平曲线上大调整量弹性支承块式轨道结构动力响应规律分析

基于车辆-轨道耦合动力学及有限元方法,采用ABAQUS®-MATLAB®联合仿真技术,建立车辆-钢轨-弹性支承块式无砟轨道耦合动力学模型,研究不同的车辆类型在多种平曲线线型条件下大调整量弹性支承块式无砟轨道的动力响应特性,分析并评估弹性支承块式无砟轨道用于小半径曲线线路条件的适用性和可行性。研究结果表明:轨下垫板高度的调整对各项指标的影响比支承块帽檐高度调整对各项指标的影响小,当调高从-60 mm增加到60 mm时,轨距扩大量增幅达到了235.00%,当且仅当在调低或调高轨下垫板高度时,轨距扩大量才会发生明显变化;随曲线半径减小,轨距扩大、行车安全性、稳定性等指标随之增大;小曲线半径对支承块的轨距保持能力具有较大影响,当半径减小到2 800 m时,轨距扩大量相比于半径5 000 m的增大了67.50%;与客车相比,当货车运行至小半径曲线路段时,轨距扩大量具有明显的增大趋势,在相同运行条件下,相比于客车的轨距扩大量,货车的轨距扩大量增幅达到110.45%。总体而言,在不同曲线半径、支承块调高情况下,列车运行各项安全性、稳定性及轨距扩大量等指标均在规范规定的安全限值以内,总体来看轨道几何保持能力良好;在实际工程中,当列车尤其是货车经过小曲线半径路段时,应尽量降低行驶速度,以避免困难路段所带来的影响行车安全性、稳定性等隐患。

重载和客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道快速换块关键技术

为选取合适的弹性支承块式无砟轨道抬轨换块施工参数,建立有限元模型,研究了抬轨点间距、扣件松开长度、抬轨量以及施工轨温与锁定轨温的温差对轨道结构变形和受力的影响,明确各参数最佳取值,提出存在空吊、离缝、套靴积水等病害的弹性支承块式无砟轨道快速换块施工方法,并在现场进行应用。结果表明:抬轨点间距宜取1.2~3.6 m,此时钢轨弯折变形较小,且钢轨拉力和扣件上拔力较小;抬升点间距每增加1.0 m,温差限值增加1℃。抬轨量16 cm,抬轨点间距1.2 m时,扣件松动长度宜大于31.8 m;温差每升高1℃,扣件松开长度应减少2.4 m。钢轨最大拉应力和扣件最大上拔力随抬轨量增加而增大,抬轨量每增加1 cm,钢轨最大拉应力增大0.66 kN,扣件最大上拔力增大0.075 MPa。

弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法

列车通过弹性支承块式无砟轨道时,扣件和弹性支承块的弹性叠加容易使钢轨倾翻角和轨头横移量显著增大,导致动态轨距扩大,进而影响列车运行的安全性和平稳性。综合考虑轮轨激励形式及其载荷作用关系(包括轮轨垂向力的准静态成分、动态成分及其作用位置、轮轨水平力及其作用位置以及钢轨廓形等)、扣件系统力学特性及其几何参数(包括扣件系统的垂向及横向刚度和阻尼以及外形尺寸等)、弹性支承块力学特性及其几何参数(包括弹性支承块的各向刚度、模量、泊松比以及外形尺寸等),建立准确的力学分析模型和几何关系模型,全面清晰地表征了弹性支承块式无砟轨道结构受力特点。基于力矩平衡计算原理,提出弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法,根据单节点实尺模型残余变形试验对理论计算结果进行修正,若考虑消除初始装配间隙影响,支承块间距扩大理论计算值增加0.04 mm加以修正,轨距扩大量应增加0.2 mm加以修正,通过对比分析计算结果、单节点实尺模型试验结果与传统实体有限元模型仿真结果,证明数据吻合度极高。分析与计算结果表明,本文提出的全参数计算方法与单节点实尺模型试验结果、实体有限元模型仿真结果吻合程度良好;利用本文所提出的弹性支承块式无砟轨道钢轨抗倾翻性能全参数化计算方法,可以高效准确地开展多参数敏感性分析;能够为不同运营条件下弹性支承块式无砟轨道结构及其部件优化提供设计依据,并奠定充分的理论基础。

