紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用

为了优化坡道上钢弹簧浮置板轨道的设计, 在考虑轮轨纵向作用关系与钢弹簧浮置板轨道特点的基础上, 运用多体动力学理论和有限元法建立了紧急制动条件下地铁车辆与钢弹簧浮置板轨道动力相互作用模型, 利用多体动力学软件UM验证了模型的有效性, 分析了车辆与轨道的动力响应。研究结果表明: UM软件与本文模型计算得到的车体纵向加速度和轮轨纵向力平均相对误差分别为1.3%、2.8%;在紧急制动过程中, 车体始终处于向前点头和纵向振动的状态, 导致前轮增载, 后轮减载; 由于板与板之间不连续, 钢轨和浮置板之间会产生纵向相对错动, 须注意钢轨与浮置板之间不协调的纵向变形; 间隔2组扣件布置一对隔振器方案(方案1) 所得板端钢轨垂向位移比板中大0.2 mm, 间隔2组扣件布置一对隔振器, 再间隔3组扣件布置一对隔振器方案(方案2) 所得板端钢轨垂向位移比板中小0.5 mm; 2种布置方案下, 轨道纵向变形相差不超过5%, 扣件和钢弹簧受到的纵向作用力相差不超过15%;短波轨道不平顺显著加剧了钢轨和浮置板的垂向振动效应, 不平顺状态下钢轨最大垂向加速度可达15g左右; 钢弹簧浮置板轨道可以降低传递到基础底部的垂向振动, 加速度降幅约为0.2 m·s-2, 但会显著放大低频段钢轨、浮置板的垂向振动, 振动量增幅约为15 dB。      

CRTSⅡ型板式轨道底座板后浇带脱空对轨道结构与行车的影响

在不间断行车情况下, 采用超高压水射流法对桥上CRTSⅡ型板式轨道底座板后浇带进行修复; 建立了CRTSⅡ型板式轨道结构静力计算模型, 分析了底座板后浇带不同脱空长度对钢轨、轨道板垂向位移与轨道板拉应力的影响; 建立了车辆-轨道耦合动力计算模型, 分析了底座板后浇带完全脱空长度为1.0 m时, 正常行车对轨道结构、行车安全与舒适性的影响。计算结果表明: 在1.5倍静轮载作用下, 随着后浇带脱空长度增大, 钢轨与轨道板垂向位移随之增大, 当底座板后浇带完全脱空长度为1.0 m时, 钢轨和轨道板的垂向位移均增大了0.03 mm, 说明完全脱空对其垂向位移影响较小; 后浇带脱空长度分别为0.7、0.8、0.9、1.0 m时, 轨道板的最大拉应力分别为0.96、1.12、1.18、1.22 MPa, 后浇带完全脱空时轨道板的最大拉应力小于其抗拉强度设计值1.96 MPa, 轨道板不会开裂; 列车运行速度为300 km·h-1, 后浇带完全脱空长度为1.0 m时, 钢轨和轨道板的最大垂向位移分别为0.91、0.32 mm, 均小于《高速铁路工程动态验收技术规范》 (TB 10761—2013) 中钢轨和轨道板垂向位移的基准值1.5、0.4 mm, 说明后浇带脱空后正常行车对轨道结构不会造成较大的影响; 后浇带完全脱空时, 轨道板垂向加速度约为正常时的3倍, 说明正常行车将会增大下部基础的振动强度。静、动力分析结果表明, 采用超高压水射流法修复底座板后浇带可允许列车以正常速度通行。      

提速线路轨道不平顺波长的动力仿真

基于耦合动力学理论,利用有限元方法建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,输入不同截止波长的不平顺数据进行动力仿真计算,以确定轨道不平顺管理波长范围.高低不平顺主要影响车体的沉浮和点头运动,引起车体垂向加速度增大;轨向不平顺主要影响车体的侧滚和摇头,引起车体横向振动加速度增大.长波不平顺的影响主要体现在车体振动上,因此本文选定车体加速度作为确定不利波长的判定指标,对提速线路200km/h和250km/h速度下轨道不平顺波长管理的范围进行了探讨,并提出了提速线路轨道不平顺波长管理的建议.     

