（车辆工程专业论文）考虑轨道刚度不平顺时轮轨系统的动力特性分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 轨道刚度是影响轨道结构振动和动态传递特性的关键因素，也是影响轮轨 相互作用和列车运行品质的重要因素，直接决定了轨道的养护维修工作量。现 代铁路运输对轨道平顺性的要求越来越高，轨道平顺性包括几何平顺性和刚度 平顺性。铁路轨道是一大型构筑物，由于轨下基础的变化，轨道刚度沿线路方 向的不平顺是客观存在的。相对于几何不平顺。目前在刚度不平顺方顽所做的 工作还不是很多，轨道刚度不平顺对轮轨系统的动力特性影响分析也相对较少。 一方面，仿真计算中，由于现今还没有统一的轨道刚度不平顺谱，人们往往只 考虑了几何不平顺谱输入，这样势必会影响仿真结果的精度；另一方面，轨道 刚度不平顺对轮轨系统振动产生的影响程度是很重要的问题，特别是在不同轨 道结构型式的过渡区段，这一问题更显关键。 本论文从车辆一轨道相互作用大系统的角度出发，主要做了以下几点工作： ( 1 ) 综述了国内外关于轨道刚度所作的研究工作，并指出轨道刚度研究存在 的主要问题。 ( 2 ) 给出了轨道刚度随机不平顺模型和模拟方法。首先详细论述并研究了轨 道部件刚度、整体刚度的实测资料，总结了轨道刚度的统计特征；其次根据已 有的轨道部件刚度的统计特征，运用m o n t e - - c 缸l o 方法并通过数值仿真模拟出轨 道部件刚度的随机样本：最后，基于已有的轨道部件刚度的统计样本，提出了 轨道整体刚度的模拟方法，并给出了随里程变化的轨道刚度不平顺样本。 ( 3 ) 采用车辆一轨道耦合动力学理论及模型，编制了相应的计算机仿真程 序，程序考虑了轨道刚度随机不平顺影响因素。计算了空吊轨枕对轮轨系统的 动力影响，研究了考虑轨道刚度随机不平顺和不考虑轨道刚度随机不平顺时轮 轨系统的动力响应差异，分析了土路基一刚性路基过渡段的动力特性，并提出 了过渡段长度的设置原则。研究结果表明：轨枕空吊对轨道结构有很大的动力 破坏作用；轨道刚度随机不平顺对车辆的运行平稳性几乎没有影响，但对轨道 结构的振动影响很大，是轨道变形破坏的重要原因，当轨道刚度存在较大不平 顺，必然会加速轨道几何不平顺的发展；在路基一刚性基础过渡区段，仅考虑 轨道刚度变化时，钢轨的挠度变化比较明显，但产生的动力作用很小，考虑轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 道刚度的变化和沉降差共同作用时，将产生很大的动力作用，对轨道结构和车 辆运行平稳性有显著影响，且随着速度的提高，影响更加剧烈；路基- l 目l l 性基 础的过渡段长度宜以车体加速度为主要指标。 关键词：轨道；轨道刚度不平顺：随机振动；轮轨系统；动力学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 a b s tt a c t t r a c ks t i 塌鹃i st h ek e yf a c t o r a f f e c t m g t r a c ks t r u c t u r ev i b r a t i o n 锄dt h e 缸a n s l n i s s i o l io fd y n a m i cc h a r a c t 豳i c a n di ti st h e 岫r t a n tf a e t o ri n f l u e n c i n g w h c e l ，r a i la y n a m i em t e r a c t i o n 锄dt r a i nr u n n i n gq u a l i 哆 g o v e r n i n gt h el l l a j l l t c n a n e e w 0 瑚o a do ft h el a a e k m o d 锄r a i l w a yt r a n s p o r t a d o nd 锄觚d sf o rh i 曲订a c k 糟g i l l 撕劬w h i c hm c l u d e sg e o n l e t r i cr e g i l l a r i t ya n ds t i f f n e s sr c g i l l a f i 何t h er a i l w a y t r a c ki sl a r g e s s ec o n s t r u c t i o n ；t r a c ks t i f f - n e s si r r e g l l l a r i t ye x i s t so n e c t i v e l ya i o n g t l l el i n ed t 0t l l ec h a n g eo ft 1 1 es u p p o r t i n g 蚰1 i i m 鹏c o m p a x _ e d 、v i t hg e o m e t r i e i n e g u l a r i 吼t h ew o r ki n s i g h ti n _ t 0t r a c ks t i f l f i l e s si r r e g u l 却i sl m i e ，越dt h ea n a l y s i s o fi t sd y n a m i ci n f l u e n c eo nm ew h