（道路与铁道工程专业论文）高速铁路有碴轨道结构动力特性分析研究.pdf

摘要 摘要 高速铁路以其迅速高效、节能环保及安全舒适等优越性，在世界各国得到 迅速发展。我国铁路运输为提高竞争能力，通过新建快速客运专线、大力加强 既有线技术改造，大幅度提高了列车运行速度。为确保列车高速度、高密度运 行，高速铁路应具备高平顺性、高稳定性与少维修等特点，从而对轨道结构提 出更高要求。研究快速及高速运行条件下轨道结构动态特性，控制轮轨相互作 用，延长轨道结构维修周期已成当务之急。本文根据我国新建高速客运专线和 2 0 0 k m h 既有线提速改造的实际情况，以有碴轨道结构为研究对象，在轨道结构 动态响应有限元建模与轨道不平顺影响动力分析、落轴冲击数值计算和不同垫 层隔振性能分析、无缝线路钢轨振动特性谐响应分析以及室内实尺模型试验等 方面进行轨道结构动态特性研究。 基于轨道结构沿其纵向条带状分布的规则性，建立轨道元数值计算方法与 轨道结构空间分析模型。轨道元相当于一段o 6 m 长轨枕间距的轨道截矩，包含 一根轨枕及相应钢轨质量、钢轨扣件、垫层、道床及路基在内的动力学特性； 应用列车前后适时“增加与缩减”一个或多个轨道元的方法，进行无限长轨道 动态响应分析计算。 运用车辆一轨道耦合动力学理论和轨道元数值计算方法，研究不同速度与 不平顺幅值下无缝线路焊接区迎轮错牙不平顺对轮轨系统各部分动力性能影 响，得到该类不平顺作用下车辆和轨道结构动态特性变化规律；针对既有线2 0 0 k m h 提速线路，通过各种中长波轨道不平顺作用下车辆动力响应对比分析，为 提速线路制定轨道养护维修和不平顺管理标准提供依据。 无缝线路钢轨作为轨道结构重要部件，其频域和时域分析较为复杂。根据 能量法和t i m o s h e n k o 梁理论，运用振型叠加法建立轴向载荷作用下无缝线路钢轨 谐响应有限元模型，研究不同温度力作用下及不同轨道结构参数影响下钢轨振 动特性，掌握其发展规律和变化特点，完善轨道结构空间有限元分析。 确定落轴冲击问题的轮轨接触条件，根据接触一冲击响应的虚位移原理， 将轮轨接触边界条件用罚函数法释放，采用点面接触单元导出轮轨接触有限元 控制方程，建立轨道结构落轴冲击动力有限元方程，计算高速铁路有碴轨道结 构落轴冲击动态响应，分析了采用轨下、枕下胶垫及道碴垫等不同隔振条件下 摘要 轨道结构动力性能变化，建议多层隔振系统应具体设计与合理配置，才能改善 高速线路综合受力环境，缓和轮轨间剧烈的动力作用。 运用轨道激振器与落轴冲击等实验手段，结合室内实尺轨道模型，形成包 括改变轨枕类型、枕间距、扣件类型、轨下与枕下胶垫、道碴垫及道碴密实度 等测试工况，进行轨道结构动力特性分析。通过变换激振器激振频率与落轴高 度模拟不同列车速度，测试不同工况下轮轨作用力、钢轨与轨枕位移及加速度、 轨座反力等动态响应，进行测试信号功率谱和振动传递函数分析，以评价轨道 结构动力特性。部分试验结果验证了理论计算。 关键词：高速铁路，有碴轨道，动态特性，有限元，轨道不平顺，落轴冲击， 无缝线路，振动，谐响应，实尺模型，试验验证 i i a b s 仃a c t a b s t r a c t t h eh i g h s p e e dr a i l w a yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ya l lo v e rt h ew o r l df o ri t s s u p e r i o r i t yo fh i g hr u n n i n gs p e e d ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， l l i g hr e l i a b i l i t y a n dh i g hc o m f o r t i nc h i n a , t h et r a i ns p e e dh a sb e e nr a i s e d e x t e n s i v e l yt h r o u g hb u i l d i n gn e wr a i l w a yl i n e sf o rp a s s e n g e rt r a f f i ca n dr e f o r mt h e e x i s t i n gr a i l w a yt r a c kt e c h n o l o g i c a l l y t o i m p r o v ei t sc o m p e t i t i v es t r e n g t h t h e c h a r a c t e r so fh i g hr e g u l a r i t y , h i g hs t a b i l i t ya n dl o wm a i n t e n a n c ep r e s e n ts t r i c t r e q u i r e m e n t st ot r a c ks t r u c t u r ef o re n s u r i n gt h ev e h i c l e s h i g hs p e e da n dh i g ht r a f f i c d e n s i t