轨下垫板参数对轨道结构垂向振动影响研究

以往高速铁路研究的轨下结构过于简化,且只考虑了轨下弹性垫板单一变量对轨道动力学的影响,而不能综合考虑刚度和阻尼参数对轨道结构动力学性能的影响.在车辆-轨道耦合系统动力学理论的基础上,运用动力学软件SIMPACK建立高速车辆-板式无砟轨道模型,通过对原有单层轨道拓扑优化后设置分层,分析轨下弹性垫板刚度和阻尼对板式无砟轨道结构动力学性能影响.研究结果表明:轨道结构细化分层分析与实际高速铁路板式轨道结构更加相符,能够更准确的反映轨道局部结构对轨道垂向动力学性能的影响;垫板老化后的刚度增大加剧轮轨相互作用,降低轨道垂向位移,减弱钢轨的振动,同时导致轨道板振动加强;垫板失效后的阻尼减小同样增强轮轨相互作用,使得轨道垂向位移和振动加速度增大;轨下垫板刚度的敏感参数顺序为轨道板垂向加速度、钢轨垂向加速度、轨道板垂向位移、钢轨垂向位移和轮轨力.     

钢轨轧制不平顺激扰下的动车组动力响应特性

以某有砟客运专线中出现波长为3.2 m的轨道周期性高低不平顺、继而引起“抖车”现象的线路区段为对象,基于同步压缩小波变换提取了轨道几何动、静态检测数据在大机捣固前后的时频分布特征,并结合钢轨轧制流程的梳理分析,明确了轨道周期性高低不平顺的成因,即可能由钢轨轧制过程中复合矫直工艺不良引起. 在此基础上,探究了钢轨轧制不平顺与车辆各部件振动加速度以及轮轨接触力的关联关系,获取了钢轨轧制不平顺对车辆动力响应的影响规律. 结果表明:轧制不平顺使得轴箱、转向架、车体垂向加速度的相干函数分别达到0.97、0.96和0.76,较正常区段分别增长了5%、25%和300%;轮轨垂向力相干函数增长42%,达到0.94,说明轧制不平顺与车辆各部件的振动响应和轮轨接触力密切相关;轧制不平顺将轴箱和车体垂向加速度均方根（root mean square,RMS）值分别放大1.00 m/s2和0.05 m/s2左右;轧制不平顺与轴箱垂向加速度和轮轨垂向力RMS值线性相关性最强,相关系数分别达到0.9和0.8.      

底座板脱空对板式无砟轨道行车动力特性的影响

采用有限元动力学软件ANSYS/LS-DYNA,建立了底座板脱空条件下车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型,以分析底座板脱空对车辆和轨道系统动力性能的影响.计算结果表明:当底座板下纵向脱空长度小于3.125 m(脱空面积10 m2)时,对车辆及轨道系统动力响应的影响较小;当底座板下纵向脱空长度超过3.125 m时,钢轨垂向位移、转向架及车体垂向加速度显著增大,可能危及行车舒适性和安全性,因此建议底座板下纵向脱空长度限值不超过3.125 m.      

快速线路轨道刚度合理值的研究

轨道动态几何形位直接对行车安全、轮轨作用力、车辆振动产生影响.轨道动态几何形位的变化与众多因素相关.轨道刚度变化同时影响着轮轨动荷载和轨道动态几何形位的变化.将沪宁线轨检车实测动态不平顺输入动力仿真软件,分别计算不同垂向和横向刚度时的轮轨动轮载和钢轨的垂向、横向动位移,并改变车辆速度和输入不平顺的大小,分析轨道不平顺、轮轨动荷载和钢轨动位移之间的关系.利用正态分布的原则统计不同状态下动轮载和动位移的最大值,分析对比钢轨动态变形和轮轨动荷载随刚度和速度的变化趋势,提出了合理的轨道刚度取值范围,并分析了初始不平顺大小对轨道动态位移的影响.     