e e 慨l s y s t e mi a c k s 坞l a 虹v e l yt o o o no n el 】a 峨 t i i e 陀h a sb e e nn o tu n i f i e dt r a c k 如魅e s si 玳g u l a r i 锣p s ds of a r , p e o p l ej u s tc o 地i d 盯 g e o m e t r i e 砷e g i l l 撕t yi ns i n l l l l a t i o nc a i c i l l 撕o i l ，州c h 谢1 1i n f l l l e n e et h ep r e c i s i o no f t h es 诎i o nr e 蛐d tm e 咖b l y ；o nt h eo t i l e rh 卸d t l l ei n f l u e n o ft r a c ks t i 伍1 e 蟠 i r r e g u l 嘶o n 缸都k $ 1 1 u c t u i f ei sn e e d e dt ob ep a i da t t e n t i o nt 0 ，w h i c hi sm o r e s i 画f i c 勰te s p e c i a l l ya tt h et r a m i ts e c t i o no f t w od i 敛槌n tt r a c ks t r u c t u r ep a 啦巩 b a s e do nt h ev e b i c l e t 糟c kc o u p l m gl a r g es y 蛐即1 ，t h j st h e s i sd o e st h e f o l l o w i n g w o r k ： ( 1 ) t h ed o m e s t i ca n da b r o mr e s e a r e ho v e r v i e wo nt r a c ks t i m l e 船i sd i s c u s s e 正趾d t h ee x i t i n gd e f e e to f t h e 勰a r c hi sp o i n t e do u l ( 2 ) t r 卸ks t i f i 沁s sr a n d o mi 鹏g i l l a r i t ym 0 h d da 1 1 ds i i l l u l a t i 印p r o a c hi sp r o v i d e d f b ft h ef i r s tt i m c f i r s to fa 1 1 t h ee x p e r i m tm a t 喇so ft r a c ks t i f f n 器si n c l u d i n g p a r t sa n dw h o l ei sm v c s d 【g a t e d a n dt l l es t a l i s t i c se h a r a c t 幽i eo ft r a c ks t i 髓e 嚣i s s u m m a r i z e d ；r n l 吼e o r d i n g t ot h e e ) 【i s t i n g s t a t i s t i e sc h a r a e t e f i s t i eo f 打a c k c o m p o n e ms t i f f n e 鹳，t l l er a n d o ms a m p l eo f 订a c kp a r t ss t i f f a a e s si ss i m l l l a f e db y n u m e t i c a le m d a t ew i l i c ha d o p t sm o n t e 删l om e t h o d ；f i n a l l y ，t h eb 船i so ft 1 1 e s t a t i 妣a ls a m p l eo ft h et f a c kp a r t ss t i f f n e 豁，也es m u l a f i o na p p a c ho ft h et d c a l t r a c ks t i f f n e s si sp r e s e n t e d ，a n dt r a c ks t i f f n e s sr a n d o mi r r e g i l l 撕哆s a m p l ev a r y i n g w i t hm i l e a g ei sp r o d d e d ( 3 ) t h ec o m p e e rp r o g r a mi sw o r k e do u tb 嬲吨o nt h ev e h i c l c 劬c kc o u p l m g d y n a m i c s 也e o r y 锄dv e l l i e l e - t r a c kc o u p l m gd y n a m i c sm o d e l t h ep r o 伊a m c o m i d e r e dt l l ei n f l u e n c co ft 1 峙t r a c ks t i 肋鼯sr a n d o mi 1 1 _ e g u l a r i 够i tc a l c u l a t e