yr u n n i n g t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f f a s t a sw e l la sh i g h s p e e dr a i l w a yt r a c kf o rc o n t r o l l i n gw h e e l r a i li n t e r a c t i o na n de x t e n d m a i n t e n a n c ec y c l i cp e r i o d s o m er e s e a r c hw o r k so nt r a c kd y n a m i cr e s p o n s es u c ha s e s t a b l i s h i n gr a i l w a yt r a c kf e mm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo ft r a c kr o u g h n e s s ，n u m e r i c a l c o m p u t a t i o no fw h e e ll o a dd r o p ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fv a r i o u si s o l a t i o np a d s ， i n v e s t i g a t i o no nc w r v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ct h r o u g hh a r m o n i cr e s p o n s ew a ya n d i n d o o rf u l l s c a l em o d e le x p e r i m e n ta r ed o n ei n t h i st h e s i sf o rb a l l a s tr a i l w a yt r a c k a c c o r d i n gt op r a c t i c a ls i t u a t i o no fc h i n e s en e wh i g h s p e e dp a s s e n g e ra n de x i s t i n g s p e e d - r a i s i n gr a i l w a y l i n e s w i t ht h er e g u l a r i t yo fr a i l w a yt r a c ka l o n gi t sl o n g i t u d e ，as p a t i a lf e m m o d e li s e s t a b l i s h e do nt h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o do ft r a c ke l e m e n tw h i c hi s0 6 m l o n ga se q u a la so n es l e e p e rs p a c i n ga n di n c l u d e st h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fo n e s l e e p e ra sw e l la sc o r r e s p o n d i n gr a i lm a s s ，f a s t e n i n g ，p a d ，b a l l a s ta n ds u b g r a d e i n a d d i t i o n ，t h r o u g h c u t t i n ga n dm e r g i n g t i m e l yo n eo rm o r et r a c ke l e m e n t si nt h e f r o n ta n dr e a re n do ft h ev e h i c l e ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fab o u n d l e s st r a c kc o u l db e i n v e s t i g a t e d d e p e n d i n go nt h et h e o r yo fv e h i c l e t r a c kc o u p l i n gd y n a m i c sa n dt h en u m e r i c a l c o m p u t a t i o nm e t h o do ft r a c ke l e m e n t ，t h e i n f l u e n c eo nd y n a m i cr e s p o n s eo f w h e e l r a i ls y s t e me x c i t e db yr a i ls u r f a c ev e r t i c a ls h o r t - w a v e l e n g t hr o u g h n e s si nc w r w e l dj o i n tw i t hh e i g h td i f f e r e n c ei ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e du n d e rd i f f e r e n tr u n n i n g 1 1 i 一 垒! ! 