板边离缝对CRTS III型轨道-路基动力特性的影响

为了研究板边离缝对高速铁路基础结构动力特性的影响,利用CRTS III型板式轨道-路基全尺寸试验模型开展了落轴试验,实测了轨道板与自密实充填层一侧界面处离缝的几何分布,并利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了相应的动力有限元分析模型,分析了板边离缝对轨道和路基结构冲击动力特性的影响规律,并利用相应的试验结果对数值结果进行了对比验证. 研究结果表明:轨道板和自密实层界面处单侧离缝的平均宽度和平均高度分别为28.18 cm和2.15 mm;板边离缝宽度对基础结构动力特性的影响要大于离缝高度;在0～800 mm的范围内,随着离缝宽度的增加,轨道和路基位移以及钢轨加速度、轨道板加速度和基床底层加速度都持续增加,其中轨道板的位移和加速度的增幅均为最大,分别为56.8%和143.3%,充填层、支承层和基床表层的垂向加速度随离缝宽度的增加先增大后减小,当离缝尖端扩展至钢轨正下方附近时达到最大值;在0～3 mm的范围内,轨道和路基垂向位移与加速度均随离缝高度的增大而略微增加,最大增幅分别为8%和12%;越靠近离缝界面层面,离缝高度对其冲击动力特性的影响也越显著.      

板边离缝对CRTS Ⅲ型轨道-路基动力特性的影响

为了研究板边离缝对高速铁路基础结构动力特性的影响,利用CRTSⅢ型板式轨道-路基全尺寸试验模型开展了落轴试验,实测了轨道板与自密实充填层一侧界面处离缝的几何分布,并利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了相应的动力有限元分析模型,分析了板边离缝对轨道和路基结构冲击动力特性的影响规律,并利用相应的试验结果对数值结果进行了对比验证.研究结果表明:轨道板和自密实层界面处单侧离缝的平均宽度和平均高度分别为28.18 cm和2.15 mm;板边离缝宽度对基础结构动力特性的影响要大于离缝高度;在0～800 mm的范围内,随着离缝宽度的增加,轨道和路基位移以及钢轨加速度、轨道板加速度和基床底层加速度都持续增加,其中轨道板的位移和加速度的增幅均为最大,分别为56.8%和143.3%,充填层、支承层和基床表层的垂向加速度随离缝宽度的增加先增大后减小,当离缝尖端扩展至钢轨正下方附近时达到最大值;在0～3 mm的范围内,轨道和路基垂向位移与加速度均随离缝高度的增大而略微增加,最大增幅分别为8%和12%;越靠近离缝界面层面,离缝高度对其冲击动力特性的影响也越显著.     

Ⅰ型轨道板端离缝对轨道结构及车辆动力特性的影响

为了研究高速列车荷载作用下,Ⅰ型轨道板端部与CA砂浆层间的离缝现象对钢轨、轨道板及车辆的力学性能的影响,建立了车辆-Ⅰ型板式轨道垂向耦合动力学分析模型.以轮轨力、钢轨位移及加速度、轨道板位移,拉应力及加速度、车辆加速度为评价指标,分析了不同离缝长度和高度工况下上述指标的变化规律.研究结果表明:板端离缝长度越短,轨道板越容易脱空受力;轨道板脱空受力时的离缝高度等于该离缝长度下板的竖向最大位移;离缝长度及高度的变化对轨道结构及车辆的受力状态均有影响,但离缝长度的影响更大;长度不大于0.6 m的板端离缝主要使钢轨及轨道板的变形及受力状态恶化,长度大于0.6 m的板端离缝也会使车辆的振动加速度超过容许值.      