dt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 d y n a m i c si n f l u e n c eo nt h ew h e e l r a i ls y s t e md u et ov o i d e ds l e e p e r s ，a n dr e s e a r c h e d t h ed i f f e r e n c e sw h e t h e rt a k i n gi n t oa c c o u n tt r a c kr a n d o ms t i f f n e s si r r e g u l m i t yo rn o t , a n da n a l y z e dt h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co f e m b a n k m e n t - r i g i d i t yb e dt r a n s i ts e c t i o n , a n dp r e s e n t st h ed e s i g np r i n c i p l eo f t r a n s i t i o nl e n g t h n 坞r e s u l to fs t u d ys h o w s ：t h ev o i d e ds l e e p e r sh a v eg r e a td a m a g ef u n c t i o no i lt h e t r a c ks t r u c t u r e ，t h et r a c kr a n d o ms t i f f n e s si r r e g u l a r i t yh a sv e r yl i t t l ei n f l u e n c eo nt h e s t e a d yo f v e h i c l ew h i l em u c ho nt r a c ks t r u c t u r e , w h i c hi st h ei m p o r t a n tc a u s eo f t r a c k d i s t o r t i o n n 壕t r a c ks t i f f n e s si r r e g u l a r i t yw i l la c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to ft r a c k g e o m e t r i ci r r e g u l a r i t yi f b i gt r a c ks t i f f n e s si r r e g m a r i t ye x i t s a te m b a n k m e n t - r i g i d i t y b e dt r a n s i ts e c t i o n , t h ed e f l e c t i o no ft h er a i lc h a n g e so b v i o u s l yi fo n l yc o n s i d e r i n g t r a c ks t i f f i l e s sd i f f e r e n c e , w h i l et h ed y n a m i c sa c t i o ni sv e r ys m a l l t h e r ew i l lb el a r g e d y n a m i c sa c t i o ni f c o n s i d e r i n gt r a c ks t i f f n e s sv a r i e t ya n da s y m m e t r i c a ls e t t l e m e n to f f o u n d a t i o ns i m u l t a n e o u s l y , w h i c hh a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c e0 1 1t r a c ks t r u c t u r ea n dt h e s t e a d yo fv e h i c l e , a n dt h ei n f l u e n c eb e c o m e sg r e a t e rw i t hi n c r e a s i n go fs p e e d 1 1 地 l e n g t ho f t r a n s i ts e c t i o ns h o u l dm a k et h ea c c e l e r a t i o no f v e h i c l e 勰c h i e f i n d e x k e y w o r d s ：t r a c k ；t r a c ks t i f l h e s si r r e g i l l a r i t y ；r a n d o mv i b r a t i o n ；w h e e l r a i ls y s t e m ； d y n a m i c s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 i 引言 第1 章绪论 国内外研究资料及高速、重载铁路的运营经验表明，轨道结构刚度是影响 轨道反力分布、轨道结构振动和动态传递特性的关键因素，也是影响轮轨相互 作用和列车运行品质的重要因素，直接决定了轨道的养护维修工作量。 