壁! v e l o c i t ya sw e l la st r a c ki r r e g u l a r i t ya m p l i t u d ea n dt h ev a r i a t i o no fd y n a m i cb e h a v i o r i s d e s c r i b e d m o r e o v e r , t h ea n a l y s i so nt h ev e h i c l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cu n d e r v a r i o u sm e d i u m _ t e r ma n dl o n g t e r m w a v e l e n g t ht r a c ki r r e g u l a r i t ye x c i t a t i o nf o r e x i s t e d2 0 0k m hs p e e d r a i s i n gl i n e sp r o p o s e st h es u g g e s t i o no n f o r m u l a t i n gc r i t e r i o n f o rt r a c km a i n t e n a n c ea n di t si r r e g u l a r i t ym a n a g e m e n t t op e r f e c tt h es p a t i a lr m l w a yt r a c kd y n a m i c a n a l y s i s ，t h ef e mm o d e la n a l y z i n g t h eh a r m o n i cr e s p o n s eo fc w ru n d e rt h ea x i a l l yl o a di s d e v e l o p e db a s e do nm o d e s u p e r p o s i t i o nw a ya c c o r d i n gt oe n e r g ym e t h o da n dt i m o s h e n k ob e a mt h e o r y t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et e m p e r a t u r ef o r c ea n dt h er e s o n a n tf r e q u e n c ya sw e l la st h e c o r r e s p o n d i n ga m p l i t u d ev a l u ea st h ec w rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cb e i n gs i m u l a t e d a n dc a l c u l a t e du s i n gt h em o d e lt h r o u g ht h ed i f f e r e n tl o n g i t u d i n a lt e m p e r a t u r ef o r c e a n dr a i l w a yp a r a m e t e r t h ed e v e l o p m e n tr u l ea n dv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i cp r e s e n t e d w o u l dh e l pu sd e c i d et h ea c t u a lc w r t e m p e r a t u r ef o r c ea n df o r e c a s ti t ss t a b i l i t yb y h a r m o n i cr e s p o n s em e t h o d a c c o r d i n gt ov i r t u a ld i s p l a c e m e n tp r i n c i p a lf o rc o n t a c t 。