基于多车型CNN-GRU性能预测模型的轨道状态评价

不同车型高速综合检测列车的动力学传递特性不同，使得其对同一线路的车体加速度评价结果存在一定差异.为解决上述问题，本文基于多列动检车的检测数据，将卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）与门控循环单元（gated recurrent unit,GRU)相结合，建立了多车型车辆动力学响应预测模型，通过输入多项实测轨道不平顺和车速预测各车型的车体垂向和横向加速度，并将多车型车体加速度预测值的最大包络作为轨道状态评价依据.结果表明：将高低、轨向不平顺等8项轨道不平顺和车速共同作为输入参数的模型预测性能最优，车体垂向和横向加速度预测的评估指标分别提升了5%～13%和25%～36%;CNN-GRU模型所预测的车体加速度在时域和频域均与实测结果吻合较好，相关系数最大达到0.902；且相比于BP (back propagation)神经网络，各项车体垂向和横向加速度预测的评估指标分别提升了36%～109%和11%～167%；针对某轨道几何状态不良区段应用效果，预测6种车型中有4种车型达到车体垂向加速度Ⅰ级或Ⅱ级超限，有1种车型达到车体横向加速度Ⅰ级超限，提高了轨...     

客货共线无砟轨道钢轨支点压力时程特性分析方法

采用Tekscan压力测量系统现场测试了遂宁—重庆客货共线无砟轨道钢轨支点压力, 提出了高斯函数型钢轨支点压力时程表达式, 并通过现场实测数据对其进行验证; 根据钢轨支点压力时程表达式, 采用时序式加载法对轨道结构模型施加荷载, 并将其动力响应结果分别与车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型的计算结果和现场实测结果进行对比。研究结果表明: 现场实测客货车对钢轨支点的最大压力分别为29.91和82.49 kN, 与中国铁道科学研究院测试结果的相对误差小于20%, 故Tekscan压力测量系统可精确测试钢轨支点压力; 高斯函数拟合所得客货车对钢轨支点压力的时程曲线与实测曲线的相关系数分别为0.962 7和0.966 7, 最大压力与现场实测值的相对差异分别为5.15%和0.46%, 最小压力与现场实测值的相对差异分别为7.23%和24.11%, 故采用高斯函数能较好地模拟客货车对钢轨支点压力的时程曲线, 且货车作用下钢轨支点压力时程的模拟精度略高于客车; 基于时序式加载法的荷载激励-轨道-路基模型计算结果与车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型计算结果和现场测试结果相比, 轨道板最大位移相对差异分别为5.41%和2.70%, 底座板最大位移相对差异分别为2.86%和5.71%, 轨道板最大加速度相对差异分别为14.00%和23.20%, 底座板最大加速度相对差异分别为13.61%和8.73%。可见, 基于时序式加载法和高斯函数型钢轨支点压力时程表达式的荷载激励-轨道-路基模型可靠, 该方法无需建立车体模型, 既能保证计算效率, 又具有很高的精度。      

基于列车振动的高速铁路桥墩沉降控制阈值

为保障高速铁路桥墩沉降区域的列车运行安全平稳性,提出了一种基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论的高速铁路桥墩沉降控制阈值研究方法;探讨了既有标准中的桥墩沉降限值,并确定了影响桥墩沉降控制阈值的关键因素;基于列车-轨道-桥梁动力相互作用理论,考虑轨道随机不平顺、轮轨非线性接触关系等非线性因素,建立了考虑桥墩沉降和多影响因素的高速列车-轨道-桥梁耦合动力学模型;在此基础上,研究了多因素条件下桥墩沉降对列车-轨道-桥梁系统的影响,并从保证列车安全平稳运营的角度提出了适用于中国高速铁路桥墩沉降的控制阈值。研究结果表明:研究高速铁路桥墩沉降控制阈值时不能忽略轨道随机不平顺、温度作用、混凝土收缩徐变等因素的影响;随着桥梁跨度的增大,混凝土收缩徐变和温度作用导致车体垂向加速度和轮重减载率增大,桥墩沉降则导致上述指标减小;考虑多因素后,车体垂向加速度和轮重减载率与不考虑这些影响因素相比明显增大;随着桥墩沉降的增大,列车通过不同不平顺样本时车体垂向加速度和轮重减载率均超标;为保证列车运行安全性与乘坐舒适性,高速铁路桥墩沉降控制阈值建议为10 mm;在本文得到的控制阈值基础上进一步考虑施工误差等其他因素即可得到准确的标准限值,研究结果可为桥墩沉降限值的最终确定提供研究方法和数据支撑。      

