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。     

路基冻胀对高速列车-轨道耦合系统动力特性的影响

在车轨耦合动力学理论的基础上,通过对高速列车-无砟轨道-路基耦合系统模型有限元进行分析,研究高速铁路路基不均匀冻胀对列车、轨道的动力学影响,分析不同条件下冻胀变形引起的系统振动响应规律,进而提出相关改善措施以利于系统良性发展.结果表明,路基不均匀冻胀会引起列车与轨道产生互相影响的动态响应,降低了轨道结构的服役性能,同时不利于行车安全.在典型冻胀情况下,列车进入冻胀区域后,在起始位置受到振动所造成的影响比较大;随着路基冻胀波长的增加,对车体的振动影响相继减少,而冻胀峰值的影响则相反.对冻胀波长25 m范围内,特别是10～15 m路基冻胀进行整治,可增强行车安全性和乘坐的舒适性.同时,重点控制路基高冻胀峰值能有效减少轨道结构的疲劳损伤.     

自重荷载下非均匀支撑板式无砟轨道静态响应

针对高速铁路路基不均匀沉降诱发的板式无砟轨道几何形态和应力状态恶化问题,建立了高速铁路CRTSII型板式无砟轨道-路基三维有限元模型,模拟了64种路基不均匀沉降组合(波长5～40 m,波幅5～40 mm),提出了基于混凝土底座柔度的形态映射和应力水平定量表征方法.研究结果表明,轨道结构的形态映射特征主要由混凝土底座柔度决定,在沉降波长小于15 m、或者波长在15～20 m之间且沉降幅值大于15 mm时,轨道结构与路基因变形不协调而出现脱离.轨道结构变形量的增加会导致混凝土结构附加拉应力和路基接触应力的增大,且易接近或超过相应的强度允许值而产生损伤破坏.同时,增加混凝土底座的模量和厚度,对提高轨面几何平顺性的效果并不显著,反而会增大结构自身的拉应力和路基接触应力.     

无砟轨道复合不平顺对高速行车的影响

轨道复合不平顺是由多种垂、横向不平顺叠加而成的复杂随机波,是影响轮轨动态作用和行车稳定的重要因素.为研究高速铁路无砟轨道复合不平顺对行车品质的影响,考虑轮轨间复杂接触关系建立了车辆轨道空间耦合动力学模型,分析了轨向-水平、轨向-高低、轨距-水平、轨距-高低4种复合不平顺的动力影响.结果表明:随着复合不平顺幅值的增加,轮轨力、车体加速度、轮重减载率、脱轨系数等均会增大;轮轨力、舒适性指标和安全性指标随着复合不平顺波长的增大而减小;复合不平顺幅值组合变化时,车辆动力响应对水平、高低不平顺幅值变化的敏感程度高于轨向、轨距不平顺幅值变化.长波不平顺激扰频率与车体自振频率一致或接近时,车体会出现一定的谐振,垂、横向振动加速度有所增加.     

高铁提速条件下路基不均匀沉降诱发的地基振动特性

为了揭示高铁提速条件下路基不均匀沉降诱发的地基振动特性,建立了考虑路基不均匀沉降的列车-轨道-路基三维有限元动力分析模型.采用时域、频域分析方法获得了列车提速条件下典型路基不均匀沉降对地基振动传播的影响,并结合国内外环境振动控制标准讨论了列车提速的可行性.结果 表明,路基不均匀沉降导致地基振动显著加剧,其水平横向和垂向的振动加速度分别增大了2.8和2.0倍.地基振动频谱响应以低频为主,其特征频率主要由单节车厢长度决定,无法反映路基表面不均匀沉降的波长特征.列车速度的提高导致地基振动响应加剧,但影响程度低于路基不均匀沉降.在现行规范中沉降波长20 m、幅值15 mm的限值下,当列车车速达到360 km/h时,周围环境的垂向Z振级已超过环境振动控制标准的要求,故高铁线路提速前需进一步评估路基平顺状态的影响.     

