CRTSI型板式軌道的動(dòng)力特性及損傷影響研究.pdf

1、為滿足高速行車的平穩(wěn)性和安全性要求，需要鐵路軌道具有很高的平順性和穩(wěn)定性。無(wú)砟軌道在運(yùn)營(yíng)期間長(zhǎng)期暴露于復(fù)雜的自然環(huán)境中，長(zhǎng)期承受列車動(dòng)荷載和溫度影響，難以避免地出現(xiàn)各種傷損，如板下CA砂漿脫空、扣件剛度變化、軌道板翹曲等，而且多種傷損形式可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，將對(duì)行車平穩(wěn)性和安全性造成一定的影響，因此研究各種傷損及其組合對(duì)高速輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響，從面得到典型傷損的允許限度，是無(wú)砟軌道維修養(yǎng)護(hù)中的關(guān)鍵問(wèn)題。
　　本文根據(jù)對(duì)中國(guó)無(wú)砟軌道

2、損傷的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，總結(jié)了CRTSⅠ型板式軌道的損傷特點(diǎn)，應(yīng)用輪軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本原理，建立了車輛-板式軌道空間耦合動(dòng)力計(jì)算模型與方法，較為全面地計(jì)算分析了板下脫空、扣件剛度變化、溫度梯度及其組合對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，研究典型傷損或缺陷的影響特點(diǎn)及允許限值，以期能為高速鐵路無(wú)砟軌道的運(yùn)營(yíng)維修提供一定的參考。
　　(1)車輛-軌道耦合空間動(dòng)力模型
　　針對(duì)CRTSⅠ型板式軌道結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)車輛-軌道模型做相應(yīng)的簡(jiǎn)化，運(yùn)用輪軌

3、系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)和有限元法，借助ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，建立了典型傷損影響的車輛-軌道空間耦合動(dòng)力計(jì)算模型，討論了主要計(jì)算參數(shù)的選取，借助已有研究成果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　(2)板下脫空對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響
　　對(duì)不同砂漿脫空寬度、長(zhǎng)度、位置以及不同行車速度的情況下的輪軌系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，較大的板下脫空引起輪重減載率明顯的增加，可能嚴(yán)重影響行車安全性，建議將板下脫空限制

4、在1.0m以內(nèi)。
　　當(dāng)砂漿脫空沿軌道橫向沒(méi)有貫通時(shí)，對(duì)車輛動(dòng)力響應(yīng)影響不大，但對(duì)軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響較大;脫空沿軌道橫向貫通時(shí)，當(dāng)脫空長(zhǎng)度小于1.0m時(shí)，對(duì)車輛與軌道動(dòng)力影響較小，脫空長(zhǎng)度大于1.0m時(shí)，影響明顯增加，尤其當(dāng)脫空長(zhǎng)度為1.6m時(shí)，輪重減載率達(dá)到0.82超過(guò)限值，鋼軌垂向位移最大值達(dá)到1.92mm接近限值。隨行車速度增大，輪軌系統(tǒng)動(dòng)力作用顯著增大，脫空長(zhǎng)度1.4m、車速350km/h時(shí)，輪重減載率達(dá)到1.0。通過(guò)相鄰

5、鋼軌支點(diǎn)位移差可估計(jì)輪重減載率，車速300km/h，位移差0.95mm時(shí)，減載率超過(guò)限值0.8，車速350km/h，位移差0.5mm時(shí)，減載率超過(guò)限制。
　　(3)扣件剛度變化對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響
　　對(duì)扣件剛度整體變化和剛度突變條件下，輪軌系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析，研究結(jié)果表明，扣件剛度變化對(duì)車體加速度即行車平穩(wěn)性影響不明顯，對(duì)輪重減載率有較大影響，尤其是剛度突變時(shí)減載率增加顯著，可能對(duì)高速行車的安全性造成嚴(yán)重影響

6、，建議嚴(yán)格控制扣件剛度突變，車速350km/h地段不允許造成剛度突變的異?？奂霈F(xiàn)。
　　扣件剛度由20kN/mm整體增至120kN/mm時(shí)，減載率由0.34增至0.6，表明扣件剛度整體增大對(duì)行車安全性產(chǎn)生不利的影響。2個(gè)扣件異常的最不利分布是，異?？奂霈F(xiàn)在同一軌道橫斷面的情況;3個(gè)扣件異常的最不利分布是，其中一股鋼軌下出現(xiàn)2個(gè)異常扣件且相隔兩倍固定軸距，另一股鋼軌下出現(xiàn)1個(gè)異常扣件且位于正中。隨著行車速度增大，輪重減載率隨之明

7、顯增大，車速300km/h時(shí)，2個(gè)異常扣件可使減載率達(dá)到0.89，3個(gè)異常扣件可使減載率達(dá)到1;車速350km/h時(shí)，1個(gè)異?？奂墒箿p載率達(dá)到0.84，2個(gè)及以上異?？奂墒箿p載率達(dá)到1。
　　(4)板下脫空與扣件剛度變化共同作用對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響
　　針對(duì)板下脫空與扣件剛度變化同時(shí)作用，計(jì)算分析了輪軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)。研究表明，當(dāng)扣件剛度為20kN/mm、板下脫空長(zhǎng)度為1.2m時(shí)，鋼軌垂向位移為2.14mm已超過(guò)允

8、許限值，建議扣件剛度不宜小于30kN/mm。當(dāng)扣件剛度大于80kN/mm時(shí)，輪軌垂向力波動(dòng)明顯，減載率增加較大，因此建議扣件剛度因老化等原因增大到80kN/mm時(shí)，考慮進(jìn)行膠墊更換。板下脫空與異?？奂瑫r(shí)存在時(shí)，隨車速增大，輪重減載率顯著增大，車速300、350km/h時(shí)，減載率均達(dá)到1.0，建議嚴(yán)格檢查控制，防止高速鐵路軌道板下脫空區(qū)附近出現(xiàn)異常扣件。
　　(5)溫度梯度及其與板下脫空同時(shí)出現(xiàn)對(duì)輪軌系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響
　　

9、采用施加彎矩模擬溫度梯度的方法，針對(duì)軌道板溫度梯度及其與板下脫空共同作用時(shí)，計(jì)算分析了輪軌系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的特點(diǎn)。研究表明，軌道板溫度梯度及由其引起的翹曲變形，對(duì)軌道板的縱橫向拉應(yīng)力影響較大，對(duì)車體加速度即行車平穩(wěn)性的影響不明顯，對(duì)輪重減載率即行車安全性有一定影響，且車速越高、板下脫空越長(zhǎng)影響越大，因此建議在高車速區(qū)段和可能出現(xiàn)大溫度梯度季節(jié)，加強(qiáng)軌道板下砂漿脫空的檢查和控制。
　　溫度梯度作用下，列車通過(guò)時(shí)軌道板拉應(yīng)力明顯增大，11