铁路轨道是一大型构造物，不可能修建在完全均匀的基础上，在不同区域、 不同线路地段、不同铺设及养护条件，不同轨道结构型式下，轨道刚度及各部 件刚度存在着较大差异。对有碴轨道而言，由于轨下橡胶垫层的老化、非线性 等特点，每根轨枕支承点处的胶垫刚度值不可能是相同的；有碴轨道的道床由 散粒体碎石构成，其沿线路方向的累积变形和沉降是不均匀的，那么它的刚度 值沿线路纵向也会有很大的离散性”1 ；铁路路基刚度直接决定了轨道刚度的大 小，由于不同地段的路基填料种类和密实度会有差异，决定了路基刚度沿轨道 纵向也是不一致的。对无碴轨道而言，主要由扣件系统、轨下胶垫、c a 砂浆、 路基基础提供轨道弹性，轨道刚度相对比较均匀，但是在区间线路不同轨道结 构的结合部，如土质路基无碴轨道与刚性基础上无碴轨道的过渡区段，孰道刚 度也有较大的差异，因此无碴轨道也存在轨道刚度不平顺的问题。 现代铁路运输对轨道的高平顺性、高稳定性、高耐久性的要求越来越高， 其中轨道的平顺性尤为重要，轨道的平顺性包括几何平顺性和刚度平顺性。众 所周知，轨道不平顺是引起轮轨系统振动的重要原因，在列车速度较低时，铁 路工务人员和铁路科研工作者注意较多的是轨道几何形位的静态不平顺。随着 铁路向高速和重载化的发展，轨道不平顺引起的动力作用更加明显，并带来更 大的附加动力，加剧了轮轨系统的振动，人们越来越认识到轨道刚度变化对轮 轨作用力、车辆和轨道部件振动的影响。关于轨道几何不平顺，国内外的学者 已经做了大量卓有成效的工作，取得了很多系统性学术成果和实践经验，但是 对于轨道刚度不平顺的研究，目前所做的工作还不是很多，轨道刚度不平顺对 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 轮轨系统的动力特性影响方面的文献也相对较少。 目前我国铁路建设正处于跨越式发展阶段，客运专线和高速铁路正大规模 建设，新建线路的列车运行速度都将达到2 5 0 k m h 以上，轨道刚度沿线路纵向 不平顺这一问题更加明显地显现出来了，特别是对于无碴轨道而言，由于轨道 结构受轨道刚度的影响更大，因此对轨道刚度沿线路纵向的平顺性提出了更高 的要求。 1 。2 轨道刚度不平顺研究的目的与意义 在列车高速运行情况下，车辆一轨道系统的耦合振动不仅仅是轨道几何不 平顺激发的，轨道刚度不平顺也是导致车辆一轨道系统振动的因素之一那么， 轨道刚度不平顺究竟对轮轨系统产生多大的影响正是本文要探讨的问题。鉴于 此，本文研究在轨道刚度不平顺作用下轮轨系统的振动特性，考察其对车辆运 行品质的影响程度与规律，探讨其对轨道部件的变形失效、伤损、以及对线路 的破坏与累积变形产生的动力影响。 此外，既然高速铁路对轨道刚度的平顺性要求很高，且轨道刚度的不平顺 管理也是高速铁路管理的重要组成部分，那么轨道刚度不平顺的管理标准也是 本文探讨的内容之一。由于轨道刚度不平顺是随里程变化的随机过程，因此本 文侧重研究轨道刚度随机不平顺对轮轨系统的动力影响，通过计算车辆一轨道 耦合振动系统的动力响应，探讨轨道刚度不平顺对轨道结构长期动力性能的影 响，以期对轨道不平顺管理提供有益的参考和依据，从而达到改善轨道结构动 力性能，减少轨道的养护维修费用，保证线路良好运行，提高车辆运行品质的 目标。 1 3 轨道刚度对轮轨系统动力作用研究现状 1 3 1 轨道结构刚度计算和试验研究现状 轨道结构是由力学性能差异很大的多种材料组成的结构物，不同的材料其 弹性不一样，也正是这几种不同材料决定了轨道刚度的大小和变化范围。轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 刚度分为轨道整体刚度和轨道部件刚度，轨道整体刚度为轨面刚度，即轨头上 某点发生单位位移时，该点所承受的车轮集中作用力，整体刚度由钢轨及轨下 基础刚度组成；轨道部件刚度则是轨道组成部件的弹性反映，主要有钢轨抗弯 刚度、轨下胶垫刚度、道床刚度、路基刚度。 轨道结构刚度值的理论计算是研究轨道刚度问题的基础，国内外轨道刚度 计算和试验方法方面做了大量工作。1 8 6 7 年w l n k l e r 提出了弹性地基梁理论， 并建立了连续弹性支承梁铁路轨道模型，成为轨道力学分析模型的基础。该模 型中就涉及了轨道整体刚度。欧洲的高速铁路采用允许变形的方法来确定轨 道整体刚度”1 ，即假设车辆轴重2 0 0 k n 情况下，轨道允许变形不超过1 2 m m 。 日本等铁路发达国家提出了高速铁路轨道整体刚度值应控制在5 0 1 0 0 k n m m 。 我国在轨道刚度计算方面也做了很多工作，其中基于弹性地基梁的方法已列入 行业标准“1 。 关于部件刚度的计算，文献【6 】把道床作为一个参振整体，应用载荷向下作 锥体分布的假设，建立道床模型，并据此计算出道床尉度和路基刚度。练松良 教授应用弹性地基梁理论，根据钢轨基础弹性系数和钢轨的抗弯刚度计算出轨 道整体刚度，把扣件和胶垫刚度并联计算出第一层的支承刚度，考虑了道床单 层和多层两种情况，分别算出单层和分层情况下道床的刚度值，应用土力学理 论，把路基看成半无限弹性地基，计算出路基刚度”1 。赵国堂运用四种不同的 方法确定了轨道整体刚度和部件刚度”。 