高速铁路路基不均匀沉降的动力学识别

高速铁路路基不均匀沉降直接影响列车的动力特性.本文建立了车辆轨道路基空间耦合动力学模型,对沉降区车体振动、轮轨力、钢轨加速度和轨道板加速度等动力特性进行了分析.在车辆动力响应和轨道动力响应中,车体垂向振动加速度受路基不均匀沉降影响最为明显,且最有规律可循.将车体垂向振动加速度作为输入量,基于RBF神经网络对路基不均匀沉降的弦长和幅值进行识别,通过网络逼近性能和输出结果的训练不断优化神经网络模型,最后可得预测效果误差小于2％,可用于路基不均匀沉降的识别.     

客货共线砂浆离缝高度对轨道结构的动力影响

客货共线条件下CRTS I型板式无砟轨道CA砂浆与轨道板普遍存在离缝,为了得到CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响规律,基于车辆-轨道耦合动力学以及子结构模态叠加法,将ANSYS计算的轨道部件子结构的自振特性输入SIMPACK,使用力元连接轨道各部件形成轨道系统,通过轮轨接触面及柔性钢轨节点间的位移和力的数据传递,实现列车和轨道子系统的耦合,建立了含CA砂浆离缝的CRTS I型板式无砟轨道的垂向耦合模型,研究了客货混运条件下CA砂浆离缝高度对轨道结构动力响应的影响. 研究表明:随CA砂浆离缝高度增大,钢轨动态位移、轨道板振动响应及CA砂浆动应力均显著提高;当CRH380通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.24 mm和0.27 mm,轨道板在25 Hz处振级分别增大了21.0 dB和21.7 dB,离缝根部砂浆最大动应力均达到0.2 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响趋于平缓;当SS7E通过,板端离缝高度为1.0 mm和2.0 mm时,钢轨位移分别增大了0.48 mm和0.66 mm,轨道板在8 Hz处振级分别增大了15.5 dB和19.4 dB,离缝根部砂浆动应力分别达到0.24 MPa和0.36 MPa,离缝高度超过1.0 mm后,离缝高度对轨道结构动力响应的影响仍有较大的增长.      

轮轨纵向几何不平顺对直线电机地铁车辆动态行为的影响

为研究直线电机地铁车辆系统在轮轨几何不平顺激振作用下的动态行为,基于车辆-轨道系统耦合理论,建立了考虑直线电机子系统的地铁车辆-轨道耦合系统动力学模型.应用该模型研究了车轮非圆化、钢轨焊接接头几何不平顺以及钢轨波磨对车辆和直线电机系统的振动响应、轮轨作用力及车辆稳定性等特性的影响.研究结果表明,几何不平顺中长波(大于1 m)影响气隙波动,短波(小于1 m)造成轮轨剧烈冲击振动,需特别注意钢轨焊接接头,其可使轮轨作用力增大1.5倍,气隙降低2~3 mm,轮轨甚至发生分离.      

