车辆系统动力学第十讲

第八章轨道激扰与轨道谱,主要内容：,第一节铁路轨道基本构造基本特性第二节轨道不平顺形式第三节轨道不平顺功率谱第四节轨道不平顺数值模拟第五节线路条件对车辆系统振动影响,轨道几何形状的变化是引起车辆系统各种动态响应的主要原因。本章在介绍轨道确定性激扰后，给出了随机性激扰类型以及目前常用轨道。最后，在测试结果基础上，分析不同轨道激扰对轴向载荷的影响，由此表明车辆系统载荷与轨道状态密切相关。,第一节铁路轨道构造基本特性,车辆运行时产生的振动对其走行部分和其他重要零部件的强度、运行平稳性和稳定性有着重要的和决定性的影响。轮轨间相互作用力的大小、轮对运行状态和车辆振动特性都与轨道特性直接相关。,铁路轨道由钢轨、轨枕、连接零件、道床及道岔等组成。轨道的作用是引导列车运行，同时直接承受由车轮传来的机车车辆的重量并把它传递给路基或桥隧建筑物。,轨道分类：直线和曲线轨道；木枕轨道和混凝土轨道；普通轨道和无缝轨道。,一、钢轨定义：常用碳素钢或中锰钢制造，其断面为工字形，用以承受机车车辆车轮载荷，并将承受的载荷传给轨枕；同时为车轮的滚动提供连续、平顺的表面和引导车轮运行，这种轨道部件称为钢轨。,钢轨的种类通常以每米钢轨的重量表示。我国标准钢轨的长度定位12.5m及25m两种。目前我国铁路上采用的主要钢轨有60kg/m、50kg/m两种。对于有缝轨道，钢轨接头处用鱼尾板及螺栓进行连接，以保持轨线连续，并预留轨缝以适应钢轨热胀冷缩需要。,二、轨枕轨枕承受来自钢轨的各种压力，并将其传布于道床，同时有效地保持轨道的轨距、方向和位置。轨枕经历了木枕到混凝土轨枕的过程。,木枕的优缺点：优点：弹性好，可显著的减小轮轨间的动作用力，易于加工、运输、铺设及修理，与钢轨的连接比较简单等。缺点：使用寿命短，强度、弹性及耐久性不一致，在轮重作用下易出现轨道不平顺。,三、道床道床是轨枕的基础，作用是传递轨枕载荷到大面积的路基上，阻止轨枕移动及排除地表水。道床的厚度和宽度是根据铁路等级确定的，中国铁路规定道床厚度为2550cm。国内铁路在使用混凝土轨枕的线路上规定道床宽度为3.1m，碎石道床的边坡为1:1.75。,由轨枕传递给道床的静、动载荷较大，道床变形，且各部分变形程度不同。从而在钢轨、轨枕和道床间形成了间隙，且间隙值不同。因而在轨道的不同点作用同一轮重时其下沉量是不同的。这就形成了轨道的弹性不均匀。,现代高速线路普遍采用高架桥整体道床无砟轨道结构。整体道床由混凝土整体灌筑而成，道床内可预埋木枕、混凝土枕或混凝土短枕，也可在混凝土整体到床上直接安装扣件、弹性垫层和钢轨，又称为整体轨道。,第二节轨道不平顺形式,引起车辆振动的原因是多方面的，按激振源的性质可将其分为瞬时冲击性的、周期性的和随机性的三类，前两种称为确定性激扰，后一种称为非确定性激扰。,一、确定性激扰轨道确定性激扰主要有低接头、错牙街头、轨道剥离、宽轨缝、辙叉有害空间以及转辙区轮轨横向冲击等。,1、脉冲型激扰,无缝线路是一种把普通钢轨焊接起来不留轨缝的线路。长轨是在规定温度范围内铺设并固定在轨枕上，长轨端部有轨缝，而中间部分不能随温度升降而伸缩。无缝线路大量减少了钢轨接头，减少了车轮通过接头时对钢轨的冲击，有利于降低轮轨噪声、节约线路维修费用、延长钢轨使用寿命等。,当车辆行经道岔及进入无缓和曲线的圆曲线时，轮对在垂向和横向上受到瞬时冲击。,为保证车辆在道岔上运行具有足够的稳定性，必须保证车轮轮缘冲击尖轨产生的较大水平力不只是轮缘爬上尖轨，或者对尖轨产生伤损。,2、周期性激扰车轮踏面擦伤、车轮质量偏心、轮重不均衡，车中装有发动机等，都属于周期性激扰源。,3、谐波型激扰在某些情况下，轨道几何状态不平顺可用单个或多个谐波来近似描述。例如：在道岔区间隔铁在轮载反复作用下形成的轨道横向和垂向不平顺、钢轨接头轨端在车轮反复作用下形成的轨头局部压陷等。