宽2～4cm即可以起到有效减小道床压应力和降低养护维修工作量等效果.研究结果可为高速铁路桥上轨枕结构的设计提供一定的参考.     

道砟胶分段固化道床动力性能测试与分析

为解决有砟-无砟轨道过渡段病害较严重的问题,在部分线路上采用道砟胶分段固化道床技术控制道床的沉降。道床固化后,对过渡段固化道床进行动态测试。研究结果表明:道砟胶分段固化后的线路满足安全性指标;分段固化后的道床动态刚度逐段增大,道床局部黏结断面、部分黏结断面、全黏结断面分别达到91,126和273k N/mm,较有砟道床断面分别提高1.28倍、1.75倍和3.78倍;轮轨力、减载率、钢轨垂向加速度自有砟轨道至道床全固化断面逐渐增大;钢轨垂向位移、轨枕垂向位移、轨枕垂向加速度自有砟轨道至道床全固化断面逐渐减小,实现了从无砟轨道到有砟轨道的过渡效果。     

重载铁路轨道刚度对货物列车抗脱轨安全度的影响

为确定具有预防货物列车脱轨功能的轨道刚度合理值,基于列车轨道系统空间振动计算模型及列车脱轨能量随机分析方法,提出了货物列车-轨道(FTT)系统横向振动稳定性分析方法,分析多组扣件及道床横向刚度组合下FTT系统抗脱轨能力、FTT系统横向振动稳定性及其振动响应的影响.结果表明:FTT系统抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速随着扣件及道床横向刚度的增大均有大幅度提高,但当扣件和道床横向刚度分别增大至90和10 MN/m时,其提高幅度逐渐减小,且当扣件和道床横向刚度分别由120 MN/m增至150 MN/m、15 MN/m增至20 M N/m时FTT系统抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速仅提高了3.9%,1.8%和1.8%;另外,增大扣件和道床横向刚度有助于减小轨道横向位移.考虑日趋紧张的重载铁路市场竞争,建议扣件横向刚度取90~120 MN/m,道床横向刚度取10~15 MN/m.     

脏污对有砟道床动力特性影响的离散元分析

为分析脏污对有砟道床动力特性的影响,建立有砟道床及脏污颗粒的离散元分析模型,研究有砟道床在脏污条件下的动力响应,并探讨脏污程度对有砟道床动力行为的影响。研究结果表明:脏污会增大列车荷载在有砟道床中的扰动范围并提高道床振动水平,道砟颗粒的振动加速度和速度基本上随着脏污程度的提高而呈线性增大;脏污会增大道砟颗粒的受力,增加道床中所受应力较大的道砟颗粒的数量;脏污颗粒会改变道砟颗粒之间的接触状态,降低道砟颗粒之间的咬合及摩擦作用,并增大有砟道床在列车荷载下产生的弹性变形及塑性变形,不利于道床稳定,易使道床产生不均匀沉降。     

基于货物列车抗脱轨安全度的重载铁路轨道结构强化措施评价

根据重载铁路货物列车-轨道系统(FTT系统)横向振动稳定性分析方法,提出基于货物列车抗脱轨安全度的重载铁路轨道结构强化措施评价方法,分析并量化提高钢轨等级、采用III型轨枕、强化扣件及道床等轨道强化措施对货物列车抗脱轨安全度的影响。研究结果表明:与提高钢轨等级相比,采用III型轨枕对列车抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速的影响更大;强化扣件或道床均可大幅度提高列车抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速,但当扣件和道床的横向刚度分别大于120 MN/m和15 MN/m时,货物列车抗脱轨安全度提升幅度较小;上述轨道强化措施均能改善行车平稳性,但强化道床对行车平稳性影响较小。轨道强化措施具有提高货物列车抗脱轨安全度的功能,且本文提出的评价方法能够反映列车抗脱轨信息,可为轨道强化措施的评价和制定提供参考。     

用有限元法分析无缝道岔的受力与变形

用有限元方法，采用与无缝道岔较接近的力学模型，全面考虑轨枕、扣件和道床阻力的作用，对无缝道岔各个部分的受力和位移规律进行了分析．编制了计算程序，并对一种道岔结构进行了计算，和试验结果比较吻合．为在我国铺设无缝道岔提供了理论和计算依据     

