轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析

为研究轨枕空吊对有砟道床动力特性的影响,建立有砟轨道的离散元分析模型。通过缩小与枕底相接触的道砟颗粒的粒径实现了轨枕空吊的模拟,研究了轨枕空吊状态下有砟道床的动力响应,分析了轨枕空吊形式和空吊数量对有砟道床动力响应的影响。结果表明:轨枕空吊会使得道床中道砟颗粒接触力发生重分布,空吊轨枕所在道砟箱中强力键的个数会减少,两侧相邻道砟箱中强力键的个数会增多,轨枕非完全空吊时在列车荷载作用下会对道床产生冲击作用而增大部分道砟颗粒受力;空吊轨枕会失去对其下方道砟颗粒的约束作用而导致道砟颗粒振动的离散性增加,同时会增大轨枕盒中道砟颗粒的振动并显著提高两侧相邻轨枕下方道砟颗粒的振动水平;轨枕空吊会增大轨枕侧面与道砟颗粒之间的摩擦耗能,引起道砟出现"泛白"现象,同时还会增大两侧相邻轨枕下方道砟颗粒之间的摩擦耗能;3根轨枕连续完全空吊对道床动力响应的影响大于1根轨枕完全空吊的影响。     

客货共线无砟轨道轮轨力统计特征研究

客货共线无砟轨道,相较于客运专线,货车轴重的增加势必造成列车荷载的增大,而轨道结构直接承受列车荷载的作用,因而有必要对客货共线无砟轨道轮轨力荷载的统计特征做进一步研究。该文以客货共线CRTS I型板式无砟轨道为研究对象,选取遂渝线蔡家车站和渝怀线鱼嘴2号隧道两个测点,应用IMC动态数据采集系统测取过往客、货车垂向轮轨力。运用轮轨系统耦合动力学理论建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型,计算不同车速和不同轨道不平顺激励下客、货车轮轨力,结合实测数据,分析客货共线无砟轨道轮轨力的统计特征,得出以下结论：客货共线无砟轨道轮轨力呈近似正态分布,95%以上客车轮轨力分布于45 kN~90 kN,95%以上货车轮轨力分布于100 kN~150 kN,与实测所得数据基本吻合;客货车轮轨力概率密度曲线随车速和不平顺幅值的增大而逐渐变得“矮胖”,轮轨力分布范围随车速增大和线路状况劣化而逐渐增大,且线路状况对轮轨力分布的影响远大于车速;以1.5倍静轮重和轮轨力最大峰值为控制指标,建议客货共线无砟轨道客车车速控制在180 km/h以下,货车车速控制在100 km/h以下。     

基于高速铁路路基冻胀的轮轨动力响应研究

季节性冻土区高速铁路无砟轨道路基冻胀,影响了列车运行的安全性、舒适性以及无砟轨道主体结构的服役性能。为研究路基冻胀和高速行车荷载组合效应下的轮轨动力响应,建立了车辆-轨道-路基冻胀耦合动力学模型,对路基不同冻胀幅值、冻胀位置和行车速度下CRTSⅠ型板式无砟轨道轮轨动力响应及轨道结构受力进行分析。结果表明:冻胀发生区段轮轨动力响应增大,列车以350 km/h运行时的安全性和舒适性满足冻胀管理标准要求,但轮轨力随冻胀幅值和速度的增加而增大;轨道板和底座板振动加剧,在计算冻胀波长和幅值范围内,离缝处轨道板振动加速度峰值超过动态验收标准要求,容易引起离缝处CA砂浆层及路基基床表层伤损破坏,且轨道板、底座板振动加速度随行车速度增加而增大;轨道结构动应力和列车荷载传递关系密切,路基冻胀状态下列车荷载引起轨道板和底座板处于交替和交变的拉压受力状态,需要在设计中提出控制裂纹的措施,行车速度对短波冻胀时轨道结构受力影响较小。     