在试验测试方面，我国做的工作不是很多。其中的重大进展是铁道科学研 究院铁道建筑研究所1 9 9 4 年开发研制了新型轨道弹性检测车”1 ，该车能够测试 轨道的整体刚度，而且是动态刚度。上海铁道大学铁道建筑工程系主要针对钢 轨垫板和道床进行了动力参数的试验研究，测试了不同型式、厚度的轨下胶垫， 得到了静刚度、动刚度和阻尼的分布范围、分布规律及温度特性、时变特性； 基于室内实尺道床模型试验，研究了道床动力与静力参数的测试方法，测试了 我国i 级、级道碴道床的静刚度、动刚度和阻尼，统计出它们的分布范围、 分布规律，基于大型动三轴试验设备，研究了道床弹性的主要影响因素”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 2 轨道刚度合理值及合理匹配研究现状 随着铁路高速和重载技术的发展，人们加强了对轨道刚度的重视程度，开 始探讨轨道刚度合理取值和合理匹配的问题。1 9 8 4 年，a 1 0 p e zp i t a 教授提出了 应用轨道耗散能量与簧下质量引起的垂向动态应力相互平衡得到最优轨道垂向 刚度的方法”“。日本、德国等采用无碴轨道结构型式的国家为了改善轮轨动力 作用，各自提出适合自己国家轨道型式的轨道刚度值。我国关于轨道刚度合理 值及合理匹配的研究起步较晚，直到1 9 9 8 年铁道部科技司的将“轨道刚度合理 值及其合理匹配的研究”作为重大科技项目”“，集合了铁道科学研究院等几家 科研院校联合攻关，才开始了这一问题的探讨，取得了很多有价值的原刨性成 果，并发表了一系列论文”。由于路基刚度大小对轨道刚度起着决定作用， 宫全美研究了高速铁路地基刚度的合理取值范围，讨论了地基刚度对路基动力 反映的影响”“。 1 3 3 轨道刚度不平顺的动力作用研究现状 对于轨道刚度不平顺的研究，国内外已经做了较多工作。1 9 8 5 年长沙铁道 学院随机振动研究室将轨道不平顺分为弹性不平顺和几何不平顺，弹性不平顺 也即是轨道刚度不平顺”。翟婉明教授对轨道动力型刚度不平顺做了系统研究 ”，初步给出了轨道过渡段刚度不平顺、道岔区刚度不平顺、轨下基础变化( 轨 枕空吊、道床暗坑、道床板结等) 刚度不平顺的数值模拟。蔡成标研究员对两 种轨下基础刚度不同的轨道结构的过渡区段动力学特性做了进行了大量的研 究，分析了有碴轨道及无碴轨道的典型过渡段的刚度特性，运用车辆一轨道耦 合动力学理论，建立了多种不同轨下基础连接的过渡段动力学模型”。南非 的f r 6 h j t n g 在研究重载铁路轮轨相互作用时，考虑轨道刚度的非线性特性，最 初建立了车辆一轨道垂向单层模型，车辆考虑为一个刚体系统，计算了车辆一 轨道在轨道刚度不平顺作用下的动力响应，得出轨道刚度不平顺对车辆的运行 品质影响不大，但是会对轨道产生附加动力、是轨道破坏的重要原因的结论， 稍后建立了更为详细的车辆一轨道垂向模型，考虑了车辆的悬挂特性，引入了 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 轨道破坏预测模型，预测轨道的道床沉降，并把仿真结果和实测数据进行对比 分析，得出了轨道沉降和轨道刚度变化的初步关系，能够预测轨枕空吊等轨道 病害，取得了较好的效果”1 。2 0 0 1 年，j o s c a r s s o n 建立了车辆一轨道离散点 支承模型，在模型中将钢轨垫层刚度、道床刚度、道床和路基的参枕质量轨枕 间距等参数作为随机变量，把轨下胶垫刚度、道床刚度考虑为正态分布，利用 摄动方法和随机振动的方法，以轮轨粗糙度谱为几何不平顺输入，得出了轮轨 作用力、轨枕位移、轮对加速度最大值的均值和标准差，这是首次引入轨道结 构参数的随机特性一。a n d r e a sl u n d q i v s t 在其博士研究期间主要研究了轨道剐 度不平顺对轮轨系统的动力影响分析，运用有限元分析软件a n s y s 建立了高 速铁路有碴轨道模型，探讨了轨道刚度不平顺的特殊情形一轨枕空吊对轨道结 构的动力冲击影响，其后来发表的论文中，在原来模型的基础上，研究了轨道 刚度变化对轨道结构产生的破坏。同时利用优化软件l s o p t 对轨道刚度进行 优化，提出减少轮轨动力作用的对策。一”。k a r lp o p p 等人在车辆一轨道一路基 系统动力学和长期性能的研究项目中，讨论了轨道刚度对轨道长期动力性能的 影响1 。h n i a 和j 1 e g a g a 发表的论文讨论了轨下胶垫刚度对轮轨相互作用及 对钢轨波磨增长的影响”1 。l a r sa n d e r s e n 建立了单自由度轮对一轨道相互作 用模型，轨道为k e l v i n 基础支承的b e m o u l i - - e u l e r 梁的单层连续支承结构，轨 道刚度沿轨道纵向不均匀分布，样本为经o m s t e i n - - u h l e n b e c h 滤波器滤波的高 斯白噪声，分析了不同波长情况下基础刚度变化对轨道振动的影响”。雷晓燕 也建立过类似的轨道振动分析模型1 ，仅仅考虑单轮对在弹性基础上的运动， 并求出了轨道结构动力响应的解析解，计算了轨道刚度突变的情况，研究结果 表明，存在轨道几何不平顺作用的情况下，轨道刚度突变对轨道振动产生了较 大的影响。同济大学在刚度不平顺方面也做了很多工作，练松良教授”1 讨论了 轨道刚度变化对轮轨冲击荷载的动力影响，结果表明轨道刚度变化对低频冲击 荷载影响较大，刘富1 运用车辆一轨道耦合动力学理论研究了轨道纵向刚度变 化对轮轨受力的影响。