有砟客专路基结构参数的优化研究

为了改善有砟铁路路基结构受力状况和降低维修费用,需要研究列车荷载作用下路基结构参数对路基动力响应的影响.采用正交试验设计分析了铁路路基结构动力响应与道床弹性模量、基床表层弹性模量、基床底层弹性模量、道床厚度、基床表层厚度、基床底层厚度以及地基弹性模量等各结构层参数的敏感性关系,并结合层次分析法和线性评价指标确定了有砟铁路路基结构的最优参数组合.结果表明:道床厚度是影响道床动应力、基床表层动应力以及基床表层振动加速度的主要因素;地基的弹性模量是影响轨枕竖向位移的主要因素;确定有砟轨道结构的力学最优参数组合为道床弹性模量250 MPa,基床表层弹性模量120 MPa,基床底层弹性模量115 MPa,道床厚度0.35 m,基床表层厚度1.1 m,基床底层厚度2.3 m,地基弹性模量70 MPa.     

高速道岔辙叉区动力响应仿真分析

通过建立列车过岔有限元模型,运用动力学原理,研究移动荷载作用不同轨下刚度和列车速度在道岔辙叉区对轨道振动特性的影响。分析了心轨尖端、心轨根端及辙叉区共用垫板中心等特殊部位处的轨道振动特性。计算表明列车速度的变化对钢轨最大竖向加速度和岔枕最大竖向加速度的影响较大,而辙叉区轨下刚度的变化对钢轨最大竖向加速度、岔枕最大竖向位移及岔枕最大竖向加速度有较大的影响。     

直逆向过岔列车与桥上道岔耦合振动影响因素分析

针对桥上无缝道岔,运用有限单元法,建立钢轨一岔枕一桥梁弹簧一阻尼空间振动模型;运用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的"对号入座"法则建立列车一道岔一桥梁空间振动方程组;以温福客运专线田螺大桥为例,拟定桥上铺设了由2组38号道岔组成的单渡线,分析直逆向过岔时,列车运行速度、轨下垂向刚度、枕下垂向均布刚度、岔区垂向不平顺幅值及梁体高度等参数对列车一道岔一桥梁系统耦合振动的影响.研究结果表明:系统响应随列车速度和岔区垂向不平顺幅值增大、梁体高度减小而增加;轨下垂向刚度对系统不同的响应有不同的影响;道岔响应随枕下垂向均布刚度增大而降低.     

高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构动力特性分析

为了分析京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的动力响应,通过建立无砟轨道结构-下部基础结构动力有限元分析模型,得到了结构前10阶模态和不同列车速度下无砟轨道结构的动力特性.分析结果表明:桥梁上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的自振频率都比规范的限值大,说明桥梁有足够的刚度保证列车行驶的安全性和舒适性;桥梁上板式无砟轨道结构的前10阶振型中大部分振型表现为横向扭转,桥梁结构横向刚度相对较小,在实际的高速铁路桥梁结构中应注意桥梁的横向稳定性;无砟轨道结构各个构件的竖向位移、竖向加速度、板底水平拉应力及CA砂浆层竖向压应力均随列车速度的增大而逐渐增大;线下基础结构顶面竖向压应力存在转折变化点.     

桥隧区段道砟垫对厚度不足道床力学性能的改善机理研究

通过建立多边形本构弹性有砟道床离散单元仿真模型,分析桥隧区段道砟层厚度不足对道砟颗粒受力及道床刚度的影响,并研究不同刚度的道砟垫对厚度不足道床的力学性能的改善效果。研究结果表明：道床厚度不足会引起道砟颗粒间接触力及道砟颗粒与下部基础的接触力显著增大,与35 cm厚道床相比,16 cm厚道床的道砟颗粒间接触力及道砟颗粒与下部基础的接触力增幅分别为139%和143%,道砟破碎的风险明显增大;道床厚度不足会引起道床刚度激增,16 cm厚道床的刚度为35 cm厚道床刚度的2.3倍;铺设道砟垫可以减小道砟颗粒的受力幅值,铺设刚度分别为16、10、6和4 kN/mm的道砟垫后,16 cm厚有砟道床与下部基础的最大接触力分别降低58.3%、57.7%、64.6%和60.9%;对于厚度不足的道床,可通过铺设不同刚度的道砟垫实现道床刚度的调整。