第三章 轨道结构力学分析动车论坛

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1、第一节概述轨道结构力学分析，就是应用力学的基本理论，结合轮轨相互作用的原理，分析轨道在机车车辆不同的运营条件下所发生的动态行为，即它的内力和变形分布；对主要部件进行强度检算，以便加强轨道薄弱环节，优化轨道工作状态、提高轨道承载能力，最大眼度地发挥既有轨道的潜能，以尽可能少的投入取得尽可能高的效益。此项工作还可以对轨道结构参数进行最佳匹配设计，为轨道结构的合理配套和设计开发新型轨道结构类型及材料提供理论依据。因此，轨道结构力学分析是设计、检算和改进轨道结构的理论基础。　　随着铁路运输向高速、重载方向的发展，运量大、密度高的状况都将对轮轨运输系统提出更多、更新

2、的要求。行车速度愈高，安全问题愈突出，要保证高速列车运行平稳、舒适、不颠覆、不说轨。运载重量愈大，轮轨之间的动力作用越强，对轨道结构的破坏作用也越严重。因此，进一步深入研究轮轨相互动力作用规律，寻求降低轮轨相互作用的途径，对于保证轨道的强度和稳定，减少维修工作量，延长设备使用寿命都具有十分重要的现实意义。　　分析轮轨相互作用的动力响应，首先应建立一个能较真实地反映轨道结构和机车车辆相互作用基本力学特征的模型，模型的选用取决于研究问题的侧重点及分析的目的，抓住主要环节，略去次要因素，既要求计算简单又要求有必要的精度，历来是简化分析模型的一条根本原则。在研究轨

3、道结构的动力响应时，人们往往以轨道部分为主体，在模型中反映得要详细些，而对机车车辆部分则简化作为一个激扰源向主系统输入，按照激扰输入--传递函数(系统特性)--响应输出的模式来分析轨道系统的振动。　　结构物的动力行为根本不同于其静力行为，前考比后者要复杂的多。由于机车车辆簧上及簧下部分质量的振动而产生的，作用于轨道上的动荷载，其频率较整个轨道，尤其是较钢轨的自振频率低很多，且碎石道床具有很高的阻尼消振作用，故而不能充分激发起轨道的振动，这种动荷载对轨道所产生的作用基本上相当于静荷载，基于这种认识，发展起来的传统的轨道强度计算理论与方法已形成比较成热的体系。

4、为此，本章的内容首先由静力计算开始，然后逐步扩展。　　轨道的力学分析，首先要确定作用在轨道上的力。轨道承受着非常复杂的力，而且有强烈的随机性和重复性。大体上可分为垂直于轨面的竖向力，垂直于钢轨轴向的横向水平力和平行于钢轨轴向的纵向水平力等。　　1．竖向力包括静轮重和附加动压力。轮重是机车车辆静止时，同一个轮对的左右两个车轮对称地作用于乎直轨道上的轮载。列车行驶过程中，车轮实际作用于轨道上的坚直力称车轮动轮载。动轮载超出静轮载的部分称为动力附加值，产生的原因非常复杂，有属于机车车辆构造及状态方而的；有属于轨道构造及其状态的；也有属于机车车辆在轨道上的运动形态

5、方而的。主要包括蒸汽机车蒸汽压力和传动机构运动时的惯性力以及过量平衡锤的离心力等产生的；由于车轮踏面不圆顺或车轮安装偏心引起的；轨道不平顺，诸如轨面单独不平顺、轨缝；错牙和折角等导致产生的，由不平顺产生的附加动压力随不平顺的长度、深度及行车速度、轴重等的不同而变，严重时可达静轮载的1-3倍。　　2．横向水平力包括直线轨道上，因车辆蛇行运动，车轮轮缘接触钢轨顺产生的往复周期性的横向力；轨道方向不平顺处，车轮冲击钢轨的横向力，在曲线轨道上，主要是因转向架转向，车轮轮缘作用于钢轨侧面上的导向力，此项产生的横向力较其他各项为大。还有未被平衡的离心力等。　　3．纵向

6、水平力包括列车的起动、制动时产生的纵向水平力；坡道上列车重力的水平分力；爬行力以及钢轨因温度变化不能自由伸缩而卢乍的纵内水平力等，温度人对无缝线路的稳定性来说是至关重要的。一、基本假设和计算模型（一）基本假设　　1．轨道利机车车辆均处于正常良好状态，符合铁路技术管理规程和有关的技术标推。　　2．钢轨视为支承在弹性基础L—的等载面无限长梁；轨枕视为支承在连续弹性基础上的短梁。基础或支座的沉落值与它所受的压力成正比。　　3．轮载作用在钢轨的对称面上，而且两股钢轨上的荷载相等；基础刚度均匀且对称于轨道中心线。　　4．不考虑轨道本身的自重。　（二）计算模型　　把钢

7、轨视为置于弹性基础上的无限长梁，基础梁模型按支承方式假设的不同，又可分为：1．点支承模型如图3—1(a)所示。由于钢轨是支承在轨枕上的，所以称之为弹性点支承连续梁计算模型。图中a为轨枕间距；D为钢轨支座刚度。这种模型对钢轨的支承是间断不连续的，因此只能采用数值解法。最早的解法是把它当做有限跨连续梁来解，之后发展为用差分方程解法求解无限长梁。铁道部科学研究院谢天辅为广在我国推广应用此法，特编制了完备的计算参数哀，但随着计算机技术的发展，这些经典的数值解法已逐渐被结构矩阵分析力法所取代。　　2．连续支承模型如图3一l(b)所示。由于钢轨的抗弯刚度很大，而轨枕铺

8、的相对较密，这样就可近似地把轨枕的支承看作是连续文承、从面进行解析