轨道纵向刚度变化对快速列车轮轨受力的影响

由于轨道刚度是铁路轨道设计的重要参数,直接影响到列车的运行安全和平稳性,因此运用车辆－轨道垂向系统统一模型和新型预测－校正数值积分法,对铁路快速列车以不同速度通过因道床和轨下垫层刚度变化而引起的动力不平顺轨道段时车辆和轨道的响应进行了仿真计算,干涉分析了轨道纵向刚度变化对铁路快速列车轮轨受力的影响。     

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。     

地铁引起环境振动的振源加速度

分析计算了列车运行引起环境振动的振源,即轨道作用于道床的振动加速度机制.建立了轮-轨-道床计算分析模型,将钢轨视为Winkler地基上无限长梁,建立并求解该梁的动力方程,得到列车移动静力产生的轨道振动加速度;根据Hertz接触理论,求得轮轨动接触力,利用Green函数模拟轨道因轨道不平顺和轮轨动接触力作用产生的变形,进而求得轨道不平顺和轮轨动接触力引起的轨道振动加速度;叠加上述两种加速度,即得列车引起环境振动的振源振动加速度;最后将理论计算结果和实测结果进行比较,吻合较好.     

道床板结对轨道振动的影响

根据实测的加速度波形及其能量谱密度图,采用二自由度钢轨振动理论,定性地分析道床板结对钢轨振动的影响：道床结构使钢轨垂直加速度振动总能量增加,对轨枕竖向振动的影响较钢轨的大;道床板结对道床垂直振动的影响不大,但使振动能量集中部分频率降低;道床板结使钢轨和轨枕的位移有所降低,因此减弱了整个轨道系统的弹性功能。     

焊缝不平顺对车辆-无砟轨道-路基系统振动特性的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,应用有限元方法建立车辆-CRTSIII型板式无砟轨道-路基系统垂向耦合动力学模型,对高速车辆通过钢轨焊缝不平顺的动力学响应进行了仿真分析,并对比了不同形式钢轨焊缝不平顺对系统的影响。有限元计算结果表明:高速行车条件下,钢轨焊缝不平顺会引起车辆、轨道、路基系统动力学性能不同程度的变化,引起轮轨力响应增大,对与不平顺直接接触的轮对和钢轨振动产生较大影响,对行车舒适性影响有限。不同形式的焊缝不平顺对系统影响程度各有不同,凹、凸型焊缝不平顺对动力特性的影响相对接近,凹型焊缝不平顺叠加一短波不平顺后,对轮对和轨道结构振动加速度影响明显,轨道结构应力增大,受力状态恶化。在高速铁路日常运营维护中,应重视钢轨叠加焊缝不平顺引起的冲击振动作用。     

轨道刚度变化对轮轨冲击荷载的动力影响

从英国Derby铁路研究中心提出的P1和P2 力计算公式入手 ,对列车以 16 0km·h-1速度通过 6 0kg·m-1钢轨接头时轨道刚度变化对轮轨冲击荷载的动力影响进行了计算 ,并用车辆 -轨道垂向系统统一模型对比验证 .结果表明 ,公式计算和仿真模拟具有较好的一致性 .同时轨道刚度变化对轮轨高频冲击荷载影响不大 ,但对低频冲击荷载影响较大 .随着轨道整体刚度的增大 ,P2 力的增长幅度远远超过P1力 ,并逐渐逼近P1力 .由于低频冲击荷载对轨下部件的破坏较大 ,因此建议轨道结构须采用弹性设计的思想 .     

地铁直线轨道波磨成因及发展特性

为分析地铁直线段钢轨波磨的成因及发展特性,基于轨道结构有限元模型和车辆-轨道耦合动力学模型,运用模态分析和动力分析对钢轨波磨的产生和发展进行研究。结果表明：（1）实测波磨的线路条件和通过频率范围与Pinned-Pinned共振导致的响轨波磨接近,初步认为该区段发生的波磨可能为响轨波磨;（2）轨道结构模态分析发现,513.7Hz处的振动模态为轨道结构的横向Pinned-Pinned共振模态,1050.0Hz处的振动模态为轨道结构的垂向Pinned-Pinned共振模态;车辆-轨道耦合模型动力分析发现,钢轨垂向振动加速度级在中心频率500Hz和1000Hz处幅值较高,分别为69.7dB和70.1dB,且上述中心频率所对应的三分之一倍频程带宽为轨道结构发生Pinned-Pinned共振的频率范围,因此分析认为该线路上的钢轨波磨为轨道结构Pinned-Pinned共振所致的响轨波磨;（3）不同轨枕间距和运营速度下的钢轨垂向振动加速度级变化趋势基本一致,且中心频率500Hz和1000Hz处的钢轨垂向振动加速度级幅值较高。随着轨枕间距和运营速度的变化,500Hz和1000Hz处的钢轨垂向振动加速度级变化趋势相同;通过改变轨枕间距和运营速度,可以使得钢轨垂向振动加速度级发生明显变化,说明适当的轨枕间距（700mm左右）和运营速度（80km/h左右）能够有效的控制响轨波磨的产生和发展。     

