【摘要】通過(guò)建立車(chē)輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)模型計(jì)算出車(chē)輛輪軌接觸力，再運(yùn)用Ansys軟件建立軌道-橋梁垂向耦合系統(tǒng)模型，進(jìn)而分析研究列車(chē)在正常狀態(tài)和空吊情況下系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)情況，并對(duì)出現(xiàn)不同空吊軌枕數(shù)量及空吊分布情況產(chǎn)生的系統(tǒng)響應(yīng)提出分析對(duì)比。研究表明：軌枕空吊對(duì)軌道系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)影響主要集中在空吊鄰近三根軌枕位置較為明顯，其他位置趨于正常狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】軌枕空吊；車(chē)輛-軌道-橋梁垂向耦合系統(tǒng)；輪軌接觸力；動(dòng)力響應(yīng)

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U211.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

通常情況下軌枕與道砟之間存在的空隙謂之“空”，軌底與鐵墊板或軌枕之間的間隙謂之“吊”。橋上有砟軌道線路，一方面由于軌道結(jié)構(gòu)薄弱、抗力不足；另一方面由于橋梁剛度較大，整體結(jié)構(gòu)彈性差；導(dǎo)致道砟粉化嚴(yán)重，隨著列車(chē)速度的提高，其振動(dòng)頻率也不斷提高，從而加大了列車(chē)施加給軌道的振動(dòng)荷載，導(dǎo)致道砟之間的摩阻力下降，石砟“流坍”加速，線路變形加速加大，軌道狀況惡化加速，甚至出現(xiàn)道砟液化現(xiàn)象，軌道幾何狀態(tài)難以保持，導(dǎo)致有些軌枕與道床沒(méi)有接觸，形成軌枕空吊現(xiàn)象。這種空吊現(xiàn)象將會(huì)加劇道床的破壞和線路的惡化，特別是車(chē)輛運(yùn)行速度越高，其行車(chē)安全性與乘坐舒適性問(wèn)題就越顯突出，既要保證車(chē)輛不傾覆、不脫軌，又要確保車(chē)輛有良好的乘坐舒適度[1-2]。因此本文通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析研究軌枕空吊對(duì)軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)影響，與正常狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)軌枕空吊對(duì)軌道系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)情況，并對(duì)出現(xiàn)不同空吊軌枕數(shù)量及空吊分布情況產(chǎn)生的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，以期為工務(wù)養(yǎng)護(hù)提供理論數(shù)據(jù)參考。

2車(chē)輛-軌道-橋梁垂向耦合系統(tǒng)空吊模型

為分析軌枕空吊對(duì)軌道系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的影響，本文建立圖1所示車(chē)輛-軌道-橋梁垂向耦合系統(tǒng)空吊模型，系統(tǒng)模型主要包括鋼軌模型、墊層支撐、軌枕模型、軌枕與橋梁間彈性接觸， 其中，鋼軌和軌枕均假設(shè)為Euler-Bernouli梁，鋼軌與軌枕、軌枕與橋梁之間均采用彈簧-阻尼系統(tǒng)，橋梁按空間梁?jiǎn)卧獊?lái)進(jìn)行考慮，對(duì)于空吊軌枕位置的軌枕和橋梁之間不采用任何彈簧-阻尼單元進(jìn)行連接，具體軌枕空吊情況如圖[3-4]。橋上鋪設(shè)雙線軌道，分別記為A、B線路，橋梁與軌道的橫向關(guān)系如圖所示。利用赫茲非線性彈性接觸理論求得輪軌接觸力，得到輪軌接觸關(guān)系，軌道的不平順則作為車(chē)輛振動(dòng)的激勵(lì)源。

3軌枕空吊對(duì)軌道-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)影響

3.1有限元模型建立

本文根據(jù)軌道-橋梁系統(tǒng)的實(shí)際情況建立有限元模型，其中鋼軌、軌枕、橋梁均用三維實(shí)體單元，鋼軌采用60Kg/m型鋼軌，橋梁采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑24m鐵路橋梁，軌下墊層或扣件采用并排的彈簧-阻尼單元模擬，軌枕與橋梁之間假設(shè)為彈性接觸，采用并排的阻尼彈簧單元進(jìn)行模擬。由于軌道-橋梁系統(tǒng)具有對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化模型的大小和方便模型的計(jì)算分析，在模型建模時(shí)采用一半進(jìn)行建模和計(jì)算，如圖2所示。

3.2輪軌垂向接觸力求解

輪軌垂向接觸力是分析軌道-橋梁系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)不可或缺的要素，為準(zhǔn)確的得出輪軌垂向接觸力，根據(jù)車(chē)輛-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)模型模擬并利用Matlab軟件編制解該耦合系統(tǒng)振動(dòng)方程的程序。車(chē)輛采用CHR3型列車(chē)，鋼軌采用60Kg/m標(biāo)準(zhǔn)鋼軌，軌枕采用混凝土軌枕，橋梁采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)24m箱梁，以美國(guó)六級(jí)譜作為激勵(lì)譜，計(jì)算出速度為120km/h時(shí)輪軌作用力，如圖3。從圖中可以看出輪軌接觸力在75KN上下波動(dòng)。

3.3軌枕空吊對(duì)軌道系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)影響

為分析空吊對(duì)軌道系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)影響范圍，以單根軌枕空吊下鋼軌的動(dòng)力響應(yīng)為研究對(duì)象，選取空吊單側(cè)S-20、S-19和S-18號(hào)軌枕位置對(duì)應(yīng)的鋼軌、軌枕和橋梁的作為響應(yīng)點(diǎn)，車(chē)輛運(yùn)行速度取120Km/h，得到了鋼軌垂向位移時(shí)程曲線，如圖4所示。

從正處空吊位置S-20鋼軌位移時(shí)程曲線中可知鋼軌的最大位移達(dá)1.5mm，比正常狀態(tài)大80%，其相鄰軌枕位置S-19鋼軌位移減緩了些，只有1.2mm，S-18最大位移只有0.95mm左右與正常狀態(tài)下的鋼軌位移相近。

4 結(jié)論

通過(guò)建立車(chē)輛-軌道-橋梁垂向耦合系統(tǒng)空吊模型，以軌道的不平順作為車(chē)輛振動(dòng)的激勵(lì)源，分析不同空吊情況下軌道系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)，以及軌枕空吊對(duì)軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響范圍和車(chē)輛速度對(duì)軌道動(dòng)力響應(yīng)的影響。計(jì)算結(jié)果表明：軌枕空吊對(duì)軌道系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)力響應(yīng)影響主要集中在空吊鄰近三根軌枕位置，其他位置趨于正常狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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