,对于单一谐波，可以简单地用余弦函数来描述其轨面外形，涉及的描述参数主要有两个：不平顺波长和波深。对于多波激扰，还需要涉及位移输入函数中间变量t。,道岔转辙区垂向不平顺是一典型的单一谐波激扰。转辙区的垂向不平顺出现在基本轨与尖轨的过渡区段。当车轮从基本轨滚向尖轨时，由于尖轨轨面低于基本轨，开始时车轮略有下降；当车轮离开基本轨滚上尖轨后，开始用较小的滚动圆滚动；当车轮完全滚上尖轨时，因为尖轨和基本轨逐渐拉平，车轮又逐渐升高。,从下图中可以看出，尖轨轨宽35mm处波深最大，且波长一般为尖轨顶宽20mm和55mm之间对应的尖轨纵向长度。,道岔区另一个具有明显特征的不平顺出现在辙叉区。当车轮从翼轨滚向心轨时，随着车轮逐渐离开翼轨，车轮滚动圆半径越来越小，车轮重心不断下降，为了不使车轮撞击心轨端部，把该处的轨面急剧降低，随后又逐渐升高与原来的轨面齐平，这样当车轮完全滚上心轨后，车轮就逐渐回升到原有高度。当车轮在辙叉上滚动时，其重心驶过的轨迹就是这一不平顺所表示的轨迹。,上图为法国的1/20号固定式辙叉在垂向上的磨耗情况。这一不平顺可用下图的规范化曲线来加以描述，曲线的前半部分属正弦型，后半部分为三角形。,4、确定型轨道激扰输入方式确定性轨道激扰，可分为加速度、速度、位移、力等形式。如果只是研究车辆系统垂向振动，可在某一时刻或某一段时间段内，直接将其输入相应的运动方程，即如果还涉及车辆系统横向振动时，加速度型、速度型和作用力型激扰仍可按前述方式输入。,二、动力型激扰对于有缝轨道，接头区域的动力不平顺具有周期性，但非接头区域的动力不平顺是随机的。为了消除钢轨接头，就出现了将普通钢轨连续焊接起来的无缝钢轨。无缝线路的动力不平顺完全是随机的，它没有确定的形状和规律。与有缝线路相比，无缝线路的动力不平顺明显要小。动力不平顺具有波状特征，其波长值在1m左右到数十米甚至数百米之间变化，其波幅值可在几毫米到十几毫米甚至更大的数值之间变化。,道岔区道砟难以捣固得十分均匀，因而每根岔枕下的道床密度和弹性不尽相同，当受载车轮在其上滚动时，就将“陷入”这一不平顺之中，但在车轮远离之后，弹性不平顺即行消失。道岔区具有较强的弹性不平顺，它只有在车辆运行条件下才出现。,下图是车辆通过12号可动心轨式单开提速道岔时，第1位轮对下钢轨下沉量响应。可见，在道岔区不同位置，钢轨下沉量存在较大差异。这也说明，道岔区弹性不平顺和几何不平顺不同，它是无法看到的，只能在车辆运行条件下出现。,三、随机性激扰在线路的平直道区段，钢轨并不是呈理想的平直状态，两根钢轨在高低和左右方向相对于理想的平直轨道呈某种波状变化而产生偏差，这种几何参数的偏差就称为轨道的不平顺。,轨道上在没有车轮载荷作用时所呈现的不平顺称为静态不平顺。车辆沿轨道运行时，轨道在车轮载荷作用下沿长度方向每点呈现不均匀的弹性下沉，由此而形成的轨道不平顺称为动力不平顺，通常简称为不平顺。轨道不平顺对车辆系统是一种激励函数（输入），它是产生车辆各种振动响应（输出）的主要根源。,1、轨道随机激扰种类在直线区段，轨道不平顺有下列四种类型：轨道垂向不平顺轨道水平不平顺轨道方向不平顺轨距不平顺,（1）轨道垂向不平顺轨道高低变化是垂直方向的不平顺，是指钢轨表面在同一轮载作用下所形成的沿长度方向的高低不平。轨道垂向不平顺的数值以左右轨的平均值来表示。轨道垂向不平顺激起车辆的垂向振动，并能使轮轨间产生很大的垂向动作用力。,（2）轨道水平不平顺直线上的轨道水平不平顺是指左右轨对应点的高差所形成的沿轨长方向的不平顺。轨道水平不平顺是引起机车车辆横向滚摆耦合振动的重要原因。,（3）轨道方向不平顺轨道方向不平顺是指左右两根钢轨沿长度方向在横向平面内呈现的弯曲不直。轨道方向不平顺激发轮对产生横向运动，是引起机车车辆左右摇摆和侧滚振动的主要原因。,（4）轨距不平顺轨距不平顺是指左右两轨的轨距沿轨道长度方向上的偏差，数值是：轨距不平顺是由左右两轨的方向不平顺派生的，轨距大小对轮轨磨耗和车辆运行稳