有砟轨道动力性能分析的频域方法

建立有砟轨道的三层连续弹性支承模型,推导钢轨、轨枕和道床的运动方程,并在频域内求得简谐激励下的稳态响应。再引入轮轨相互作用频域模型,并借助动柔度法计算轮轨力。在此基础上,采用MATLAB平台自编程序,实现轨道不平顺激励下的频域分析。在案例分析中,综合考虑轮轨力、力传递率、轨道各部件的振动等指标,对弹性扣件、枕下弹性垫板、复合轨枕、道砟垫以及它们的组合等多种减振措施进行对比。结果表明:减振措施使得系统的固有频率发生改变,进而导致各指标在不同频率范围出现复杂的变化规律;相比于弹性扣件,枕下弹性垫板和道砟垫表现出更好的综合效果,而复合轨枕的减振效果有限。     

有砟轨道动力性能分析的频域方法

建立有砟轨道的三层连续弹性支承模型,推导了钢轨、轨枕和道床的运动方程,并在频域内求得简谐激励下的稳态响应。再引入轮轨相互作用频域模型,并借助动柔度法计算轮轨力。在此基础上,采用MATLAB平台自编程序,实现轨道不平顺激励下的频域分析。在案例分析中,综合考虑轮轨力、力传递率、轨道各部件的振动等指标,对弹性扣件、枕下弹性垫板、复合轨枕、道砟垫以及它们的组合等多种减振措施进行对比。结果表明：减振措施使得系统的固有频率发生改变,进而导致各指标在不同频率范围出现复杂的变化规律;相比于弹性扣件,枕下弹性垫板和道砟垫表现出更好的综合效果,而复合轨枕的减振效果有限。     

不平顺条件下高速铁路轨道振动的解析研究

为了分析不平顺条件下高速铁路轨道结构振动,推导了移动车辆在轮对处和轨道结构在轮轨接触点处的柔度矩阵,考虑移动轴荷载和轨道不平顺,建立了移动车辆-轨道垂向耦合振动的解析模型.模型中,移动车辆考虑为弹簧和阻尼器连接的多刚体系统;有碴轨道结构模拟为连续弹性3层梁;轮轨间考虑为线性赫兹接触.算例分析了单台TGV高速动车引起的有碴轨道结构振动,得到轨道不平顺引起的动态轮轨力和轨道各部分的最大振动加速度,研究了列车速度、轨道不平顺以及轨下垫板及扣件、道床和路基等轨下基础刚度对轨道振动的影响.计算表明:随着列车速度和轨道不平顺的增加,轨道结构的振动响应不断增大;轨下基础刚度对轨枕和道床的振动影响较大,对钢轨振动的影响较小.     

基于2.5维有限元-边界元分析轨道随机不平顺影响下的铁路地基振动

建立了完善的2.5维有限元-边界元耦合模型分析移动谐荷载作用下钢轨、扣件、轨枕、道砟、路基和地基等各部分的振动响应;利用既有的车辆-轨道-路基-地基耦合系统垂向振动解析模型得到轨道谐波高低不平顺引起的垂向动态轮轨力;在此基础上,结合轨道随机不平顺功率谱密度,提出了列车运行引起的地基振动功率谱计算方法。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度级的理论计算与现场实测结果,证明了本文模型的合理性。模型能有效地分析具有复杂横截面形状的轨道-路基-地基系统的振动响应以及多种轨道、地基减振隔振措施的影响,且具有较高的计算效率,适用于铁路线路设计阶段的方案比较研究。     

高速铁路路基的动力响应分析方法

基于一致粘弹性人工边界建立了有砟轨道高速铁路在动荷载作用下的三维轨道路基有限元模型,模型考虑列车荷载、钢轨、轨枕、道床及路基的接触关系,采用移动轮载单元模拟列车通过时的动力作用。分析了四种机车车辆的一个轮对荷载引起的动应力在路基中的传播特性,包括路基面动应力与轴重、车速的关系,动应力沿路基纵向、横向及深度方向的变化。通过计算结果与秦沈客运专线综合试验实测结果的比较,验证了有限元分析的可靠性。三维一致粘弹性人工边界及单元的的成功应用,对缩小计算模型、缩短计算时间和提高计算精度提供了解决方案,有利于高速铁路尤其是无砟轨道路基动力特性的进一步研究。     

