车线动力学(应用研究1)

1、第六章车辆第六章车辆轨道轨道路基系路基系 统动力学的应用研究统动力学的应用研究 n车辆轨道路基系统动力学具有十分 广泛的应用，第一章列出了8个主要相关 的应用领域，目前均有不同程度的应用。 n轮轨系统振动特性、车辆结构设计、轨 道刚度及过渡段研究、道岔动力仿真及 设计、轨道病害成因研究、路基动力特 性研究有较多进展，动力学选线设计也 已开始研究。 第一节车辆第一节车辆轨道轨道路基振路基振 动系统中的参数动系统中的参数 n振动分析中相关参数选择尤其重要，计 算参数选择偏差造成计算结果的较大误 差甚至失真，其影响可超过模型化所造 成的误差。 n分析模型中涉及到太多难以确定的参数 时，是不可取的。

2、n对计算参数的研究和合理选择是有效地 进行系统振动研究最重要的环节之一。 一、车辆结构参数的选择一、车辆结构参数的选择 货车（配新转8A转向架） 客车（配202转向架） 韶山8（SS8）型电力机车 德国ICE动车 法国TGV动车 韶山1型（SS1）电力机车 韶山3型（SS3）电力机车 二、轮轨作用关系及不平顺参数的选择二、轮轨作用关系及不平顺参数的选择 n轮轨作用关系包括： 轮轨间的接触力、 接触位置、 蠕滑力、 轮缘力、 轮轨不平顺 n车轮不平顺主要考虑车轮不圆和车轮扁疤两类。 n车轮不圆处理为车轮周期性垂向位移，以不平 顺沿轮周的长度和最大不平顺矢度按余弦函数 计算。 n但程序实现比较麻烦

3、，可将车轮不圆顺转移成 为钢轨上的周期性轨面垂向不平顺，计算结果 没有差异。 ) 2 cos1 ( 2 w ww w L x n车轮扁疤理论上可以考虑，但扁疤造成 轮轨间冲击，宜采用考虑冲击的模型， 考虑较高频率，时间步长很小，实现十 分困难。 n轨道不平顺大致可分为三大类，即长波、短波 和脉冲不平顺。 n长波主要指波长大于转向架定距，包括高低、 轨距、水平（含扭曲）、轨向四种，以及四种 不平顺的组合与叠加。 n短波指波长短于转向架定距，主要是钢轨接头 附近的高低、轨向和轨距等不平顺，波磨等。 n脉冲主要为轨面的擦伤、剥离、普通接头处形 成的台阶和折角、焊接接头处形成的低凹等不 平顺。与车轮扁

4、疤类似，轨面脉冲引发轮轨间 的冲击，对振动计算的要求较高而实现较难。 n除脉冲不平顺外，轨道长短波不平顺一 般采用余弦函数模拟： ) 2 cos1 ( 2l x r n轨道不平顺的表达方式分为两类，一是定值表 达，二是随机表达。 n轨道不平顺采用定值表达时，不平顺的波长和 幅值针对需要研究的问题实测或拟定。 n轨道不平顺的单边功率谱密度（PSD），简称 为轨道谱。通过实测统计，计算出不同波长不 平顺的功率谱密度。 n目前轨检车对短波测试精度有限，应用中的轨 道谱多数是长波不平顺谱。 n采用轨道谱一般进行频域分析，也可对轨道谱 进行逆变换求出时间样本，进行时域分析。 1美国轨道不平顺谱美国轨道不

5、平顺谱 n美国铁路按轨道不平顺状态的安全限度 和相应的允许速度分为6个等级，1998年 增补三个高速等级后变为9个等级。 n进行轨道不平顺检测、计算和统计分析， 得到轨道不平顺的功率谱拟合表达。 n高低、轨向、水平不平顺 )( )( 222 2 c cv v kA S )( )( 222 2 c ca a kA S )( 4 )()( 2222 2 sc v gc c kA SS 2德国轨道不平顺谱德国轨道不平顺谱 高低、轨向、水平不平顺（分为高、低干 扰谱）： )( )( 2222 2 cr cv v A S )( )( 2222 2 cr ca a A S )()( )( 222222 2