探讨了轨下胶垫刚度、道床刚度对车辆和轨道受力产生 的影响，俞峰”运用小波分析了轨下胶垫刚度、道床刚度对客车轴箱加速度的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 影响。国内外在轨道刚度对轮轨高频振动的影响方面所做的工作较少，徐志胜口刀 研究了在轮轨随机垂向短波激扰下轨道刚度对高速轮轨系统振动噪声的影响， 并通过对轨道刚度的优化，在轮轨系统减振降噪方面做了有益的尝试。 1 3 a 轨道刚度不平顺研究存在的问题 基于以上分析，轨道刚度不平顺确实是目前铁路轨道动力学中存在的一个 重要的问题，前人做了很多工作，但是还存在以下几点不足和问题： 1 对轨道刚度不平顺的研究绝大部分限于轨道刚度突交的情况，郎轨道刚 度沿轨道纵向的突变动力型不平顺； 2 事实上，轨道刚度不平顺是随轨道里程变化的随机变量，因此，运用随 机振动的理论研究轨道刚度不平顺对轮轨系统的动力影响是一个比较符合实际 的处理方法： 3 轨道刚度不平顺是一个系统的问题，涉及轨道整体刚度、部件刚度、轨 道动刚度等几个方面的问题，但是目前的研究尚缺乏这几个指标的比较完善的 实测统计规律，因此轨道刚度不平顺准确的数值模拟是一个非常关键的问题， 也就是说模拟出类似于轨道几何不平顺谱的“轨道刚度不平顺谱”显得十分重 要； 4 轨道剐度不平顺大多限于有碴轨道的研究，而对无碴轨道刚度不平顺的 动力影响研究相对较少。 1 4 研究内容、研究目标和论文的结构形式 1 4 1 研究内容 轨道不平顺管理是高速铁路管理的重要组成部分，随着我国客运专线以及 高速铁路的兴建，列车的运行速度大幅提高，轨道不平顺对轮轨系统的动力影 响显得越来越明显，如何确定轨道不平顺的影响，分析几何不平顺与刚度不平 顺的影响范围，研究考虑轨道刚度不平顺与未考虑轨道刚度不平顺时轮轨系统 动力响应的差异，确定出轨道刚度不平顺的动力作用范围正是本文研究的目的 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 所在。 由于轨道不平顺的存在而产生了动力作用，进而对轨道结构产生影响，轨 道结构的变形和破坏形成了轨道不平顺，因此轨道不平顺的形成是一个长期过 程，并且和轮轨动力作用是一个互为因果的关系。鉴于此，初步探讨轨道刚度 不平顺与轨道结构的变形破坏之间的关系，也显得非常重要，这也是本文研究 的另一目标。 随着技术的发展，特别是电子计算机技术的发展，人们在车辆一轨道相互 作用的动力学理论研究方面，已经做了大量的工作，车辆与轨道之间的耦合关 系也做了深入详细的研究。轨道不平顺对轨道结构的动力影响主要体现在垂向 动力相互作用，本文基于车辆一轨道耦合动力学理论，建立车辆一轨道垂向相 互作用模型，仅分析车辆一轨道垂向耦合系统的动力响应。 综上所述，本文采用理论分析、数值模拟、计算仿真相结合的研究思路， 对轨道刚度不平顺对轮轨系统的动力影响分析进行研究，主要做了如下内容： i 运用车辆一轨道耦合动力学理论，建立整车一有碴轨道、整车一土路基 上板式轨道、整车- f l u 性基础上板式轨道垂向耦合模型，采用f o r t r a n9 0 编制车 辆一轨道垂向耦合模型的计算软件，轨道结构包括有碴轨道、土路基及刚性基 础上板式轨道两种结构型式； 2 结合实测资料，分析轨道部件刚度的统计特征，分别考虑不同的轨道结 构型式、不同轨道路段情况下，轨道部件刚度的统计规律； 3 总结动力型轨道刚度不平顺的模拟方法，并采用m o n t e - c a r l o 方法，建立 轨道刚度随机不平顺模型，给出轨道刚度随机不平顺的模拟样本； 4 确定轨道刚度不平顺对轮轨系统动力影响的评价体系，确定动力学评价 指标；利用车辆一轨道耦合动力学模型和仿真计算软件，计算轨道刚度不平顺 作用下轮轨系统的动力响应；研究考虑轨道刚度不平顺时，耦合振动系统动力 响应的差异，分析比较轨道刚度不平顺的影响范围；初步讨论轨道剐度不平顺 对轨道结构的破坏和变形的影响：提出轨道刚度不平顺的评价指标，为轨道结 构的养护维修提出意见和建议； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 5 研究了土路基一刚性基础上板式轨道过渡段的动力特性分析，探讨轨道 刚度不平顺对无碴轨道的动力影响。 1 4 2 本文的结构形式 本文的结构形式及采用的研究方案如下： 第一章，绪论。首先，对轨道刚度计算与轨道刚度不平顺研究的国内外现 状做概述性分析；其次，着重介绍国内外在轨道刚度不平顺对轮轨系统动力影 响方面所做的工作；最后，对本文的研究内容、研究目标及论文的结构形式作 了说明。 第二章，轨道刚度不平顺研究方法与模型。首先，对轨道刚度不平顺研究 的现状做概述性说明，并提出其中存在的问题；其次，介绍集中轨道刚度确定 性不平顺的模型，包括轨枕空吊、道床板结及一些特殊过渡段的情况：然后， 介绍随机振动问题的研究方法m o n t e - c a r l o 方法，包括m o n t e - c a r l o 方法的适用 范围、抽样技巧等；最后，详细研究了轨道剐度随机不平顺的模型，包括轨道 部件刚度的统计特征、轨道部件刚度的相关分析、轨道刚度随机不平顺的模拟 样本。 第三章，轮轨动力学理论及数值仿真程序。