环境敏感区桥上有砟轨道铺设道砟垫的减振效果

为了给环境敏感区桥梁地段有砟轨道的减振设计提供理论依据,采用有限元方法建立了车辆—有砟轨道—桥梁空间耦合动力学模型。基于所建立的动力学模型,计算分析了铺设道砟垫对轨道结构和桥梁动力响应时频特性的影响,并对道砟垫的合理刚度进行探讨。计算结果表明:桥上有砟轨道采用道砟垫的减振效果明显,桥梁结构的动力响应显著减小,其中桥墩振动减小3~9 d B;铺设道砟垫不会加剧轮轨动力作用和影响行车安全,而且还有利于降低轨道结构的振动,其中以道床的振动减小最为显著;从保证减振效果、控制道床加速度以及道砟垫压缩量等角度综合考虑,建议道砟垫的合理面刚度取值为100~150 MPa/m。     

基于DEM-FDM耦合的普通铁路碎石道床-土质基床界面接触应力分析

引入离散元法（DEM）-有限差分法（FDM）耦合算法对普通铁路碎石道床-土质基床的界面应力进行分析。首先,基于激光扫描以及室内三轴试验,实现碎石道砟颗粒二维精细化离散元建模,并通过设置界面单元进行道砟与土两类不同介质层间速度与力的相互传递,实现离散元法与有限差分法耦合,建立了轨枕-碎石道床-连续土体耦合模型,并通过现场实测结果验证模型的合理性。在此基础上,计算列车通过时耦合模型中基床动应力分布特征,讨论轨枕-道床接触状态对其影响,并将计算结果与轨枕-道床-基床的整体有限元模型的计算结果进行对比。结果表明,轨枕-道床未完全密贴接触状态下,道床中力链呈离散型传递,反之,道床中力链呈向下扩散发展;两种接触状态下,基床表面应力分布差别显著,但是应力峰值接近。耦合模型得到的基床表面应力峰值显著高于有限元模型的计算结果;耦合模型中因道砟散体特性引起的基床表面局部应力集中,在路基中的影响深度约为道砟最大粒径（63 mm）的8倍,即近似基床表层深度。     

高速铁路桥上有砟-无砟轨道过渡段动力学研究

基于京沪高速铁路特大桥上的有砟轨道与CRTS II型板式无砟轨道之间的过渡段实例,建立了车辆-轨道耦合动力学有限元计算模型,通过不同结构处理措施对有砟-无砟轨道过渡段动力学特性的影响研究,研究表明：当有砟轨道轨下胶垫刚度为55～75MN/m,无砟轨道轨下胶垫刚度为20～30MN/m时,有砟轨道的整体刚度大于无砟轨道;当有砟轨道轨下胶垫刚度为55～75MN/m,无砟轨道轨下胶垫刚度为40～50MN/m时,无砟轨道整体刚度与有砟轨道大体相当;过渡段枕、宽枕等不宜在有砟轨道刚度大于无砟轨道时使用;采用道砟胶结后提高了道床的整体性及过渡段轨道结构的稳定性,但增加了轨道刚度,应同时降低轨下胶垫刚度,以减小轮轨力;辅助轨只是增加了轨道结构的稳定性,对轨道刚度影响较小。     