桥墩温度梯度对桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向力的影响

针对桥墩温度梯度引起的桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向附加力与变形, 以梁-板-轨相互作用原理和有限元法为基础, 建立了多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间耦合模型, 详细考虑了钢轨、轨道板、CA砂浆、底座板及桥梁等主要结构和细部结构的空间尺寸与力学属性; 采用单位荷载法计算了桥墩纵向温差作用引起的墩顶纵向位移, 分析了墩顶位移影响下桥上无砟轨道无缝线路纵向力与位移的分布规律。分析结果表明: 当各墩顶发生均匀位移时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上无砟轨道无缝线路纵向力分布规律及其最大值一致, 且随着墩顶均匀位移的增加而线性增大, 轨板相对位移峰值均出现在两侧桥台、台后锚固结构末端以及第2跨和最后一跨固定支座墩顶处; 当墩顶均匀位移为5 mm时, 多跨简支梁桥和大跨连续梁桥上钢轨最大纵向力分别为79.62和79.54 kN, 最大纵向位移分别为4.94和4.91 mm, 轨板最大相对位移均为0.23 mm; 当各墩顶发生不均匀位移时, 钢轨纵向力及轨板相对位移均在邻墩位移存在差异处发生突变, 多跨简支梁桥上固结机构纵向受力大于大跨连续梁桥; 对于高墩桥梁, 需重点关注相邻墩身高差最大处的轨板相对位移、底座板与桥梁相对位移及固结机构的纵向受力。      

提速线路参数对轨道结构振动动力响应分析

建立了移动列车荷载作用下点支承连续弹性粱的轨道结构垂向振动动力学分析模型．针对提速线路,采用动力有限元分析方法。分别讨论并比较了有无钢轨初始不平顺条件下,机车以不同行驶速度通过有刚度突变轨道地段时,轨道结构的动力响应规律．理论分析计算表明,线路初始不平顺和由轨枕失效、暗坑等造成的基础刚度的突变对整个轨道结构的动力响应有着显著影响．     

温梯荷载下桥上CRTS Ⅱ型板式无砟轨道的力学特性

为研究横向和竖向温度梯度对桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道纵向力学特性的影响,以梁-板-轨相互作用原理为基础,建立大跨度连续梁桥上 CRTSⅡ型板式无砟轨道无缝线路空间精细化有限元模型,计算了轨道板竖向温度梯度和阴阳面横向温度梯度荷载作用下各轨道和桥梁结构的纵向力和位移. 结果表明:在其他温度荷载相同的情况下,轨道板竖向温度梯度对钢轨的纵向力和位移影响不大;当阴阳面横向温度差为10 ℃时,连续梁上背阴侧钢轨最大的纵向力是向阳侧的1.4倍,背阴侧桥墩最大的纵向力是向阳侧的3.5倍;在横向温度梯度作用下,钢轨纵向附加力由梁体伸缩和扭曲变形共同作用产生,横向温度梯度越大,背阴侧钢轨纵向力、位移最大值越大,向阳侧钢轨纵向力、位移最大值越小;横向和竖向温度梯度的存在不利于轨道和桥梁结构安全使用,因此,在高温差地区设计东西走向的大跨度桥上无缝线路需重点关注钢轨、轨道板和桥梁墩顶受力,并且对无缝线路的横向稳定性进行验算.      

重载铁路车轮踏面擦伤时的轮轨动态相互作用特征

运用仿真分析手段,考虑车轮踏面新、旧擦伤激扰,研究了重载铁路轮轨相互作用力、轨道结构位移及振动加速度的时、频特征。研究结果表明:在车轮踏面新擦伤作用下,轮轨间将产生高频轮轨垂向力和低频轮轨垂向力,钢轨、轨枕及道床将产生低频振动位移;而对于车轮踏面旧擦伤,轮轨间仅产生高频轮轨垂向力,轨道结构部件的振动位移较小,高频位移幅值略大于低频位移幅值;在新、旧擦伤作用下,钢轨垂向振动加速度的频率很高,前者的道床振动加速度明显高于后者的值,二者的轨枕振动加速度较接近。