基于减振性能的市域铁路弹性支承块轨道刚度匹配研究

目的:为了降低弹性支承块式无砟轨道市域铁路的振动对周边环境的影响,需要确定弹性支承块式无砟轨道的扣件刚度和块下刚度组合下的合理取值范围,使市域铁路下弹性支承块式无砟轨道达到最佳减振效果。方法:基于车辆-轨道耦合动力学理论,利用车辆-轨道耦合动力学理论,分析了不同扣件刚度和块下刚度组合情况下,市域列车通过时的振动相应时程曲线,并进一步得到了弹性支承块轨道的道床板频响曲线和分频振级曲线及整体道床的道床板频响曲线和分频振级曲线。通过对比分析,初步确定弹性支承块轨道结构中扣件刚度和块下刚度的合理取值范围,结果及结论:当块下刚度增大时,弹性支承块轨道道床板的Z振级随之增大;扣件的垂向刚度增大时,弹性支承块轨道道床板的Z振级随之增大,普通整体道床的Z振级也略有增大;在列车运行速度为160 km/h,扣件刚度取值为60~80 kN/mm左右,块下刚度取值为80~110 kN/mm左右时,弹性支承块轨道系统可达到较好的减振效果,最大减振值为7.79 dB。

客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道混凝土支承块结构承载力试验

以客货共线铁路弹性支承块式无砟轨道混凝土支承块为对象,通过开展承载力破坏试验,验证Q/CR 9130—2018《铁路轨道设计规范(极限状态法)》中无砟轨道钢筋混凝土结构抗力计算方法相关规定。结果表明:(1)混凝土支承块结构符合平截面假定,混凝土支承块结构中和轴在截面中线靠上;(2)面支承试件裂缝发展、破坏形式等静载力学性能与简支梁不同,无砟轨道结构极限状态不能照搬GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》的相关规定;(3)建议重点开展单元式无砟轨道结构静载开裂特性试验,并对裂缝截面处纵向受拉钢筋应力计算公式进行优化研究。

弹性轨道上二自由度磁悬浮列车的动力特性分析

通过对弹性变形轨道上二自由度磁悬浮列车耦合系统动力特性的数值研究,给出了系统受控稳定性情形下控制参数G1,G2 的选取方式;讨论了控制参数G1,G2 和系统特征参数(如悬浮体质量Ms、运行速度v、轨道跨长L等)对磁悬浮系统的动力学特性的影响方式,分析了弹性轨道的变形特征等。

磁悬浮车体—单跨弹性轨道耦合控制系统的动力稳定性分析

建立了描述磁悬浮车体—单跨弹性轨道系统电、磁、力耦合动力学行为的理论模型 ,即 :分段周期变系数常微分动力系统模型 ,提出了该系统的稳定性理论 ,利用动力分叉数值方法搜索出了给定系统下控制参数 G1 和G2 的动力稳定区域边界 ,并就系统控制参数 G1 和 G2 对系统稳定性特征的影响与控制规律作了进一步研究 .数值算例表明 :本文给出的理论和数值方法是可靠有效的 .