直线电机轨道交通系统路基上板式轨道的动力学特性

针对广州直线电机轨道交通系统的特点,建立了路基上直线电机轨道交通系统板式轨道空间耦合动力学模型及动力学微分方程.通过仿真试验,从动力学的角度研究了直线电机与感应板之间的气隙控制技术以及路基上板式轨道的动力特性,为板式轨道的设计、竖错不平顺控制提供理论基础和参考建议.     

高速列车作用下路基上板式无砟轨道动力系数

基于列车-轨道耦合动力学理论,建立列车-板式无砟轨道-路基三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上板式无砟轨道线路上高速行驶时,在线路平顺工况和各种不平顺工况下,无砟轨道各部件动力特性和相应动力系数进行理论研究。研究结果表明:在线路平顺状态下,车辆轮载及无砟轨道各部件动力响应很小,动力系数不超过1.2;在线路中长波随机不平顺激扰下,轮载动力系数接近2,无砟轨道各部件动力系数在1.70～2.06之间,轮载动力系数和无砟轨道各部件动力系数相差不大;短波不平顺对轮载动力系数有很大的影响,由于短波不平顺引起的振动在无砟轨道中衰减很快,其对无砟轨道上部部件动力系数的影响较大,而对无砟轨道下部部件动力系数的影响很小。     

冻胀变形下高速铁路车辆-轨道-路基耦合系统的动力效应

季冻区严酷的自然环境对高速铁路的高标准运行产生了极大影响，甚至会对高速铁路造成永久性破坏。为探究季冻区高速铁路路基冻胀变形作用下对车辆-轨道-路基耦合系统动力效应的影响，以银西高速铁路某冻胀区段为背景，结合车辆-轨道-路基系统动力学的原理和分析方法，建立了简化后的动力学模型；选取了典型的单波余弦冻胀波形（冻胀波长 λ =10 m, 冻胀峰值 f =10 mm），分别探讨了轨道系统与车辆系统的动力学效应，并据此确定了轨道刚度的合理取值。研究结果表明：在路基冻胀变形作用下，轨道系统中轨道各部件动压力、动位移及动加速度幅值在低频段（0~200 Hz）发生明显波动，扣件刚度与道床刚度的最优刚度比为0.5，轨道总刚度的合理取值在62~87 kN/mm范围为宜；车辆系统中车辆轮重减载率及车体垂向加速度与冻胀波长 λ 成反比关系，与冻胀峰值 f 成正比关系。     

新型柱板式高墩大跨度刚构桥车-桥耦合振动影响因素分析

以黄韩侯铁路线纵目沟特大桥为工程背景,建立车辆动力模型、桥梁有限元模型并考虑轮轨关系,以蛇形运动和轨道不平顺作为系统的自激激励源,利用大型有限元软件ANSYS以及UM动力学分析软件联合进行仿真分析.探讨桥梁结构刚度、行车速度、轨道不平顺以及货车编组情况等因素对新型柱板式高墩大跨度刚构桥梁车-桥耦合系统的影响.研究表明:桥梁横向刚度的减小对车-桥耦合系统的横向振动影响比较明显,对其竖向振动影响较小;桥梁竖向刚度的改变对车-桥耦合系统的竖向振动影响较为显著,对其横向振动影响较小;轨道不平顺的增加将导致车-桥耦合系统振动明显加剧;空载货车的横向稳定性较重载货车的弱,易发生脱轨事故.     