6、22 scr cv c bA S 3日本轨道不平顺轨道谱日本轨道不平顺轨道谱 日本轨向、水平、高低三种轨道不 平顺谱有统一的拟合表达式（分好、中、 差档，且分长短波） n f A fS)( 4我国的轨道谱我国的轨道谱 我国高低、水平和轨向不平顺轨道 谱采用统一的解析表达式。 GFfEfDff CBffA fS 234 2 )( )( 三、轨道、路基结构参数的选择三、轨道、路基结构参数的选择 n60kg/m钢轨、型枕轨道主要结构参数取值 参数名称参数名称单位单位取值取值参数名称参数名称单位单位取值取值 钢轨质量钢轨质量t/m0.06064钢轨垂向抗弯钢轨垂向抗弯 刚度刚度 kN.m26.7610

7、3 钢轨横向抗弯钢轨横向抗弯 刚度刚度 kN.m21.1103一组扣件的垂一组扣件的垂 向刚度向刚度 kN/m m 5080 一组扣件的垂一组扣件的垂 向阻尼向阻尼 kN.s/m4070一组扣件的横一组扣件的横 向刚度向刚度 kN/m m 4080 一组扣件的横一组扣件的横 向阻尼向阻尼 kN.s/m1530轨枕间距轨枕间距m0.625 轨枕质量轨枕质量t0.32轨枕侧滚惯量轨枕侧滚惯量t.m20.18 半枕下道床参半枕下道床参 振质量振质量 t0.37半枕下道床垂半枕下道床垂 向刚度向刚度 kN/m m 100400 半枕下道床垂向半枕下道床垂向 阻尼阻尼 kN.s/m90150道床的横向刚

8、道床的横向刚 度度 kN/m m 60 道床横向阻尼道床横向阻尼kN.s/m30半枕下路基垂半枕下路基垂 向刚度向刚度 kN/mm80 半枕下路基垂半枕下路基垂 向阻尼向阻尼 kN.s/m90 n不同线路的扣件刚度参考值（kN/mm） 重载线路轨道重载线路轨道7090 客货混跑有碴轨道客货混跑有碴轨道5080 客专有碴轨道客专有碴轨道5070 客专无碴轨道客专无碴轨道3050 n路基相关参数的取值范围 参数参数 部位部位 弹性弹性 模量模量 (Mpa) K30 值值 (MP a/m) 泊松泊松 比比 密度密度 (t/m3 ) 内摩内摩 擦角擦角 (度度) 阻阻 尼尼 比比 道床道床150 20

9、0 0.35 0.3 1.8 2.0 30 45 0.3 路基路基 表层表层 60 180 190 220 0.31.95 2.3 27 30 0.45 路基路基 底层底层 40 160 170 190 0.31.8 2.2 25 28 0.39 路堤路堤 下部下部 20 100 150 170 0.3 0.37 1.7 2.1 22 25 0.35 地基地基20 60 0.3 0.37 1.8 1.85 18 21 0.35 第二节轨道合理刚度第二节轨道合理刚度 及其匹配关系研究及其匹配关系研究 n轨道刚度研究是车辆轨道路基系统 动力学的重要应用。 n随车速提高，轨道刚度对轮轨动力作用 的影

10、响越显著。 n轨道刚度问题包括： 针对既定运营条件轨道合理刚度值 轨道刚度的合理匹配关系 过渡段上轨道刚度的合理渐变 一、计算模型与方法一、计算模型与方法 n选用半车车辆弹性点支承轨道垂向耦合振动 空间模型。 n车辆总自由度数为8个。计算中车辆参数参照 韶山8型机车选取。 n直线地段60kg/m钢轨、型枕轨道，20枕， 160个自由度。 n钢面正弦型垂向周期性不平顺稳态激振，不平 顺波深取为1mm。 n依据稳态解的指数表达式，将偏微分方程组转 化为复系数的代数方程组求解。 二、轨道各部刚度对轨道振动特性的影响二、轨道各部刚度对轨道振动特性的影响 1扣刚度的影响特性扣刚度的影响特性 408012