EMS磁悬浮列车／非线性弹性轨道系统的动力学特性

建立了多车体EMS磁悬浮列车／非线性弹性轨道耦合控制系统的动力学模型．利用数值方法研究了三车体和单车体两类磁悬浮系统的动力学行为．结果表明:在运行的初始阶段,轨道对两类磁悬浮列车车体的动力响应存在很大差别．在相同的运行速度下,两类磁悬浮系统控制增益的稳定性区域不相同,进一步给出了使三车体磁悬浮列车系统保持稳定运动状态的控制增益与系统所能承受的最大悬浮干扰间的变化规律．

隧道弹性支承块式无砟轨道水沟偏移影响分析

研究目的:弹性支承块式无砟轨道由于其良好的减振降噪效果,在隧道和城市轨道交通中得到广泛应用。隧道内为方便排水,一般在线路中心线的仰拱处设排水沟。因施工误差等因素,客货共线隧道内的弹性支承块式无砟轨道的水沟中线与线路中线可能存在较大的偏移,特定条件下偏移会导致盖板破坏及道床板底部分脱空,影响行车安全。本文通过分析水沟偏移对钢轨位移及盖板应力等静力特性的影响,以及道床板脱空对车体加速度、轮重减载率及轨道结构动态响应等动力特性的影响,提出脱空控制指标,为隧道内弹性支承块式无砟轨道道床板底脱空的养护维修提供理论依据。研究结论:(1)水沟偏移对弹性支承块式轨道结构静力特性的影响有限,当支承块悬空25 cm时,盖板最大应力仅为0.25 MPa;(2)道床板板端脱空长度未超过0.55 m时,脱空对车体加速度、轮轨力以及轮重减载率基本无影响;(3)道床板板端脱空长度超过0.55 m时,车体加速度、轮轨力以及轮重减载率显著增大,可能会危及行车舒适性和安全性,建议盖板偏移致板底脱空长度控制在0.55 m以内;(4)该研究成果可为隧道内弹性支承块式无砟轨道养护维修提供理论参考。

基于Kalman滤波的弹性轨道上磁悬浮车辆控制方法

为研究弹性轨道上磁悬浮列车的车轨耦合振动问题,以单磁铁-弹性轨道梁系统为对象,搭建单磁铁悬浮系统的车轨耦合振动数学模型,利用Kalman滤波器的状态估计功能,设计出2种状态反馈控制器,对比分析2种控制策略下悬浮系统的稳定特性。基于MATLAB/RTW及dSPACE系统搭建弹性梁磁悬浮实时控制试验台,验证考虑轨道弹性的控制策略的有效性。研究结果表明:若不计轨道梁的阻尼作用,不考虑轨道弹性的控制策略无法实现对磁悬浮系统的稳定控制,但在给定轨道梁阻尼的前提下,提高轨道梁刚度也可以使得系统稳定;考虑轨道弹性的控制方法,即使不计轨道梁的阻尼,也能够使系统在较低刚度的轨道梁上稳定悬浮。

六轴机车在弹性结构轨道上耦合动力学模型

针对六轴机车的动力学性能,建立了较为详细的机车在弹性结构轨道上运行时的空间耦合动力学模型。对于机车子模型,假设车体、转向架和轮对均为刚体,各部分通过两系悬挂连接起来,形成一个多自由度质量-弹簧-阻尼系统,每个刚体均具有5个自由度,整个机车模型共有45个自由度。对于轨道模型,左右两股钢轨均视为连续弹性离散点支承基础上的无限长Euler梁,并考虑钢轨的垂向、横向及扭转振动;轨枕视为刚性体,并考虑轨枕的垂向、横向及转动;道床离散为刚性质量块,只考虑道床垂向振动。而对于轮轨关系模型,采用了先进的空间耦合关系模型。最后结合工程实际,给出了SS7E电力机车在弹性结构轨道上的运动稳定性仿真应用实例。

弹性支承块式无碴轨道振动分析新模型

针对弹性支承块式无碴轨道结构特点,提出了一种新的用于竖向振动分析的有限元模型。在该模型中,钢轨模拟为弹性点支承Euler梁;钢轨下面的支承块视为刚体;轨道板视为弹性薄板,并且采用横向有限条与板段单元法对其进行位移插值;钢轨扣件模拟为线性弹簧和阻尼器;轨道板和混凝土底座下的路基模拟为连续分布面弹簧和阻尼器。在此基础上,基于弹性系统动力学总势能不变值原理和形成系统矩阵的"对号入座"法则,推导了弹性支承块式无碴轨道的竖向振动总势能,为建立弹性支承块式无碴轨道竖向振动方程,乃至进行弹性支承块式无碴轨道在高速列车作用下的动力响应分析奠定了良好基础。