高速车轮椭圆化模型研究

铁路车轮的周期性非圆化将引起车辆-轨道耦合系统一系列动力响应的变化,对系统的各个部件都有着危害性的影响。为保证此方面的行车安全和稳定,提高铁路运输维护维修的经济效益,需要制定规范,确定车轮非圆化的允许范围,及时对非圆化车轮进行检测、更换和镟修。研究了车轮二阶周期性非圆化——椭圆化,建立了一个新的模拟车轮椭圆化的数学模型,结合车辆-轨道空间耦合动力学模型,计算了左右车轮不同相位和车轮椭圆度下,车体的横向、垂向位移,钢轨横向、垂向振动加速度,并与传统模型计算结果作了对比,分析表明两种模型的动力响应变化规律和频率一致,但横向动力响应幅值和相位均存在不同程度不可忽略的差异,因此传统的轨道几何不平顺激励模型不能真实模拟车轮的周期性椭圆化对车辆-轨道耦合动态行为的影响,本文模型更能反映实际椭圆车轮与钢轨接触情形,计算方法准确而合理。     

铁路地下直径线橡胶浮置板道床钢轨变形限值研究

浮置板道床能有效减小铁路振动的影响,因此可将其应用于穿越人口密集区的铁路地下直径线。为了确保行车的安全性和舒适性,有必要对铁路运营下浮置板道床钢轨的合理变形限值进行研究。基于有限元法,建立了车辆-橡胶浮置板道床耦合动力学模型,对SS9列车100 km／h速度下车辆、钢轨、浮置板等部件的动力学特性进行了研究,并从行车安全性和平稳性方面提出了浮置板道床钢轨的变形限值建议值。研究表明：橡胶垫面刚度小于0．02 N／mm3时,轨道结构产生较大垂向位移;100 km／h速度条件下,铁路橡胶浮置板道床钢轨垂向变形限值取4 mm时,能满足行车安全性和平稳性要求。     

路基不均匀沉降对有砟轨道沉降影响的模型试验

为研究路基不均匀沉降对有砟轨道沉降变形的影响,设计了1∶1有砟轨道模型试验系统.通过人为设定的空隙模拟路基不均匀沉降,采用激振器模拟列车振动荷载作用,研究了在有砟轨道变形稳定后,轨枕空吊前后路基不均匀沉降对有砟轨道沉降变形的影响.试验结果表明,余弦型路基不均匀沉降引起的轨道沉降变形曲线可用余弦型函数描述;当路基的纵向不均匀沉降槽面积较小且未引起轨枕空吊时,轨面与路基纵向不均匀沉降槽的面积比为1,并据此明确了轨枕不发生空吊情况下路基不均匀沉降与有砟轨道轨面沉降变形之间的计算关系及其主要影响因素;随着路基不均匀沉降继续增加,当轨面与路基纵向不均匀沉降槽的面积比小于1时,有砟轨道将出现轨枕空吊现象,并且面积比将随路基不均匀沉降的增加而减小.     

轨枕空吊动态演变规律

在车辆-轨道耦合系统动力学模型和道床沉降模型的基础上,提出了一种基于迭代计算的预测方法,对轨枕局部空吊后的动态演变过程进行了合理的预测.结果表明:当轨枕单侧轨底处出现局部空吊时,空吊区域的承载力明显降低,而与之相邻区域承受的车辆载荷增加,导致相邻区域轨枕空吊间隙发展较快,从而形成空吊区域由轨枕两端轨底处向轨枕中心扩展的动态演变过程;随着轨枕空吊区域的不断扩大,整根轨枕的承载力大幅降低,大部分列车载荷主要由相邻未出现空吊的轨枕承担,因而轨枕的空吊发展程度逐渐趋于平缓,最终大部分区域存在1.5 mm左右的空吊间隙.     