高速铁路有砟轨道冰雪飞溅试验研究

在严寒地区，由于动车组车体及轨旁设备积雪、融冰，列车速度在低于200 km/h的情况下也会发生冰雪飞溅现象，影响高速铁路运营安全。在我国某有砟高铁首次开展了冰雪条件下有砟轨道空气动力学及行车动力性能试验，主要结论有：行车安全性指标有较大的安全余量，但冰雪条件下有一定增长，增幅最高为155.1%;隧道口的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力较大；钢轨、轨枕及道床的垂向振动加速度均在安全限值内，但雪天增幅明显，最高为晴天的22.8倍；桥上轨道振动加速度较大，在冰雪风场作用下易发生道砟飞溅；道心、枕底及砟肩风压随车速增加而增大，在冰雪条件下有小幅度的提升，增幅最高为48.5%,导致道砟及冰雪颗粒更易飞起；隧道口道心风压远超其他测点，在风振耦合作用下最容易发生道砟飞溅。在晴天未观察到道砟飞溅，雪天则出现明显的积雪飞起。建议在隧道口等风振耦合效应明显的区段采取相应措施防止冰雪飞溅。     

有砟梯式轨枕轨道减振性能的理论分析与试验研究

为实验室铺设有砟、无砟两种梯式轨枕轨道,用自由落锤激励装置对两种梯轨减振性能进行对比研究。建立有砟梯轨、有砟普通轨道的数值模型,利用试验测试结果对模型进行验证。通过在模型中施加货运列车荷载对比两种有砟轨道减振性能。结果表明,有砟梯轨减振性能不及浮置式梯轨,在低频段有一定减振能力,20 Hz以下振动经道砟平均衰减25 dB,对控制重载货运列车环境振动具备潜在优势;梯式轨枕对分散列车冲击振动、降低时域内峰值有明显优势。     

考虑轨道弹性时机车轮对的纵向振动研究

在电机轴悬式机车-轨道垂向耦合动力学模型的基础上,考虑了机车的纵向运动自由度,通过对比牵引工况下考虑和不考虑轨道弹性时的轮轨作用力及轮对振动加速度,得到了轨道弹性变形对轮对轮轨切向力及其纵向振动的影响规律。研究结果表明,当轮轨界面无不平顺激扰时,考虑或忽略轨道结构的弹性对轮对牵引力的发挥及纵向振动影响不大;在不平顺激扰下,轨道结构参与轮轨间的耦合振动,由于轨道垂向的弹性及阻尼作用,轮轨垂向力特别是高频力得到缓冲及衰减,致使50Hz以上高频段的轮轨切向力及轮对纵向振动变的缓和,利于轮周牵引力的稳定发挥。总体上,分析模型中若不考虑轨道弹性会造成预测的轮轨切向力及轮对振动加速度偏大。     

列车荷载作用下有砟轨道轨面沉降与路基不均匀沉降间的相关关系

有砟轨道路基发生不均匀沉降时,在列车荷载作用下,轨面会产生相应的沉降,进而影响列车运行的安全性和舒适度。在已有室内试验研究的基础上,采用二维颗粒流方法建立钢轨、轨枕和道砟的离散元模型,分析了路基不均匀沉降及列车荷载变化对轨面沉降的影响。结果表明：在路基不均匀沉降的波长一定时,随着波幅的增大,轨面沉降的波幅先逐渐增大而后稳定,并最终引起轨枕空吊;而轨面沉降的波长基本不受路基沉降波幅变化的影响,并且可按路基沉降波长以25°向上扩散至轨面进行简化计算;轨枕未出现空吊时,轨面沉降波长受列车轴重、动荷载大小及频率变化的影响很小,轨面沉降波幅受动荷载频率变化的影响很小,但受动荷载大小和轴重变化的影响显著。     

墩台沉降对桥上纵连板式无砟轨道线路动力影响

基于耦合动力学理论,考虑纵连板式无砟轨道-桥梁系统各部件间非线性接触,建立高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维非线性有限元耦合动力学模型。运用建立的模型,研究高速列车在桥上纵连板式无砟轨道线路墩台不均匀沉降区段行驶时,墩台沉降对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统动力特性的影响。研究结果如下:①墩台不均匀沉降对高速列车、纵连板式无砟轨道各部件振动特性有很大影响,但对桥梁振动影响相对较小;②墩台不均匀沉降对最大垂向轮轨力、扣件最大压力影响较小,而对钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力影响较大;③墩台不均匀沉降对耦合系统振动特性及无砟轨道动应力特性的影响不是简单的单调线性增加,而与墩台不均匀沉降引起的无砟轨道各部件间、无砟轨道与桥梁间局部脱空有关。     