11、0160 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 轮轨 枕上 枕下 基面 动应力/P/kH 扣件刚度/kN/mm 2道床刚度的影响特性道床刚度的影响特性 4080120160 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 轮轨 枕上 枕下 基面 动应力/P/kH 道床刚度/kN/mm 三、轨道刚度的合理取值范围及匹配关系三、轨道刚度的合理取值范围及匹配关系 n将轨道刚度优化频率点选择在同相共振动峰处。 1刚度敏感系数刚度敏感系数 n刚度敏感系数、刚度匹配敏感系数： )/()-( )/()-( 2112 2112 KKKK DDDD D )/()-( )/()-( 2112 211

12、2 DDDD n扣件刚度 1.枕上动压力(0.521)， 2.基面动压力(0.266)， 3.轨枕加速度(0.266)， 4.道床动位移(0.265)， 5.道床加速度(0.264) n道床刚度 1.基面动压力(0.140)， 2.枕下动压力(0.138)， 3.道床动位移(0.138)， 4.道床加速度(0.138)， 5.轮轨动压力(0.109) n轨道总刚度 1.枕上动压力(3.641)， 2.基面动压力(1.292)， 3.道床加速度(1.264)， 4.道床动位移(1.255)， 5.枕下动压力(1.212) n扣件/道床刚度比值 1.枕上动压力(0.222)， 2.轮轨动压力(-0

13、.153)， 3.轨枕动位移(0.150)， 4.轨枕加速度(0.149)， 5.钢轨加速度(-0.123) 2扣件扣件/道床刚度匹配优化方法与结果道床刚度匹配优化方法与结果 n轨道振动变量对刚度比的敏感系数有正 有负。轨道刚度匹配的优化方法正是基 于该特点建立。 n以轨道中10项振动量（动压力4项、动位 移3项、加速度3项）的敏感系数总和 为动力优化目标函数。 n当刚度比值较大时，值为负；当刚度 比值减小时，值逐渐由负变正。将 =0作为优化目标，求取最优刚度比值。 n轨道总刚度为78.8kN/mm时，扣件/道床 的最优刚度比为0.494。 n轨道总刚度为89.5kN/mm时，最优刚度 比为0

14、.512。 n轨道总刚度为104.1kN/mm时，最优刚度 比为0.564。 n随轨道总刚度增加，扣件/道床刚度最优 比由小变大。轨道总刚度在78.8 104.1kN/mm之间变化时，扣件与道床刚 度的最优比例为0.4940.564。 3轨道总刚度优化轨道总刚度优化 n轨道各振动量对轨道总刚度的敏感系数 总是为正值，因此轨道总刚度越小，轨 道各动力作用越小。 n轨道总刚度优化分析不太可能建立目标 函数，不得不依靠各种约束条件来限定 轨道总刚度可选择的范围。 n扣件刚度：满足动态扣压力损失不超限， 轨枕在道床上振动时不脱离与道床的接 触要求。 n扣件设计中要求严格控制胶垫刚度与扣 压件刚度之比。

15、计算得到扣件刚度不宜 小于31kN/ mm。按扣件道床刚度比为 0.5计算，轨道总刚度应不大于 62kN/mm。 n轨枕与道床动态位移差不应超过轨枕与 道床的静位移差值，以避免轨枕拍打道 床。轨道总刚度应小于86.9kN/mm。 四、轨道过渡刚度变化率合理限值研究四、轨道过渡刚度变化率合理限值研究 n计算模型与方法 n不同车速条件下，过渡段的轨面折角限 值： 当V=160km/h时 =0.006rad 即i=6 V=250km/h时 =0.003rad 即i=3 V=350km/h时 =0.002rad 即i=2 n当刚度差小于2倍时，可不考虑设置道岔 过渡段，当刚差大于2倍时，设置10 20

16、mm长的轨道刚度过渡段。 第三节第三节 道岔动力学理论道岔动力学理论 及其应用及其应用 n将轮轨系统动力学的方法应用于道岔区，建立 了较为复杂和完善的车辆道岔系统动力学的 分析方法。 n在道岔设计完成投入生产以前，通过动力仿真 计算，对道岔的直向和侧向通过速度、道岔各 部件的变形和强度等进行计算和评价，对设计 进行初步检验并提出修改意见。 n目前，车岔动力学仿真程序正在用于指导我 国250km/h和350km/h高速客运专线道岔的设 计和生产。 一、道岔工作特点及道岔动力学研究概况一、道岔工作特点及道岔动力学研究概况 （1）数量多。我国目前道岔总数已超10万组 （2）寿命短。尖轨及辙叉等的使用