客运专线有砟道岔轨道动刚度特性分析

在分析客运专线有砟道岔轨道刚度组成的基础上,建立了有砟道岔轨道动刚度的计算方法,分析了我国时速250 km客运专线有砟道岔轨道动刚度特性.结果表明:心轨的动静刚度比最大,基本轨、尖轨和导轨次之,翼轨最小;在小于100 Hz的频段上,各钢轨的动刚度随着激振频率增加而减小;在0～250 Hz的频段上,各钢轨会出现3个共振峰.     

过渡段刚度变异性对车轨系统动力响应的影响

针对高速铁路路桥过渡段刚度参数的变异性对车辆-轨道-线下基础系统动力响应的影响,运用车辆-轨道耦合动力学理论,并通过修正扣件弹簧的刚度矩阵实现钢轨梁与轨下基础平面模型的垂向传力耦合,同时引入无限单元法消除边界效应,建立高速铁路路桥过渡段车辆-轨道-线下基础系统垂向耦合振动模型;利用该模型,应用基于拉丁超立方抽样的随机有限元法,分析了过渡段路基刚度参数变异性对过渡段车辆-轨道系统动力响应的影响.结果表明,刚度参数的变异性对钢轨垂向动位移的影响大于对轮轨力及车体加速度的影响,且各动力响应主要对倒梯形部分填料的参数变化较为敏感;动力响应数据偏离正态性,在95%的置信水平下,过渡段轮轨力、车体加速度的最大值近似服从韦伯分布,钢轨垂向动位移最大值的数据分布则呈现明显的"高峰厚尾",易出现异常大值,为减小钢轨垂向动位移以及便于管控施工质量,应适当提高过渡段路基刚度;选用钢轨垂向动位移最大值作为过渡段动力设计的安全评价指标,计算显示现行设计模糊失效概率为0.000 45,失效概率较小,动力设计较为可靠.     

基于车轨耦合动力学分析的地铁e型弹条扣件疲劳寿命预测

地铁是城市交通的重要组成部分,而扣件系统是地铁轨道结构的关键部件,起到固定钢轨、减振降噪的作用。为分析地铁e型弹条扣件的疲劳性能,基于车辆轨道动力学理论,通过多体动力学软件UM建立了车轨耦合模型,研究了车辆速度、轨道不平顺类型以及曲线半径与钢轨动力学响应的关系;并通过有限元软件ABAQUS对扣件系统进行了仿真计算,将车轨耦合动力分析得到的钢轨位移作为疲劳荷载,采用应力疲劳计算的方法对弹条的疲劳寿命进行了预测和分析。结果表明：钢轨位移响应受不平顺类型和车辆速度的影响较小,而加速度响应对两者则比较敏感;轨道曲线半径的改变,对内轨位移的影响相对明显,随着半径的减小,内轨的位移时程曲线出现明显的上移,同时对加速度的影响也增大,内轨加速度峰值呈增大趋势;基于此模型计算的弹条疲劳寿命为2.14×10⁷次,寿命最低处位于弹条后拱小圆弧段,与实际断裂位置相吻合;弹条初始安装扣压力对弹条疲劳寿命的影响很大,随着初始安装扣压力的增大,弹条的疲劳寿命不断减小,且减小的速度趋于增大,为确保弹条扣件处于良好的工作状态,初始扣压力应当控制在11～15 kN范围内。     