i m p a c tp r o b l e m s ，t h e e q u a t i o no nc a l c u l u so fv a r i a t i o n sa b o u tt h ew h e e l r a i lc o n t a c ti sd e v e l o p e da si t s d e t e r m i n e db o u n d a r yc o n d i t i o n sb e i n gr e l e a s e db a s e do n p e n a l t yw a y d e p e n d i n go n t h ec o n t a c tc o n t r o la sw e l la st h et r a c kd y n a m i ce q u a t i o no ff e m d e d u c e df r o mt h e p o i n t t o s u r f a c ec o n t a c te l e m e n t ，t h ed y n a m i cr e s p o n s ei ss i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d f o rt h eh i g h - s p e e dr a i l w a yb a l l a s tt r a c ks t r u c t u r ei m p a c t e db yt h ef a l l i n gw h e e l s e t i t i ss u g g e s t e dt h a tt h es p e c i a ld e s i g n ss h o u l db em a d ef o ri s o l a t i o nt r a c k sa c c o r d i n gt o t r a f f i cc o n d i t i o n sa n dr e q u i r e m e n tt o i m p r o v et h eh i g h - s p e e dl i n e si n t e g r a t e dl o a d e n v i r o n m e n ta n da l l e v i a t et h ew h e e l r a i li n t e r a c t i o n b ya n a l y z i n gt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ct h r o u g ha p p l y i n gd i f f e r e n tv i b r a t i o ni s o l a t i o nu n d e rr a i l ，s l e e po r b a l l a s t w i t ht r a c kv i b r a t i o ne x c i t e ra n df a l l i n gw h e e l - s e t ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o ni n d o o rf u l l s c a l et r a c km o d e la r ea n a l y z e di nt h ew o r kc o n d i t i o n ss u c ha sv a r y i n g s l e e p e rk i n d ，t i es p a c i n g ，f a s t e n i n gt y p e ，p a d su n d e rr a i la n ds l e e p e r , b a l l a s tp a d s ， b a l l a s tc o m p a c t n e s sa n ds oo n t h ee x c i t e rf r e q u e n c ya n dw h e e ll o a dd r o ph e i g h ta r e c h a n g e dt om o d i f yv e h i c l e s d i f f e r e n tr u n n i n gs p e e d s t oe v a l u a t er a i l w a yt r a c k d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h ew h e e l r a i lf o r c e ，r a i la n ds l e e p e r sd i s p l a c e m e n ta sw e l la s i v a b s t r a c t a c c e l e r a t i o n ，r a i lc h a i rc o u n t e rf o r c ee t c a r et e s t e da n dm e a s u r e da n dt h ep o w e r s p e c t r u ma sw e l la st r a n s f e rf u n c t i o no ft e s ts i g n a l sa l ea n a l y z e du n d e re a c hs i t u a t i o n m o r e o v e r , s o m et e s tr e s u l t sv e r i f yt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a y ，b a l l a s tt r a c k ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，f e m ，t r a c k i r r e g u l a r i t y , w h e e ll o a dd r o p ，c w r ，v i b r a t i o n ，h a r m o n i cr e s p o n s e ， f u l l - s c a l em o d e l ，e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。