高速铁路新型大调整量弹性长枕式无砟轨道结构研究

针对复杂艰险山区隧道内无砟轨道调整量小、基础变形病害整治难度大的问题,提出一种高度可调、主动适应基础变形的新型弹性长枕式无砟轨道。该轨道调高系统由“扣件+承轨台+枕下垫板”组成,可实现垂向-106~46 mm的调整量,适用于隧道基础变形过大地段。通过建立新型弹性长枕式无砟轨道力学模型,分析该轨道结构在不同调高状态下的受力与变形。结果表明:为满足轨道结构调高的要求,并兼具减振降噪,建议新型弹性长枕式无砟轨道的橡胶套靴弹性模量取9 MPa;该新型弹性长枕式无砟轨道在不同调高状态下钢轨位移及各部件受力均小于其限值。

重载铁路弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力计算分析

弹性支承块式无砟轨道结构整体弹性较好,有利于降低轮轨相互作用力并减缓对隧道基底的振动冲击,是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。但弹性支承块式无砟轨道采用两个独立的弹性块体支承钢轨,其保持轨道几何状态,尤其是保持轨距的能力相对较弱。本文通过有限元模型计算,结合室内相关试验结果,研究分析了重载条件下弹性支承块式无砟轨道轨距保持能力的影响因素。结果表明:增大支承块的长度、宽度以及埋深,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;当支承块埋深不变时,增大支承块高度对轨距扩大、钢轨转角及支承块转角的控制不利;增大支承块套靴侧向刚度,可减小支承块横向间距扩大、轨距扩大、钢轨转角和支承块转角;增大轨下垫板刚度和支承块下垫板刚度,轨距扩大不断减小,但轨下垫板刚度的增加主要是降低钢轨转角,对支承块的几何状态影响不大,而支承块下垫板刚度的增加主要是降低支承块横向间距扩大,对钢轨转角的影响较小。

重载列车下弹性支承块式无砟轨道静载试验

研究目的:弹性支承块式无砟轨道是重载铁路长大隧道内较为适宜的轨道结构形式。夺文以中南部通道隧道内弹性支承块式无砟轨道为研究对象,通过开展足尺模型静载试验,研究单个支承块在道床板板端竖向荷载(工况一)、板端横竖向荷载(工况二)、板中竖向荷载(工况三)作用下的受力性能及轨道结构裂缝发展趋势。研究结论:(1)以30 t轴重列车静荷载作为参考,工况一道床板和支承块混凝土分别在3. 3、3. 1倍静轮载时达到轴心抗拉强度,工况二道床板和支承块混凝土分别在3. 0、3. 1倍静轮载时达到轴心抗拉强度,工况三道床板和支承块混凝土分别在4.9、2. 9倍静轮载时达到轴心抗拉强度;(2)工况一道床板裂缝出现于支承块角点位置及支承块长侧边中线位置,并扩展至道床板短侧面,角点处裂缝延伸扩展呈"八"字型,工况三道床板未见明显开裂;(3)列车横向荷载导致支承块角点位置道床板混凝土受力增加;(4)本研究成果对于弹性支承块式无砟轨道的设计、施工及维护具有重要的指导意义。

地震下弹性调谐轨道机柜隔震装置的设计与应用研究

为避免通讯机柜系统在地震中遭受重大损害,根据通讯机柜的地震保护原则,利用摩擦摆耗能机理设计了用于浮放通讯机柜的弹性调谐轨道隔震装置。通过对该装置进行数学建模获得其运动方程和对应的滞回曲线,并选取典型的El Centro波、JMA神户波、人工波三种地震波信号,利用振型分解反应谱法对地震动实验台上该装置的地震动响应进行测试,并对监测得到的数据分析。结果表明:在不同地震波输入下,经隔震装置后的加速度响应值减小约96%左右,减震效果可达96%,能够保证特大地震下数据存储与传送设备机柜的安全。