17、寿命仅为区 间线路同型钢轨使用寿命的1/81/10。 （3）限速。尖轨、心轨、翼轨和护轨等部位的 轮轨冲击，导曲线半径较小且不设超高。 （4）结构复杂。转辙器、辙叉及护轨、连接部 分和岔枕、各种联结零件和道岔转辙机构。 （5）安全性低。轮轨横向力、车轮减载率及列 车轨道各部振动均较大。 （6）养护维修工作量大。道岔各部件病害突出， 养护维修工作量较大。 n以前道岔的振动分析主要是使用区间线 路的弹性基础梁理论。 n北美铁道协会采用NUCARS软件开发了 道岔区轮轨动力计算方法，侧重于研究 列车对尖轨的横向冲击。德国开发了 SIMPARK动力分析软件，主要是研究列 车经过固定辙叉时的振动特性。

18、n我国对道岔区轮轨系统动力学的研究起 步较晚，但发展较快。已建立起整个道 岔区内轮轨系统空间耦合振动模型及其 分析方法，用于指导道岔的动力设计。 二、道岔区轮轨空间耦合振动分析模型二、道岔区轮轨空间耦合振动分析模型 车辆模型车辆模型 道岔区内车辆模型没有特殊要求，可选用现有半 车或整车空间模型。 车体 钢轨 构架 车 轮 构架 车 轮 车 体 构 架 轮 对 钢 轨 道岔的整体模型道岔的整体模型 n模型中考虑了每一根钢轨的参振。以岔枕支承 点为节点离散化，钢轨为双向可弯欧拉梁，尖 轨、可动心轨及翼轨为变截面梁。 n考虑岔枕的偏心受载和弯曲变形。岔枕在竖向 平面内为可弯欧拉梁，在横向平面内为刚性

19、。 n扣件为弹簧阻尼装置。 n岔枕与道床的联结也视为弹簧阻尼装置，在岔 枕纵向上道床的支承弹性和阻尼视为均匀分布。 注:顶铁 间隔铁 轨枕 轮载 轮载 转辙器部分的详细模型转辙器部分的详细模型 n尖轨与基本轨间竖向耦合关系，考虑锁 闭装置及尖轨防跳装置限制尖轨与基本 轨的相对位移。 n尖轨与基本轨间的横向耦合关系，考虑 锁闭装置、尖轨与基本轨密贴区域、尖 轨与基本轨间的顶铁、限位器等结构传 递尖轨与基本轨间的横向力。 n考虑弹性滑床板对尖轨的竖向弹性支承。 n考虑转辙器连杆对尖轨横向振动的限制 作用。 顶铁限位器 钢岔枕 A AB B 钢岔枕 P尖P 基 滑床台支承力 滑床台支承力 钢岔枕 P

20、尖 顶铁力 基本轨 连接部分的详细模型连接部分的详细模型 n考虑列车直向与侧向过岔两种工况。 n考虑间隔铁在两股钢轨间的传力作用。 n考虑同时支承两股钢轨的大垫板的抗弯 刚度的影响。 轨枕 轮载 轮载 横向力 竖向力 轨 枕 侧股直股 6辙叉部分的详细模型辙叉部分的详细模型 n考虑轮载在心轨与翼轨密贴区域内过渡，与转 辙器部分相同的处理办法。 n心轨与翼轨间的竖向耦合，由锁闭装置、心轨 翼轨轨头间非线性竖向力、长翼轨末端的竖向 间隔铁力联结力组成。 n心轨与翼轨间的横向耦合，考虑心轨与翼轨密 贴区域、短心轨或长心轨上顶铁、长翼轨末端 间隔铁传递力。 n长短心轨间的竖横向耦合通过间隔铁联结。 n心轨与岔枕间横向耦合由锁闭装置联结。 n辙叉部分设置的刚性滑床台，对心轨提供非线 性竖向支承力。