1世界高速铁路发展概况 高速铁路在国际上有不同的定义标准。自日本东海道新干线投入运营后， 常将最高运营速度超过2 0 0 k m h 的铁路称为高速铁路，将最高运营速度为 1 6 0 k m h - - 2 0 0 k m h 的铁路称为准高速铁路；1 9 8 5 年联合国欧洲经济委员会在 国际铁路干线协议中将新建高速客运专线的最高速度规定为3 0 0 k m h 及以上， 新建客货混运线最高速度规定为2 5 0 k m h 及以上；国际铁路联盟( u i c ) 则将新 建专线最高速度至少达到2 5 0 k m h 、既有线改造最高时速达到2 0 0 k m h 及以上线 路称为高速铁路l l 】。 高速铁路以其迅速高效、节能环保及安全舒适等优越性，引起世界各国高 度重视，不少发达国家开展了大量关于高速铁路的理论研究与试验工作，在不 断创造铁路试验速度记录的同时，通过新建高速铁路和既有线改造来满足社会 经济发展的需要1 2 j 。如日本和法国等国家，铁路建设主要是新建高速线路；而其 他一些国家发展铁路往往先实施既有线提速，然后过渡至高速领域，如德国、 前苏联、西班牙、荷兰、意大利等国；2 0 世纪6 0 年代后期至8 0 年代初期，前 苏联、德国、法国、荷兰等国都在既有线提速方面做了大量工作。 1 9 5 8 年1 2 月1 9 日，日本政府正式批准修建全长5 1 5 4 k m 的东海道新干线， 1 9 6 4 年1 0 月1 日修成开通，目前新干线全部营业里程已达2 0 4 9 1 k m 。同本在 建高速铁路总长度约5 0 0 k m ，计划建设的新干线约8 8 5 k m 。 法国国营铁路公司( s n c f ) 于1 9 6 7 年开始研究高速新线计划。1 9 7 6 年法 国政府批准修建巴黎一里昂高速新线( 东南线，全长3 9 0 k m ) ，并于1 9 8 3 年9 月建成通车，最高营业速度2 7 0 k m h 。2 0 世纪9 0 年代又相继建成了最高营业速 度3 0 0 k m h 的大西洋线、北方线、东南延伸线、巴黎联络线。2 0 0 1 年最高营业 速度为3 5 0 k m h 的地中海线投入运营。法国已建成高速铁路1 5 7 6 k m ，计划修建 的高速铁路还有1 0 条，总长约1 9 0 0 k m 。 德国政府于1 9 7 0 年计划修建全长3 2 7 k m 的汉诺威一维尔茨堡高速铁路， 1 9 7 3 年开始施工，1 9 8 7 年完成9 4 k m 并投入运营，1 9 9 1 年全线建成，最高运行 第1 章绪论 速度2 8 0k m h 。1 9 9 1 年和1 9 9 8 年又相继新建或改建成了最高运行速度2 8 0k m h 的曼海姆一斯图加特、汉诺威一柏林的高速铁路。目前德国共有高速铁路9 1 7 k m ， 其中新建里程为8 1 5 k m 。德国正在新建或改建的高速铁路为6 4 0 k m 。 1 9 6 6 年意大利国营铁路公司提出修建罗马一佛罗伦萨高速铁路计划，1 9 7 0 年6 月2 5 日第一段线路正式开工，第二、第三段线路分别于1 9 7 6 年和1 9 8 3 年 开工建设，1 9 9 2 年全线2 6 2 k m 正式开通运营，最高运行速度2 5 0 k m h 。意大利 正在建设的高速铁路约有4 5 5 k m 。 西班牙政府1 9 8 7 年批准了西班牙国营铁路制定的“1 9 8 8 - - 2 0 0 0 年铁路运输 发展规划”，其中一项重要内容是修建全长4 7 1 k m 的马德里一塞维利亚高速铁 路。1 9 8 7 年1 0 月正式动工修建，1 9 9 1 年建成，1 9 9 2 年4 月投入运营，最高运 行速度2 7 0k m h 。目前西班牙正在修建7 6 0 k m 长的马德里一巴塞罗那高速铁路， 最高速度3 5 0k m h 。 除了上述国家以外，世界上还有许多国家和地区正在规划建设高速铁路。 韩国于1 9 9 2 年6 月开始建设全长4 1 2 k m 的汉城一釜山高速铁路，最高设计速度 3 5 0k m h 。中国台湾于2 0 0 0 年3 月开始修建设计速度3 5 0k m h ，全长3 4 4 k m 的 台北一高雄高速铁路。比利时布鲁塞尔到法国边境的8 8 k m 高速铁路已于1 9 9 7 年开通运营，最高运行速度3 0 0 k m h 。瑞典铁路的高速化计划从1 9 8 8 年开始执 行，由于其线路状态较好、等级较高，主要通过对既有线改造，采用x 2 0 0 0 高 速摆式列车提高运行速度到2 0 0 k m h 。