轨下扣件支承失效对轨道结构动力性能的影响

通过建立连续弹性离散点支承上Timoshenko梁的钢轨模型,运用车辆-轨道耦合动力学理论,模拟计算了室内模型轨道轨下支承失效状态下轮轨系统动力响应,分析了列车运行速度与扣件失效数量对轨道结构动力性能的影响,并进行了时域与频域内的试验分析与验证.结果表明:轨下扣件失效破坏了轨道结构支承的连续性,轮轨间相互作用增强,并随其失效数量的增加与列车运行速度的提高而显著增大;同时,扣件支承失效将影响其前后毗邻的正常轨道结构的动态特性,形成较长范围内线路不平顺,影响车辆运行平稳性与乘坐舒适度.钢轨频响函数测试表明,由于扣件支承失效改变了该区段轨枕间距与轨下支承刚度,削弱了道床对线路所提供的阻尼,轨道结构的动力性能也产生了显著变化.     

考虑轨道伤损的列车-无砟轨道-桥梁系统动力特性

为探讨桥上无砟轨道损伤对列车-轨道-桥梁系统动力响应的影响规律,基于车辆-轨道-桥梁耦合动力学原理,基于ANSYS+SIMPACK联合仿真,建立了考虑墩台纵向支座刚度、轨道结构及层间接触特性的双线32m简支箱梁桥CRTSⅢ型无砟轨道空间动力学模型。研究了时速200km列车通过条件下,扣件伤损及轨道板和底座板间离缝对车桥系统动力响应的影响规律。研究表明:单个扣件失效对轨道动力响应影响有限,0.07m板缝处轮轨竖向力骤变显著,钢轨竖向位移和钢轨节点反力增大明显;扣件连续失效对系统整体影响更大,其中相邻且对侧扣件失效影响最大;自密实混凝土沿轨道板横向完全脱空后,纵向离缝长度越大,对系统动力响应的影响也越大;相邻轨道板端部自密实混凝土都沿横向完全脱空对系统动力响应影响最大,轨道结构与桥梁结构的垂向加速度、竖向位移均增幅最大,增势最快;离缝长度1.2m,轮重减载率接近限值,继续增加至1.6m时,列车将脱轨;轨道板和桥梁的竖向振动随着离缝长度的增大显著增大,振动骤增会对轨道以及桥梁的耐久性产生不利影响,建议离缝长度检修限值可设为1.2m,并应重点关注轨道板端部自密实混凝土界面脱空情况。     

横向固定谐振荷载下曲线轨道参数对钢轨位移响应的影响研究

建立曲线轨道解析模型,此轨道模型考虑为具有周期性离散弹簧-阻尼支承的曲线Timoshenko梁。在频域内将曲线钢轨的位移及转角表达为轨道模态的叠加,并将周期性结构理论施加于轨道模型的运动方程,进而在一个基本单元内高效地求解轨道的动力响应。将横向固定谐振荷载作用于钢轨轨头,考虑不同扣件刚度、扣件阻尼、扣件间距及曲线半径,研究上述轨道参数对曲线轨道位移响应的影响。经计算分析可知:钢轨轨头的横向位移响应包括平面内和平面外的位移响应,是钢轨平移和扭转效应的叠加;增加扣件刚度或减小扣件间距可导致轨道系统一阶自振的频率增大,而其幅值减小,对于一阶自振频率以下的频段,钢轨位移幅值也有所减小;随着扣件阻尼的增大,一阶自振的幅值显著下降,对于pinned-pinned共振,随着扣件阻尼的增加,跨中处的钢轨位移增大,而扣件上方的位移有所减小;pinned-pinned共振频率随着扣件间距的增大而减小,而其位移幅值增大;对于曲线地铁轨道,曲线半径对钢轨的横向位移基本没有影响,但对竖向位移影响显著,随着曲线半径的增加,钢轨竖向位移幅值显著下降。     