高速列车系统振动响应随运行速度的变化特征分析

运行速度不断提升是当今高速列车发展的趋势,而车辆系统振动响应随运行速度的变化特征可作为衡量列车设计性能好坏的指标。本文采用多体动力学软件和有限元方法相结合,建立刚柔耦合的列车动力学模型,其中轨道不平顺激励中的动态不平顺部分采用实车实测数据标定。通过仿真,获得车辆系统在0-50Hz频率范围内的振动响应随运行速度的变化特征。结果表明,随着运行速度的提高,车辆系统振动响应与平稳性指标呈现非单调的增长趋势。受轨道板长度为周期的动态不平顺激励影响,车辆在低速存在不利运行速度区域。     

路桥过渡段桥头搭板容许坡差确定的参数影响

采用三自由度车辆模型 ,考虑上桥和下桥两个方向 ,建立了对车辆通过路桥过渡段进行动力响应分析所需的振动方程和初始条件 ,并提出以人的最大瞬态振动值作为搭板容许坡差确定的控制指标。在动力响应分析的基础上 ,详细分析了行进方向、车速、搭板坡差、搭板长度、载重和桥面沉降坡差等参数对人的最大瞬态振动值的影响 ,得到的一系列结论对于在各种不同的情况下准确确定搭板容许坡差具有重要的价值。     

Dynamics of high speed wheel/rail system and its modelling

With the fast increasing of train speed the interactions among the train,the track,and the power cate-nary system become very strong. Such interactions are also strongly coupled with the action of high speed airflow due to the high speed running. Hence,the existing research methods and numerical al-gorithms of railway vehicle/track systems are not fully available for characterizing the transient dy-namic and long-term behaviors of train/track at higher speed. The present paper reviews the existing studies on coupling dynamics of railway vehicle/track,and clarifies their advantages and disadvan-tages and then puts forward an innovation stratagem for high speed railway based on rolling contact of wheel/rail systems. In the innovation stratagem,a comprehensive dynamic model of wheels/rails sys-tems is developed to simultaneously consider the track system,the train,the rolling contact of wheel/rail,the catenary/pantograph system,and the high speed airflow with the train. The motion equations of the subsystems and their coupling boundaries are given and discussed. For the reliability and safety of the high speed train in service,the long-term behavior of the structures of the train and the track is considered in the comprehensive model. Moreover,a generalized failure model,consider-ing the structures and the materials and working in the comprehensive dynamic model of wheels/rails system,as well as the simulation system of structure failure of the high speed train/track is established. Consequently,the present studies on the dynamics of the coupled vehicle/track will be further and largely extended.     

视景仿真中履带车辆模拟

驾驶模拟训练系统采用经典的Bekker车辆地面力学理论和Wong J Y提出的履带动力学模型,推导了视景仿真中土壤的接地压力与沉陷深度关系、剪切应力与剪切位移关系、行驶阻力等,建立了视景仿真中的履带与地形的动态交互模型。采用ROAM算法和多点匹配法,实现了地形三角形网格分辨率的动态改变。在优秀的多体动力学实时仿真软件Vortex中实现了高速履带和低速履带与地形的动态交互效果,满足了实时仿真的要求,真实感强,具有极佳的交互性。     

大跨度钢管翼缘组合梁桥车桥耦合振动性能分析

为了研究钢管翼缘组合梁桥的动力性能,通过有限元软件ABAQUS建立了三维车桥耦合振动模型,采用了隐式动力学分析了路面平整度、车辆载重、速度、上翼缘钢管内填混凝土等级和含钢率等因素对管翼缘组合梁桥动力性能的影响,以及与管翼缘组合梁竖向刚度等效的工字钢梁和混凝土梁的动力性能,得出了以下结论：随着路面不平顺程度的增大,管翼缘组合梁的动力响应呈几何倍数增长,并且只有当路面等级为B时才与现行《公路桥涵设计通用规范》中公式计算的动力冲击系比较吻合;车辆载重与其跨中挠度呈线性相关;速度对其的影响比较复杂,当车辆速度超过60 km/h时,其动力响应随速度增大呈非线性增长;上翼缘内混凝土等级和含钢率对其动力影响极小;相对于等效工字钢梁和等效混凝土梁,管翼缘组合梁桥重量轻,整体弹性模量较小,同等荷载下跨中挠度比较大。通过上述的动力性能研究为以后大力发展此类型桥提供技术保障。