时速80 km/h地铁地下线梯形轨枕轨道现场测试分析

为评价时速80 km/h地铁作用下梯形轨枕的工作性能,对北京地铁某线梯形轨枕道床进行现场动位移和加速度测试,从时域、频域和Z振级角度对加速度指标进行分析,从时域角度对动位移数据进行分析,评价梯形轨枕轨道工作性能。结果表明:地铁列车作用下普通道床钢轨、道床和隧道壁振动有效值为14.1、0.48、0.069 m/s~2,梯形轨枕断面对应测点振动有效值为18.1、0.62、0.016 m/s~2,隧道壁处振动加速度在1～1 000 Hz内均有一定减振效果,最大Z振级差值为11.9 dB,梯形轨枕道床钢轨垂向、钢轨横向、梯轨垂向、梯轨横向最大动位移分别为0.34、0.13、1.21、0.081 mm。     

高速列车运行引起的地表振动分析

把轨道作为弹性地基上的梁，得到轨枕与道床之间的动反力，采用薄层法求得分层土体的稳态响应，建立了运行车辆-轨道-环境振动模型，首次对秦沈高速铁路列车运行产生的沿线地基的振动响应进行了分析与对比．分析表明：移动轴重作用率对加速度频谱起控制作用，在其附近出现峰值；加速度随列车速度的提高缓慢增加，当列车速度接近地表的瑞利波速时，会引起振动放大现象；理论模型能很好地预测近场的振动响应．     

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.     

重载铁路轨道路基系统动位移空间分布特征

建立了重载货车-有砟轨道-路基系统耦合动力学模型.分析计算了在轨道随机不平顺激励下30t轴重重载铁路轨道-路基系统动位移的分布规律.计算结果表明:(1)轨道-路基系统各结构层动位移状态较为复杂,在重载货车通过的过程中,所受荷载也处于循环往复的加载和卸载状态.(2)在有砟轨道-路基系统的动位移的3个位移分量中,竖向动位移的幅值较大,横向动位移以及纵向动位移的幅值均不超过竖向动位移幅值的6%;而沿横向,动位移的分布较为缓和,其最大波动幅值不超过0.2mm,可近似看做均匀分布.(3)轨道-路基系统动位移沿竖向的变化,大体分为3个阶段:在钢轨到轨枕之间,出现明显突变;在轨枕层区域的衰减幅度较小;在道床层至基床表层及下部结构,竖向动位移表现为沿深度方向不断衰减,并且衰减速率随着深度的增加也在不断减小.     

25 t轴重货车通过道岔时动力学性能分析

在车辆-道岔系统动态相互作用动力学模型基础上,建立针对新型12号混凝土岔枕单开道岔系统动力学模型,分析21 t及25 t轴重货车侧向和直向通过该型道岔时系统的动力学特性.结果表明尽管轮轨力和振动加速度因轴重增加而相应增大,但由于25 t轴重货车在轴箱处采用橡胶堆,使它与道岔之间的动态相互作用有所改善,尤其是脱轨系数、减载率、尖轨和心轨前端开口量等指标上,与21t轴重货车引起的系统振动值基本一致.由此证明新型货车通过新型道岔的安全可靠性.     

基于离散元法的聚氨酯固化道床力学特性

提出了一种基于黏接力链单元的聚氨酯固化道床数值仿真分析方法,并在此基础上对聚氨酯固化道床与普通散体碎石道床在循环荷载作用下的力学性能进行了对比分析.结果表明,聚氨酯固化道床能够通过减小道床残余变形、改善道砟颗粒间接触状态的方式起到延缓道床累积沉降的目的;聚氨酯材料在延缓道床累积沉降的同时,也会导致轨枕的动位移增大.     

基于离散元法的铁路道床力学特性

道砟外形复杂,其几何形态对道床力学行为有显著影响,为揭示道砟模拟方法对道床力学行为的影响规律,针对道砟外形极不规则、咬合作用强的特点,采用自编算法建立了能模拟真实道砟外形的颗粒簇.基于离散元法,分别建立了基本球道砟和颗粒簇道砟的三维道床-轨枕空间模型,分析循环荷载下两种道床的接触力、配位数、道床应力和振动加速度的差异.结果表明,相同循环荷载下,颗粒簇道床比基本球道床最大接触力小769N,平均接触力小10N,说明颗粒簇接触力幅值范围更小,分布更均匀;基本球配位数在1.0~3.2范围内周期变化,颗粒簇配位数在5.3~6.1范围内周期变化,说明颗粒簇间的接触点更多,接触状态更稳定;颗粒簇道床顶部振动加速度和应力比基本球道床的分别小0.26g,16kPa,说明颗粒簇能反映道砟间的咬合作用,保持道床的整体受力性.