时速200km客货共线铁路隧道内弹性支承块式无砟轨道适用性研究

弹性支承块式无砟轨道结构综合性能良好,在我国客货共线铁路隧道内已有一定规模的应用,但由于其采用两个独立的弹性块体支承钢轨,保持轨距的能力相对较弱,目前仅在我国时速160 km及以下线路中铺设。本文在对国内相关标准所规定限值进行总结的基础上,结合理论计算及现场实车试验成果,重点研究了新研发的弹性支承块式无砟轨道的轨距保持能力。结果表明,新型弹性支承块式无砟轨道结构在不同列车运行工况下,轨距动态变化量均能满足相应限值的要求,可适用于时速200 km客货共线铁路运营条件。

弹性支撑块式无砟轨道力学特性研究

研究目的:由于隧道内净空的限制,重载铁路长大隧道内宜铺设无砟轨道,弹性支撑块式无砟轨道(LVT)以其良好的减振性能逐渐在重载铁路中得到应用。为研究不同轴重和加载方式下LVT结构的应力应变特性,本文以蒙华铁路重载铁路隧道应用的LVT为例,通过建立LVT结构有限元模型,以探讨LVT结构的受力与变形特征,为LVT轨道结构的优化以及设计施工提供理论依据。研究结论:(1) LVT结构能够保证30 t轴重下静力学性能安全性,当轴重由30 t提高至42 t,钢轨弯矩、轨道结构部件应力及位移幅值增长量在40%左右;横向荷载对轨道结构横向位移及应力的影响显著,板端加载时道床板及底座板应力增量分别为284%、1 000%;(2)横向荷载作用下,除支承块横向应力下降,钢轨弯矩、支承块纵向应力、道床板应力、底座板应力均呈现增长趋势,其中道床板及底座板应力分别增长400%、530%;(3)板端加载时荷载由相邻扣件共同承担,扣件节点反力峰值有所下降,荷载作用点下竖向荷载分配比例由2∶1降低至4∶1,横向荷载分配比例由67%降低至47%;(4)本研究结果对重载铁路中LVT轨道结构的设计和施工有指导意义。

弹性支承块式无砟轨道结构参数动力学优化设计

建立车辆-弹性支承块式无砟轨道耦合动力学模型。模拟落轴试验荷载条件,分析轨下刚度与块下刚度的匹配关系,得出轨下刚度与块下刚度的合理取值范围。在轨道刚度确定的前提下,提出不同运营条件下满足动态轨距扩大限值的弹性支承块式无砟轨道合理结构参数。评估不同半径曲线上铺设弹性支承块式无砟轨道时重载货车和快速客车的运行安全性和舒适性。研究隧道内弹性支承块式无砟轨道与隧道外有砟轨道过渡段动力学问题,结果表明:将有砟轨道向隧道内延伸一定长度可明显改善连接处轨枕的受力状况,同时使支承块免受雨水侵蚀。延伸段长度以10～20 m为宜。

弹性长枕无砟轨道长枕稳定性研究

建立了弹性长枕无砟轨道结构的有限元模型,分析了长枕埋深、橡胶套靴及微孔橡胶垫板的刚度变化对弹性长枕的竖向位移、横向位移及自振频率的影响。结果表明:弹性长枕埋深的变化对长枕竖向、横向位移的影响不明显。橡胶套靴、微孔橡胶垫板的刚度变化对长枕横向位移影响不明显,而对竖向位移影响较大。长枕埋深的变化,使得长枕低阶频率较高阶频率敏感;长枕周向支承刚度的变化,使得长枕高阶频率较低阶频率敏感;长枕竖向支承刚度的变化对长枕自振频率影响不明显。