目前，x 2 0 0 0 摆式列车可以延伸服务的罩 程已达2 8 8 1 k m 。此外，荷兰、英国、俄罗斯、美国、澳大利亚、印度、埃及也 在积极发展高速铁路。 据不完全统计，至2 0 0 2 年底全世晃运营中的2 0 0k m h 以上的新建高速铁路 里程约5 8 0 0 k m ( 欧洲3 7 6 0 k m ，同本2 0 4 7 k m ) ，速度达到或超过2 0 0k m h 的既 有线约2 0 0 0 k m ，全世界正在新建或改建的高速铁路约6 0 0 0 k m 。当前，高速铁 路已进入一个快速发展时期。 我国铁路运输作为交通运输业骨干，在国民经济中占据重要地位，对国民 经济发展影响巨大。为提高铁路运输竞争能力，1 9 9 5 年6 月2 8 日，铁道部作出 了既有线提速的重大决策，将繁忙干线旅客列车运行速度由8 0 - - - l o o k m h 提高 至1 4 0 - - - 1 6 0 k m h ，货物列车速度提高到8 5 - , 9 0 k m h 。1 9 9 6 年以来，我国铁路既 有线经历全国范围内的五次大提速，实现了上述目标。2 0 0 6 年将实施第六次大 提速，届时干线旅客列车的最高运行速度将达到2 0 0 k m h ，货物列车的最高速度 2 第1 章绪论 将达到1 2 0 k m h ，全国快速铁路总里程将达到2 0 0 0 0 k m 左右。 为了发展我国高速铁路技术，1 9 9 9 年8 月1 6 日开工修建全长4 0 4 6 5 k m 的 秦皇岛一沈阳快速客运专线，2 0 0 3 年1 0 月1 2 日正式开通运营。秦沈线为我国 第一条开通时速1 6 0k m h 以上的双线电气化铁路，其中有6 6 8 k m 的线路可作为 3 0 0k m h 的高速试验线。2 0 0 2 年1 1 月2 7 日，秦沈线第三次综合试验中，国产 “中华之星”试验列车创造了3 2 1 5k m h 的中国铁路最高速度记录。郑西、郑 武、武广等高速客运专线相继开工建设，京沪高速铁路修建也将开始。2 0 0 4 年 2 月国务院审议通过了我国中长期铁路网规划，提出“扩大规模，完善结构， 提高质量，快速扩充能力，迅速提高装备水平”的发展目标。至2 0 1 0 年，全国 铁路营业里程将达到8 5 万公里以上，客运专线、高速铁路达到4 0 0 0 公里；到 2 0 2 0 年，全国铁路网基本建成，营业里程达到1 0 万公里以上，客运专线、高速 铁路将达到1 0 0 0 0 公里，主要技术装备达到或接近国际先进水平。因此，客运 专线、高速铁路在我国具有广阔的发展前景；未来5 1 5 年间，我国铁路运行 速度将不断大幅度提高。 1 2 高速铁道线路技术特点 高速铁路必须具有高平顺性、高稳定性、少维修等特点，以满足列车高速 度、高密度运行要求。高速铁路的高平顺性首先要求线路平纵断面的变化尽可 能平缓，主要采用大幅度提高线路平面的最小曲线半径、优先选用推荐曲线半 径、平缓过渡的缓和曲线，增大夹直线和圆曲线最小长度、增大竖曲线半径、 延长最小坡段长度等措施【1 ，2 j 。其次，稳定、沉降小且均匀的平顺路基是高平顺 性轨道基础。普通铁路以“强度 控制路基设计与施工，而高速铁路则以“变 形 控制；同时，需控制路基工后沉降、不均匀沉降以及路基顶面初始不平顺 来减少轨道变形。另外，高速铁路桥台与路基连接处、道岔内外、隧道洞口、 无碴轨道与有碴轨道连接处，轨下基础存在很大差别，线路刚度产生突变，将 产生基础沉降差。由于线路平顺状态改变，高速运行下轮轨问动力作用将大大 增加，直接影响行车安全性和舒适性。为消除或减轻这种影响，在一些特殊地 段，如路桥连接处，必须设置过渡段。 目前，大部分国家的高速铁路仍采用有碴轨道。作为传统轨道结构的重要 组成部分，碎石道床在列车重复荷载作用下，承受来自轨枕的压力和振动，并 第1 章绪论 传布到路基，以及担负排除地表水、抵抗轨枕纵向和横向移动、缓和机车车辆 冲击等作用。自有铁路一百多年以来，散粒体碎石道床仍保持其旺盛生命力。 相比之下，无碴轨道以其轨道弹性均匀、线路状态稳定、养护维修工作量小、 行车安全性和舒适性好等优点，在高速铁路轨道中呈不断发展念势。如同本新 干线广泛应用了板式轨道及其它类型无碴轨道；德国近年来在新建高速铁路上 也开始全面推广无碴轨道，其中科隆一莱茵美因新建线上连续铺设了约1 5 5 k m 的无碴轨道，这也是德国设计和铺设的最长无碴轨道；法国高速铁路在高架桥 上和隧道内已考虑铺设无碴轨道，在地中海线2 k m 路基上也在进行无碴轨道铺 设试验；我国在秦沈客运专线狗河特大桥、双何特大桥以及沙河特大桥上也铺 设了板式轨道和长枕埋入式无碴轨道。 1 。3 既有铁路干线提速改造的技术特点 1 3 1国外对提速线路轨道结构动力特性的研究 世界各国铁路均认识到，机车车辆静轴重和附加轮载大小是直接影响轨道 几何形位变化和轨道结构部件伤损的主要原因，而静轮载与附加动力荷载之间 关系密切1 3 】。如日本在发展高速铁路过程中，认为应严格控制轨道结构所受荷载 和轮轨间接触应力，新干线运行的列车轴重为1 7 0 k n ，3 0 0 、5 0 0 和7 0 0 系列轴 重为1 0 0 k n ；在降低轴重的同时，减小车辆簧下质量，如新干线车辆簧下质量从 1 3 ，减至1 0 t ，从而达到减小轮轨冲击荷载、降低钢轨伤损的目的。