高速铁路路基模型列车振动荷载模拟

针对高速铁路轨道-路基实尺试验模型提出了列车振动荷载模拟装置,该装置由反力架、作动器及分配梁等组成。参照实尺模型,建立了轨道-路基三维有限元数值模型,以运行速度为350km/h的CRH380型动车组、CRTSⅡ型无砟轨道为研究对象,计算并分析了列车移动荷载加载和作动器加载时路基的竖向动应力和竖向动位移,结果表明采用作动器联动加载可较好地模拟列车动力荷载。为获得动力加载时程曲线,采用数值模型建立相邻车厢的两个相邻转向架经过轨道时扣件点反力时程曲线,结合分配梁体系的传力特性和MTS伺服加载试验机对输入时程曲线的要求,通过对扣件点反力时程曲线进行叠加和傅里叶变换得到了作动器的输入时程曲线。     

轨道随机不平顺影响下高速铁路地基动力分析模型

考虑轨道随机不平顺影响,建立了移动车辆-有砟轨道-路基-层状地基垂向耦合振动解析模型。模型中,将虚拟激励法和解析的波数-频率域法有效结合起来,直接由轨道不平顺的功率谱密度得到准确的动态轮轨力功率谱。将移动列车轴荷载和轨道随机不平顺引起的动态轮轨力考虑为傅里叶级数表示的谐波叠加形式,根据线性系统叠加原理,求得地基动力响应功率谱估计值与时程结果。利用在波数域内直接计算位移频谱、划分合适谐波区间等技术,显著提高了随机振动响应功率谱和时程的计算效率。对比分析了地基表面测点垂向振动加速度时程与频谱的理论计算与现场实测结果,证明了本文模型的合理性。     

道砟垫有砟道床力学特性离散元分析

为分析铺设道砟垫对铁路有砟道床力学特性的影响,采用离散单元法和图像处理技术,构建道砟颗粒计算模型,采用"弹性杆"模拟道砟垫,建立高速铁路道砟垫有砟道床的离散元分析模型,依据现场测试结果验证了模型的正确性。对比分析了列车荷载作用下普通有砟道床和道砟垫有砟道床的动态响应。结果表明:铺设道砟垫可以从整体上降低有砟道床的振动水平,使道砟颗粒振动加速度的平均值降低9.40%;铺设道砟垫可以减少道床中强力键的个数,提高道床中较小接触力出现的概率,使道砟颗粒的平均法向接触力降低21.7%,平均切向力降低24.4%;道砟垫可以显著增加道砟颗粒与下部基础的接触点数,增大接触面积,减小接触力;道砟垫有助于降低道床刚度,增大有砟轨道弹性。     

重载铁路轨枕空吊对轮轨动力相互作用的影响研究

为研究轨枕空吊对重载铁路货车与轨道动态相互作用的影响,针对具有二系悬挂的重载货车,在充分考虑非线性作用力基础上,建立了重载货车-轨道耦合动力学模型。在此基础上,研究了轨枕空吊状态下轮轨系统的动力响应;分析了完全空吊和非完全空吊条件下,列车运行速度和空吊轨枕结构参数对轮轨动力性能的影响。结果表明:轨枕空吊破坏了轨道结构支承的连续性,导致轮轨间动态相互作用加剧,尤其是在完全空吊条件下,轮轨垂向力随空吊数量的增加与列车运行速度的提高而显著增大;轨枕空吊还会影响其前后毗邻的正常轨道结构的动态特性;轨枕完全空吊与轨道不平顺的共同作用会加剧轮轨动态作用;轨枕两端支撑间隙不一致时,也会恶化轮轨动态作用。