基于ANSYS二次开发的轮轨耦合模型及应用研究

基于ANSYS的二次开发技术,首先利用APDL语言提出一种具有广泛适用性的轮轨耦合相互作用计算方 法。在该计算方法中,车辆部分基于多体动力学理论建模,并通过APDL语言编程到ANSYS中,再根据有限元理论对 轨道部分进行仿真,充分考虑轮轨非线性接触,车辆系统和轨道系统分别采用显式积分和隐式积分求解。然后,通过 与文献中采用交叉迭代算法计算得到的车辆-轨道垂向耦合系统动力响应对比,验证模型和计算方法的正确性。最后, 以高速列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道为例,利用该方法分析扣件失效数量对耦合系统动力响应的影响。研究结果表 明：单个扣件失效对车辆系统的动力响应影响有限,对于钢轨的动力响应影响较大;扣件失效数量的增加会显著增大 车轨系统的动力响应,加剧轮轨的磨耗和相邻钢轨扣件的失效。提出的计算方法可以对不同型式的轨道结构和轨下 基础进行分析,对于轮轨耦合动力特性的研究具有很好的适用性。     

基于ANSYS二次开发的轮轨耦合模型及应用研究

基于ANSYS的二次开发技术,首先利用APDL语言提出一种具有广泛适用性的轮轨耦合相互作用计算方 法。在该计算方法中,车辆部分基于多体动力学理论建模,并通过APDL语言编程到ANSYS中,再根据有限元理论对 轨道部分进行仿真,充分考虑轮轨非线性接触,车辆系统和轨道系统分别采用显式积分和隐式积分求解。然后,通过 与文献中采用交叉迭代算法计算得到的车辆-轨道垂向耦合系统动力响应对比,验证模型和计算方法的正确性。最后, 以高速列车-CRTSⅡ型板式无砟轨道为例,利用该方法分析扣件失效数量对耦合系统动力响应的影响。研究结果表 明：单个扣件失效对车辆系统的动力响应影响有限,对于钢轨的动力响应影响较大;扣件失效数量的增加会显著增大 车轨系统的动力响应,加剧轮轨的磨耗和相邻钢轨扣件的失效。提出的计算方法可以对不同型式的轨道结构和轨下 基础进行分析,对于轮轨耦合动力特性的研究具有很好的适用性。     

轨道支撑失效对钢弹簧浮置板动力响应特性的影响

基于ANSYS软件建立钢弹簧浮置板轨道三维有限元分析模型,研究扣件和隔振器失效对地铁轨道交通列车—钢弹簧浮置板系统的动力响应影响。研究表明:当列车行驶在扣件和隔振器失效的钢弹簧浮置板轨道上,钢轨垂向位移、加速度和临近扣件支点反力变化显著,且随着失效扣件和隔振器数目增加变化越明显;失效扣件和隔振器的中心在浮置板端部比其在浮置板中部的影响大。     

移动荷载作用下离散支承曲线轨道梁振动特性研究#br#

将钢轨视为Euler 曲梁,将钢轨扣件视为弹簧-阻尼器单元,利用振型叠加法和龙格-库塔数值方法计算得到移动荷载作用下整体式曲线轨道的响应特征。研究表明,在现有列车速度下,竖向挠度随着列车速度的增加而增加,增加幅度与曲线半径有关。扭转位移随列车速度增加降至零后基本不变,径向挠度则先降为零后快速增大,存在一个理想车速。当曲线半径小于轨道最小半径要求时,增加曲线半径可以减少曲梁挠度的大小,当满足最小半径后,继续增大曲线半径反而会增大扭转位移和径向挠度。超高角改变对曲梁的竖向挠度影响不大,但对径向挠度或扭转位移有重要影响,增加曲线半径可以减少径向挠度为零时对应的超高角值。在列车速度一定时,合理匹配曲线半径和超高角可以达到减少曲线轨道振动响应的目的。     