而列车实际 运行过程中，轮轨间附加动力荷载要受到机车车辆、轨道与列车运行工况等方 面的影响。为了减小轮轨间附加动力荷载，除了确保优良的机车车辆走行性能 外，轨道平顺度和轨道结构弹性匹配是两个重要因素1 4 】。显然，提高轨道平顺性 可降低轮轨冲击作用，同时轨道结构的良好弹性匹配可有效吸收轨道结构所受 冲击振动【5 。另外，平顺度不同的轨道结构，刚度的合理匹配值也不同。 轨道结构对荷载的承受能力表现在两方面，一为抵抗变形能力，二为抵抗 部件伤损能力。日本对轨道结构的研究，提出了轨道变形收敛理论，即线路投 入运行后，轨道产生变形。通过对线路进行养护维修，使轨道几何形位重达标 准要求。运行一段时期后又将产生变形，再对其维修养护。随着轨道稳定、变 形速率下降，维修养护时间间隔增长。对不同的列车运行条件、不同的轨道结 4 第1 章绪论 构，轨道变形速率和稳定时期各不相同。所以对于所选择的轨道结构，应保证 列车在线路设计允许的条件下运行，尽量减小轨道几何形位变形和减少轨道养 护维修工作量。 为了减少轨道部件伤损，英国早就提出对p 1 力和p 2 力的控制。控制分两 方面，即p 1 ，p 2 力之和的控制和p 1 ，p 2 力的单独控制。国内外的研究表明， p 1 力对钢轨的伤损起主要作用，而p 2 力对轨下部件起较大的破坏作用。为了提 高轨道结构稳定性和减小轨道部件伤损，应同时控制p 1 和p 2 力，而其控制标 准，需进行详细研究。不同的轨道结构，对p l 、p 2 力的控制水平也将不同捧一。 2 0 世纪6 0 年代未到8 0 年代初，法国、德国、前苏联等国对2 0 0 k m h 行车 条件下，列车与轨道的相互作用、列车对线路的平顺性要求进行了研究。如1 9 6 8 年，前苏联铁路就注意到为提高列车速度，增加铁路运输能力，对线路养护维 修费用的投入是至关重要的，即既要提高列车速度，又应提高线路质量。7 0 年 代初，德国铁路认为：科隆至巴塞尔的线路上，速度由1 2 0 k m h 提高到1 6 0 k m h ， 轨道养护维修费用应增加约2 0 。 1 3 2 我国提速线路轨道结构动态特性研究的发展历史及研究进展 我国铁路每次提速，需加强轨道结构，使线路能满足列车按设计速度运行。 目前，我国1 6 0 k m h 提速干线的轨道结构，不少己改造成i i i 型轨枕、跨区间无 缝线路和一级道碴。如上海铁路局管辖的沪宁线，已全线铺设跨区间无缝线路； 同时为保证提速列车运行平稳性，对钢轨实施定期打磨。为了迎接2 0 0 6 年时速 为2 0 0 公里的提速，上海铁路局对沪宁线作了进一步改造，改善了线路平面条 件，更换了提速道岔，为2 0 0 k m h 提速列车的运行提供了保障。虽然目前轨道 结构能保证列车按设计速度安全运行，但旅客舒适、轨道结构几何形位保持、 轨道部件使用寿命与列车荷载作用下轨道结构振动和荷载传递等问题，在轨道 结构选择时往往没有进行全面分析。因此，在确定轨道结构形式时，往往只考 虑强度方面，而对轨道结构的动力性能方面考虑不多。 自铁路提速后，线路和轨道结构出现了一系列与常规铁路不同的问题【l j 。 由于列车速度的提高，缓和曲线通过时的超高时变率和欠超高时变率产生较大 变化，直接影响旅客舒适度；由于客货列车的速度差别较大，造成旅客列车的 欠超高较大而影响舒适度，货车的过超高较大造成内轨压溃，导致超高设置困 第1 章绪论 难；列车速度的提高，对轨道的动态平顺性要求也较高，以使列车运行满足旅 客舒适度的要求；轮轨垂向动力作用因列车速度的提高而显著增加：p 1 力的增 大，造成钢轨伤损的增加，如广深线列车提速后，钢轨的伤损大大增加，p 2 力 的增大使得扣件、轨枕的伤损和道床坍塌的概率增大；列车速度的提高，使得 轮轨横向动力作用也相应增大，为减小轨道几何形位的变化，对轨道稳定性的 要求也相应提高；另外，由于道贫是轨道的薄弱环节，列车提速后，对道岔结 构稳定性、提速列车过岔的平稳性等也提出了更高要求。 综上所述，列车提速后应着重从两方面考虑，一应减小机车车辆静轴重， 降低轮轨间动力作用，二应加强轨道结构，提高其承受动荷载能力。当前我国 既有干线提速，也需同时考虑上述两方面。对于铁路工务部门来说，因无法选 择机车车辆轴重及其结构动力性能，重点应从提高轨道结构平顺性、加强其承 载能力和改善其动力性能着手。 1 4 车辆一轨道相互作用研究 车辆与轨道间相互耦合、互为因果，将两者作为一个统一大系统来研究更 能反映轮轨动力作用实质 4 1 。作为车辆子系统与轨道子系统i 日j 纽带，轮轨关系实 现了两子系统间耦合与反馈。轮轨关系包括轮轨接触几何关系及轮轨作用力的 计算，前者确定了轮轨滚动接触过程中接触点位置，后者则是轮轨关系中的核 心。以下对轮轨作用力计算及车辆一轨道动力学研究进行重点阐述。 1 4 1轮轨作用力计算 1 9 2 6 年，为了研究机车车辆横向动力学的需要，英国学者f w c a r t e r 进行 了带摩擦的二维滚动接触理论的研究，给出了确定纵向蠕滑率和切向力关系的 精确闭合解。 1 9 5 8 年，k l j o h n s o n 将c a r t e r 的二维理论延伸到两个滚动球体的三维情况， 包含有纵向蠕滑和横向蠕滑，但没有考虑自旋蠕滑【3 j 。 