首先，基于车辆一轨道耦合动 力学理论，建立了车辆一有碴轨道耦合动力学模型和车辆一板式轨道耦合动力 学模型；其次，根据车辆一轨道耦合振动模型，建立车辆系统、轨道系统的振 动方程，轮轨相互作用关系由h e r t z 接触理论确定；然后，介绍了轮轨接触面的 激励模型，包括轨道几何不平顺和轨道刚度不平顺激励模型：所建立的车辆一 轨道系统是一个庞大的系统，如何快速有效求解该系统就显得尤为重要，这一 部分就主要讨论数值求解方法；最后，根据模型和方程编制轨道不平顺对轮轨 系统动力作用程序，程序包括轨道刚度不平顺模型、轨道几何不平顺模型( a r r 6 级谱和德国高速谱等) 、轮轨耦合振动模型。 第四章，轨道刚度不平顺对轮轨系统动力性能动力影响分析。首先，介绍 动力学计算的条件和动力学评价指标；其次，计算分析了轨道刚度不平顺的特 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 殊情况，包括轨枕和道床等因素的影响；然后，详细地计算了轨道刚度随机不 平顺对车辆和轨道结构的动力作用，分析了考虑轨道刚度不平顺和不考虑轨道 刚度不平顺时轮轨系统动力响应的差异i 最后，分析了土路基一刚性路基板式 轨道过渡段的动力特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章轨道刚度不平顺研究方法与模型 2 1 概述 轨道刚度是轨道结构的重要参数，轨道刚度影响着轨道反力分布、轨道结 构振动和动态传递。车辆在轨道上的运动是一个复杂的动力学过程，轨道刚度 反映轨道的支承性能，是影响轮轨相互作用和列车运行品质的重要因素。轨道 刚度包括轨道部件刚度和轨道整体刚度，轨道部件刚度主要由钢轨抗弯刚度、 钢轨垫层刚度、道床刚度及路基刚度组成。轨道整体刚度总体反映轨道的“软 硬”程度，而轨道部件刚度由轨道各个部分的材质决定，反映了轨道部件的弹 性，是决定轨道刚度的主要因素，直接影响着轨道整体刚度的大小，同时轨道 刚度不平顺是通过轨道部件刚度沿线路方向的变化来表征。 钢轨是铁路轨道的主要组成部件，作为一根支承在连续( 或点支承) 弹性 基础的无限长梁”，承受轮载作用下的弯曲应力，依靠本身的抗弯刚度抵抗轮 载作用下的弹性弯曲，钢轨的抗弯刚度是轨道整体刚度的重要组成部分，一般 情况下( 道岔区除外) 钢轨的抗弯刚度为定值，不考虑其变化。 钢轨垫层是提供轨下基础刚度的主要部件之一。试验表明”，轨下胶垫对 轨枕的受力有显著影响，在承受冲击荷载时，可以显著降低中、高频域冲击对 道床和路的传递，已经成为轨道结构减振的重要部件。不同的使用期限，不同 的通过运量、不同的温度环境对胶垫的刚度值都有很大影响。 对有碴轨道来说，碎石道床是轨道结构的重要组成部分。道床承受来自轨 枕的压力并均匀地传递到路基面上，提供轨道弹性，减缓和吸纳轮轨的冲击和 振动，因此道床刚度是反映轨道动力性能的重要参数。道床刚度主要由其弹性 模量和泊松比等决定，但是由于碎石道床的压实密度的不均匀特性，道床支承 刚度沿轨道纵向有很大的离散性”。 路基是线路的重要组成部分。路基同时承受着轨道静荷载和列车动荷载的 作用，路基刚度反映了路基对轨道部分的支承性能，也是研究轮轨动力学的重 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 要参数。由于路基在不同区段的填料材质不同，填充密实度也不一致，且在重 复荷载作用下产生累计变形，沿线路方向是不均匀的，因此路基刚度值沿线路 方向也具有不平顺的特点。 由以上分析知道，由于轨道部件刚度沿轨道方向的不均匀性，形成了轨道 整体刚度的不平顺。 2 2 轨道刚度的计算 轨道刚度计算包括轨道整体刚度和轨道部件刚度两方面的计算1 2 0 】。所谓轨 道整体刚度指的是综合考虑轨道和路基以后的线路刚度，图2 1 为轨道整体刚 度的计算模型。 尸 幸三 雩辱 r ， 图2 - i 轨道整体静刚度计算模型图 视钢轨为连续弹性基础上的无限长粱，根据连续弹性基础梁理论，轮载p 作用处的钢轨挠度可表示为： j ，：娑( 2 - i ) 7 2 七 式中，口为轨下基础与钢轨的刚比系数( m 1 ) ，露为轨下基础弹性系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( n m 2 ) 。 = 去( 2 - 2 ) 七：监(2-3) 式中，e 卜钢轨的抗弯刚度( n m 2 ) 矿轨枕间距( m ) 配_ 轨下基础的点支承刚度( n m ) 根据模型，轨下的点支承刚度为轨下部件刚度的串联 磁= 砀再k e 瓦k b k i f 万 q 哪 式中，岛一轨下胶垫刚度 岛一道床刚度 厨路基刚度 定义轨道整体刚度为k ，则 k = 二- ( 2 5 ) 那么由上面几个式子可以得到 k = 2 a 一 ( & ) ( 4 可) ( 2 - 6 ) 由公式( 2 6 ) 知道，轨道整体刚度值由轨道部件刚度值决定，那么研究轨道 整体刚度不平顺就转化为讨论轨道部件刚度值的问题。 钢轨的抗弯刚度一般情况下是个定值，与钢轨的弹性模量及截面惯性矩有 关，文献【6 】给出了不同重量钢轨的抗弯刚度。 轨下胶垫刚度值的确定一般由试验测得。根据线路要求，橡胶垫板可以设 计采用不同材质、不同厚度、不同的结构型式。不同的使用年限，不同的通过 运量，不同的环境温度和不同加载条件( 荷载大小和加载频率) 等因素将会对 轨下胶垫的刚度值产生很大的影响。