不同减振扣件的轨道结构横向振动测试与分析

轨道结构的固有特性不因车辆系统及列车运营状态的变化而变化,可通过轨道的振动动态频响测试来辨识系统的传递特性和特征参数。基于国内某地铁正常运行的350 m小半径曲线线路,测试双层非线性减振扣件、III型轨道减振器扣件及DTVI2减振扣件等3种轨道结构线路在正常列车运营条件下钢轨动态振动响应及对应线路钢轨波磨水平,得到频率大于400 Hz时III型轨道减振器扣件及双层非线性扣件的钢轨横向振动大于垂向振动。结合线路钢轨波浪磨耗的特征,在车速65 km/h下中等减振扣件(双层非线性扣件与III型轨道减振器扣件)钢轨波磨多集中在50mm～80 mm短波长,分析得到III型轨道减振器扣件及双层非线性扣件的钢轨横向动态振动频响峰值与其钢轨波浪磨耗激励的200 Hz～400 Hz频率范围基本吻合,初步得到区段钢轨波磨形成和发展的影响因素。同时,采用锤击方法对比3种扣件轨道结构型式下轨道的振动衰减率及阻尼特性,综合结果发现双层非线性减振扣件相对于其他两种扣件轨道结构型式特别在400 Hz～630 Hz频段范围对钢轨的横向振动有较好的抑制作用。     

突变阵风对列车动力响应及行车安全性的影响

突变阵风因风速在短时内发生瞬时变化容易对高速列车的行车安全性造成威胁。根据一维多变量非平稳随机过程理论，模拟了空间相关的时变阵风脉动风速场。采用多体动力学软件SIMPACK和有限元分析软件ANSYS，建立了42自由度的刚性列车与柔性轨道-桥梁相互作用的刚柔耦合模型，考虑横风向时变阵风的影响，基于刚柔耦合法形成了较为完善的风-列车-轨道-桥梁耦合动力学分析系统。以大跨度拱桥为工程背景，分析了时变阵风在不同车速和风速下对列车和桥梁动力响应特性及行车安全性的影响。结果表明：阵风对桥梁和车辆的动力响应具有重要的影响；在相同条件下考虑阵风影响时，主跨跨中横向位移增幅达到了200%，车辆的轮重减载率、脱轨系数相比于不考虑阵风时增大近30%；在风速大于25 m/s，车速大于80 km/h，轮重减载率将超过安全限值，表明车辆可能发生脱轨。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

随机不平顺激励下地铁整体道床式轨道振动特性研究

对地铁钢轨振动特性和支座反力的探究是研究地铁引起环境振动的关键。为研究整体道床式轨道的振动特性,基于二维车辆–轨道耦合动力学数值分析法和三维有限元法对不同车速、不同轨道不平顺激励工况下的钢轨垂向振动加速度、振动速度、钢轨位移、支座反力和时域轮轨力进行仿真计算。结果表明：车速一定时,由同种方法计算得到的不同轨道不平顺激励下钢轨最大的垂向位移、支座反力在数值上的差异在5 %以内;同种轨道不平顺谱激励下,钢轨最大的垂向振动加速度、振动速度、垂向位移、支座反力以及时域轮轨力波动范围随车速增大而增大;在钢轨最大垂向振动速度、垂向位移和支座反力方面,基于二维数值分析模型的计算结果大于三维有限元模型的计算结果。根据两种方法计算所得的最大支座反力分别占单个车轮静载的40.46 %和37.44 %;同一车速工况下,钢轨最大的垂向振动加速度、垂向速度、垂向位移、最大支座反力以及时域轮轨力的最大变化范围均在美国五级谱激励条件下取得。     

扣件弹性垫层劣化对高速列车-道岔系统动力特性的影响

随着高速铁路运营时长的增加，道岔区扣件弹性垫层会发生劣化，对列车过岔的动力学性能产生不利影响。为研究扣件弹性垫层劣化对高速列车道岔系统动力特性的影响，考虑道岔区钢轨的柔性变形，以高速铁路18号无砟道岔为研究对象，建立车辆-道岔刚柔耦合动力学模型，通过时域和频域分析，研究扣件弹性垫层劣化位置、劣化程度、劣化个数及行车速度对列车道岔系统动力特性的影响。研究结果表明：扣件弹性垫层劣化位置影响较大，其中尖轨顶宽40 mm处为扣件弹性垫层劣化的最不利位置；随劣化程度的增加，车岔系统各动力学指标呈增大趋势，其中垂向指标影响更为显著；扣件弹性垫层劣化个数的增加对尖轨尖端的横向动力学指标产生不利影响，9组扣件连续劣化时横向力较1组扣件弹性垫层劣化时增大21.3%;当车辆以250 km/h速度过岔时，扣件弹性垫层劣化对列车道岔系统动力特性的影响最为显著。轴箱振动加速度对扣件弹性垫层劣化较敏感，可在一定程度上反映扣件弹性垫层的劣化。研究成果可为道岔区刚度优化和养护维修提供一定的理论指导。     