1 9 6 4 年，k l j o h n s o n 和p j v e r m e u l e n 又将光滑的半空间理论引入研究无自 旋蠕滑的纯滚动情况，得出了用于针对接触面是椭圆、蠕滑率具有任意数值时 的纵向和横向蠕滑系数的计算公式，扩展了c a r t e r 所进行的工作，使蠕滑理论 6 第1 章绪论 得到进一步发展。 1 9 6 7 年，荷兰著名接触力学专家j j k a l k e r 发展了简化滚动接触理论和精确 滚动接触理论，开发了相应的计算程序f a s t s i m 和c o n t a c t ，针对轮轨i 日j 同 时存在蠕滑和旋转的普遍情况，确定产生于轮轨接触面上的作用力和力矩。基 于小蠕滑和小自旋条件下的k a l k e r 线性蠕滑理论，可综合分析蠕滑和旋转对机 车车辆横向稳定性影响及建立稳态曲线通过时的滑动边界条件i i 引。 j o h n s o n 和k a l k e r 还对蠕滑率不很小，蠕滑力和力矩随蠕滑率呈非线性变化 的情况，发展了原有理论。k a l k e r 公式中包括旋转影响，j o h n s o n 进行了蠕滑实 验，验证了k a l k e r 理论的正确性。 1 9 8 4 年，沈志云、j k h e d r i c k 和j a e l k i n s 对v e r m e u l e n - - j o h n s o n 非线性 蠕滑理论进行了改进，考虑自旋影响，其计算结果与c o n t a c t 的结果较接近。 目前，在车辆一轨道动力学分析中，一般先按k a l k e r 线性蠕滑理论确定轮 轨蠕滑力，再采用j o h n s o n 方法或进一步根据沈志云一j k h e d r i c k - - j a e l k i n s 理论进行非线性修正【4 j 。 1 4 2 车辆一轨道动力学研究的进展 国际上，近1 0 年来有关车辆轨道相互作用及轮轨系统动力学方面的研究十 分活跃【1 6 。2 0 】。采用的研究思路逐渐从单一的车辆或轨道系统动力学向机车车辆 与轨道结构整体系统动力学发展【2 卜2 9 1 。车辆模型经历了集中力模型、单轮对或 多轮对模型、转向架模型、半车模型以及整车模型等过程；轨道模型也经历了 集总参数模型、单层连续弹性支承梁模型、考虑轨下基础振动的多层连续弹性 支承梁模型及弹性点支承梁模型的演变。 18 6 7 年，w i n k l e r 提出的弹性地基梁理论成为建立轨道力学分析模型基础。 1 9 2 7 年，s t i m o s h e n k o 应用弹性地基梁模型研究了钢轨的动静应力问题。 f e r m e r 和n i e l s e n 3 0 】运用转向架一轨道相互作用模型分析比较了弹性车轮与 刚性车轮的轮轨垂向动作用力问题。 d i a n a 等【3 1 】在第1 3 届国际车辆系统动力学学术会议上发表了铁道车辆与轨 道上部结构之间的相互作用研究论文，其基本思路也是综合考虑车辆与轨道系 统的影响因素来研究其动力学问题。 1 9 7 9 年，s g n e w t o n 以t i m o s h e n k o 梁模型计算了钢轨动应力，理论与试验 7 第1 章绪论 结果一致性较好。 19 8 2 年，r a c l a r k 等采用弹性点支承梁模型模拟轨道，分析了车辆在波磨 轨上运行时的动力作用问题。 1 9 9 5 年，r i p k e 和k n o t h e i 豫j 从车辆和轨道整体系统的角度，研究了车辆一 轨道高频相互作用问题。 1 9 9 7 年，在第1 5 届国际车辆动力学大会上，o s c a r s s o n 和d a h l b e r g ( 3 3 】“发 表了列车轨道道床动态相互作用一计算机模型和全尺寸试验”的论文，将车辆 和轨道作为一个整体系统建立动力学仿真模型，钢轨采用r a y l e i g h t i m o s h e n k o 梁描述，该项研究的关键进展在于轨道参数的识别上，首次根据实测的频响函 数确定轨道模型参数。 f r o h l i n g 3 4 】等通过建立车辆一轨道低频动力学相互作用模型研究了南非重 载轨道的沉降问题，理论与实践吻合良好。 a u e r s c h 3 5 】将土路基动力特性引入车辆一轨道相互作用分析之中，结果表明， 土路基刚度主要影响低频响应。 1 9 9 9 年，在第1 6 届国际车辆动力学大会上，p o p p l 3 6 j 等系统综述了中频域的 车辆一轨道动力学研究进展，认为钢轨波磨、道床破坏、车轮不圆等问题均属 于5 0 5 0 0 h z 的中频动力学影响范畴。 d r o z d z i e l ( 3 7 】等运用仿真和试验方法研究了道岔区车辆一轨道动力学问题， 着重讨论了系统几何误差( 如车轮踏面磨耗、轨道不平顺及超高等) 对轮轨动力作 用的影响。 g u r u l e 和w i l s o n 3 8 1 也进行了道岔区轮轨相互作用模拟分析，首次模拟了车 轮通过道岔时轮缘背面与护轨接触问题。 2 0 0 1 年，第1 7 届国际车辆系统动力学年会上，o s c a r s s o n ”j 介绍在先前车辆 一轨道模型中引入了轨道结构的随机特性，将钢轨垫层刚度、