国内外对轨下胶垫的动力性能做了大量的 工作，试图改进现有垫板的型式，以求获得更好动力性能的垫板。我国制定了 铁道行业的试验标准t b t 2 6 2 6 9 5 【4 “，包括了轨下垫板的测试方法。按照该标 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 准，可以测试出不同厚度、不同结构型式、不同使用年限、不同通过运量、不 同环境温度的各种垫板的静刚度岛。 道床刚度值与碎石道床的厚度、密度等有关，一般也是由试验测得，但由 于碎石道床的密实度及累积沉降沿线路方向是不均匀的，测得的道床刚度也必 然有很大的离散性。文献【6 】介绍了基于道床参振模型，模型应用一个载荷向下 作锥体分布的假设，即假定道床项面压力为均布，并且以扩散角口向下传递到 路基顶面、同时考虑相邻轨枕的影响，模型中道床刚度的计算方法如下，若道 床的弹性模量为历，则道床刚度可由下式计算： = 2 t g a ( r e 一嵋) e ( 2 - 7 ) 式中，昂一道床弹性模量( n m 2 ) 1 1 6 _ 道床厚度( m ) 卜荷载面积的长度，即半根轨枕的有效支承长度( m ) ，广_ 荷载面积的宽度，即轨枕底面宽度( m ) 口扩散角( o ) 相应地，根据道床荷载传递模型，路基刚度等于道床接触面上的锥体底面 积与路基的模量之积： k = e ，( 乞+ 2 h b t g o r ) ( 1 b + 2 h 6 t g a ) ( 2 - 8 ) 式中，e ，道床弹性模量o 叭n 2 ) 2 3 动力型轨道刚度不平顺模拟 动力型轨道刚度不平顺指的是由于轨下基础缺陷所引起的轨道沿纵向的弹 性不均匀现象”。事实上，动力型轨道刚度不平顺没有任何的异常迹象，只有 车辆通过这些区段时，才会出现不同于正常区段的轨道变形与冲击。这种作用 久而久之便会导致轨道的局部永久变形，从而有可能造成轨道几何状态的恶化。 随着几何不平顺的发展，车辆一轨道相互作用增强，轮轨系统动力作用加剧， 影响行车的舒适性、安全性、平稳性。一般来讲，当轨道存在动力型刚度不平 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 顺时，必然是轨道部件发生了病害，如扣件松脱产生轨扰失效，道床产生板结、 松软，轨枕空吊等。另外，不同轨道结构相连接的过渡段也是属于轨道动力型 不平顺。 2 3 1 扣件失效 由于扣件的松脱、松脱，或者由于该处轨枕失去正常的工作能力，造成了 此处轨道刚度不平顺，此种情况是典型的动力型轨道刚度不平顺。设该处支点 的轨下胶垫的支承刚度和阻尼为岛和g ，则 k = 0 - - cp：o(2-9) 2 3 2 轨枕空吊或道床暗坑 轨枕是轨道结构的主要部件之一，承受来自钢轨的压力，并弹性地传递于 道床，起着有效地保持轨道几何形位的重要作用。实际线路中。轨枕的支撑结 构( 包括道床、路基等) 沿轨道方向的特性未必一致，轨道结构承受的荷载也 随时变化，因此道床产生了不均匀累积变形，导致有些轨枕与道床没有接触， 形成轨枕空吊。 由于空吊轨枕的存在，该处道床丧失正常的工作能力，列车通过时必然会 产生不同正常区段的轨道变形。设该处道床的支承刚度和阻尼为岛和g ，则 磐( 2 - l o ) c = o 2 3 3 道床板结或松软 对有碴轨道而言，随着轨道运行时间的不断增长，道床的不洁程度逐渐加 重，道碴孔隙逐渐被堵塞，阻碍道床的正常排水。在机车车辆动力作用下，先 在道床底部形成硬层，阻碍道床排水，然后逐渐发展，使道床失去弹性，形成 道床板结。 由于轨道维修等因素( 如道床破底清筛) ，会形成道床松软路段。在道床松 软路段，由于碎石道床还未稳定，道床的支承能力也不充分，沿轨道纵向轨道 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的弹性也不均匀。 无论道床板结还是道床松软路段，轨道刚度和正常路段比较都差别很大， 都会造成轨道刚度不平顺。下面是铁道科学研究院测试的结果，道床板结线路、 道床松软线路、正常线路轨道的整体静网1 4 3 1 分别为9 4 2 、3 6 6 、4 8 6 k n r n m ， 对应的轨道动刚度分别为1 0 4 3 、6 6 2 、9 3 1 k n m m ，可以看出道床刚度对轨道 刚度影响很大。 我们这里引入一个影响因子五。设正常线路的道床刚度的影响因子为1 ，那 么板结路段的影响因子五 l ，设正常路段的道床刚度为岛，板结路段的道床刚 度为 ，则 b = 五吃 ( 2 1 1 ) 根据道床板结程度的大小，可以赋予五不同的值来确定道床的刚度，一般 情况下1 五 1 0 。 同样地，假定0 五 1 1 7 m n m 。事实上，路基刚度值和道床刚 度值一样也有很大的离散性，其值也是在定范围波动。 2 4 3 轨道整体刚度统计特征 铁科院铁建所于1 9 9 4 年研制出了新型轨道弹性检测车，可以测量轨道的连 续整体刚度。1 9 9 8 年6 月7 日至9 日，弹性检测车检灏了郑武线2 4 0 k m h 高速 试验段的轨道弹性下沉量，结果显示了试验段的轨道弹性变形的变化规律和变 化范围一1 。 1 9 9 9 年1 1 月1 日至4 日，铁建所利用轨道弹性检测车测试了沪宁线试验段 的轨道整体刚度，主要测试了道床松软区、道床板结区、道床稳定区、桥头过 渡段、隧道进出口等区段的道床整体刚度。试验段选在