钢弹簧损伤对地铁列车-浮置板轨道振动性能的影响

为研究钢弹簧损伤对地铁浮置板轨道及列车振动的影响,基于结构动力学理论建立了钢弹簧损伤情况下地铁列车-浮置板轨道-衬砌-地基的二维整体分析模型。采用模态分析法和Newmark-β法求解车轨系统的动力响应,研究钢弹簧损伤数量、损伤程度、损伤位置及列车速度对车轨振动性能的影响。研究结果表明:钢弹簧损伤会加剧车轨系统的振动响应,且振动幅值随着钢弹簧损伤数量和损伤程度的增加而显著增大;钢弹簧损伤的分布位置对车轨振动影响显著,在相同钢弹簧损伤数量下,损伤位于同一块浮置板板端对车轨振动幅值的影响最大;在钢弹簧损伤情况下,车轨系统的各项竖向加速度随列车速度的增加而显著增大,竖向轮轨接触力及轨道竖向位移幅值则基本不受影响。钢弹簧损伤对乘客舒适度、钢轨使用寿命、周边环境振动都有不利影响,可利用车体竖向加速度、衬砌竖向加速度等敏感指标进行排查和更换,以免造成更严重的后果。     

地铁线路钢轨波磨安全限值研究

地铁线路钢轨波磨会恶化轮轨接触关系,引起轮轨冲击,降低车辆和轨道部件的使用寿命,影响车辆运行安全,大大增加维修工作量和运营成本。钢轨打磨可有效控制波磨,而确定钢轨波磨安全限值并制定打磨策略是实施钢轨打磨的关键步骤。建立一种地铁车辆—轨道耦合动力学计算模型,详细调查地铁钢轨波磨对车辆运行安全性的影响。基于车辆—轨道耦合动力学仿真计算和地铁车辆的运行安全评价指标,初步确定时速80 km/h地铁线路的钢轨波磨的安全控制限值。结果可为地铁线路的钢轨校正性打磨提供理论参考。     

曲线轨道参数对钢轨振动衰减率的影响研究

建立曲线轨道解析模型,研究扣件刚度、扣件阻尼、扣件间距以及曲线轨道半径对钢轨振动衰减率的影响规律。轨道模型考虑为具有周期性离散支承的曲线Timoshenko梁,在频域内,将曲线钢轨的位移及转角表达为轨道模态的叠加,进而求解固定谐振荷载作用下曲线轨道的平面内和平面外动力响应。由于此轨道模型为无限周期性结构,将周期性结构理论应用于轨道模型的运动方程,可以在一个基本元内高效地求解轨道的动力响应。利用此模型计算固定谐振荷载作用下曲线钢轨的速度频响函数,据此计算钢轨的振动衰减率。经计算分析可知:在2 000 Hz以内,扣件刚度对钢轨振动衰减率有一定的影响,随着扣件刚度的增加,钢轨振动衰减率增大;对于100 Hz以上频段,扣件阻尼对钢轨振动衰减率有非常显著的影响,增加扣件阻尼可以显著提高钢轨振动衰减率;如果考虑全频段的钢轨振动衰减率,0.6 m扣件间距要优于0.4 m和0.8 m扣件间距;对于铁路轨道或城市轨道交通的轨道,曲线轨道半径变化对钢轨振动衰减率没有影响。     

