基于分数阶Zener模型的高速铁路扣件动静刚度比限值研究

目前,高速铁路扣件动静刚度比的设计更多的是凭经验进行,且仅针对低频,缺乏可靠的理论基础。基于此,使用能够较好反映黏弹性材料刚度频变特性的分数阶Zener模型,采用编程和Simpack-Simulink联合仿真的方法,首先建立车辆-轨道耦合动力学模型,验证2种方法模拟扣件系统黏弹性特征的正确性和可行性;然后通过修改分数阶Zener模型的松弛时间得到具有不同动静刚度比的扣件模型,以焊缝不平顺与高铁谱作为轨道不平顺激励,分别模拟高铁350 km/h匀速、350 km/h减速和450 km/h减速不同扣件系统动静刚度比条件下列车的运营状态;最后,以动态轮重减载率为限定指标研究不同运营时速下的扣件系统动静刚度比取值范围,讨论扣件静刚度降低对轮重减载率的影响。研究结果表明:列车在减速条件下的动态轮重减载率相较于匀速条件呈现出明显的上升趋势;当列车以350 km/h减速运行时,扣件在过车频率下的动静刚度比不应超过1.7,此时对应的扣件低频(3~5 Hz)动静刚度比为1.34;当列车以450 km/h减速运行时,扣件在过车频率下的动静刚度比建议不超过1.6,此时对应的扣件低频(3~5 Hz)动静刚度比建议不超过1.27;满足钢轨最大位移限值条件下,降低扣件静刚度可为扣件动静刚度比的设计提供更多余量。以上研究可为450 km/h速度运行下的高速铁路轨道刚度设计提供一定的参考。