移动简谐荷载下曲线整体式轨道振动特性研究

随着城市轨道交通曲线段线路增多，曲线轨道的环境振动问题逐渐引发社会关注。以曲线整体式轨道为例，利用双重傅里叶变换和围道积分推导移动简谐荷载下曲线轨道的挠度响应解答，研究曲线轨道的频散特性及空间振动特性。研究表明，曲线轨道的自振频率与频散曲线的最小频率接近，约等于单自由度质量-弹簧系统的自振频率计算值。当扣件阻尼为欠阻尼时，轨道挠度随荷载频率升高先增大后减少，最大值在自振频率位置，当扣件阻尼过大时，轨道挠度随频率升高不断减少。在满足曲线轨道最小曲线半径的要求下，列车速度对曲线轨道竖向挠度的影响很小，径向挠度则随列车速度的增加先减小后增大，存在一个理想车速使得径向挠度为零。增加曲线半径对竖向挠度无影响，但会引起原理想车速范围内径向挠度增大和最大扭转角值减少，增加超高角对竖向挠度也无影响但可以有效减少径向挠度。研究对于曲线轨道的减振设计具有一定的参考价值。     

交通荷载下管道疲劳寿命的模糊可靠度方法

以京张高铁跨越某燃气管涵为例,建立混凝土防护刚构-土体-燃气管涵三维动力有限元模型,将三维车辆-轨道刚柔耦合动力学模型计算得到的列车荷载施加到三维动力有限元模型中,分析燃气管涵结构的动力响应特性;预测京张高铁通车后对现有燃气管涵的振动影响。计算结果表明：燃气管涵振动速度和加速度响应主要集中在0 Hz~10 Hz的低频段,燃气管涵的最大动力响应点的速度峰值仍然小于《建筑工程容许振动标准》中规定的速度最大值限值。随着车速增大,管涵的速度及加速度时域响应明显增大。京张高铁运营后设计时速列车荷载的动力作用不会对混凝土刚构结构下的燃气管涵产生显著的不利影响。     

扣件刚度频变特性对轮轨振动噪声的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论和声学理论,建立了考虑扣件刚度频变特性的轮轨滚动噪声频域分析模型。模型中,通过车轮有限元分析获得其模态特征向量,建立考虑车轮弹性的动力学方程;钢轨视为由刚度随频率变化的扣件离散支承的铁摩辛柯梁模型;通过等效线性化轮轨接触形成轮轨耦合动力学频域分析模型;将轨道粗糙度作为输入并考虑接触区滤波,计算得到了车轮和钢轨的振动响应频谱及声辐射功率频谱,并分析了扣件刚度频变特性对轮轨垂向振动以及轮轨滚动噪声的影响。结果表明,扣件刚度的频变特性对钢轨导纳特性、轮轨相互作用力频谱、钢轨总声功率影响明显,而对车轮总声功率影响较小;与扣件常刚度模型计算结果相比,钢轨振动沿纵向传播的衰减率增大,钢轨声辐射功率在100~1 250 Hz频段明显减小,轮轨总辐射声功率约减小2.4 dBA,轮轨噪声辐射声压预测值与试验结果对比表明,频变刚度模型可有效修正常刚度系数模型对轮轨噪声的过高估计。     

高铁列车运行作用下燃气管涵结构动力响应分析

以京张高铁跨越某燃气管涵为例,建立混凝土防护刚构-土体-燃气管涵三维动力有限元模型,将三维车辆-轨道刚柔耦合动力学模型计算得到的列车荷载施加到三维动力有限元模型中,分析燃气管涵结构的动力响应特性;预测京张高铁通车后对现有燃气管涵的振动影响。计算结果表明:燃气管涵振动速度和加速度响应主要集中在0 Hz～10 Hz的低频段,燃气管涵的最大动力响应点的速度峰值仍然小于《建筑工程容许振动标准》中规定的速度最大值限值。随着车速增大,管涵的速度及加速度时域响应明显增大。京张高铁运营后设计时速列车荷载的动力作用不会对混凝土刚构结构下的燃气管涵产生显著的不利影响。     

地铁轮轨耦合不平顺激励对轨道振动影响分析

轮轨动态输入激励直接影响车辆-轨道耦合模型的计算结果.目前在地铁列车环境振动振源研究中,大多只考虑了轨道不平顺的激励而忽略了车轮不圆顺的影响.为了构建地铁轮轨耦合不平顺激励、综合分析轨道不平顺以及车轮、钢轨的磨耗状态对轨道动力响应的影响,对一列地铁列车进行了车轮不圆顺的现场测试,同时对一段区间隧道内的轨道不平顺和钢轨粗...