高速铁路板式轨道动力特性研究

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1、高速铁路板式轨道动力特性研究翟婉明　韩卫军　蔡成标　王其昌摘要:板式轨道是现代高速铁路轨道的结构形式之一。本文运用车辆-轨道耦合动力学理论，通过建立高速车辆与板式轨道相互作用的动力学模型，采用计算机仿真手段，研究了高速铁路板式轨道动力特性，并探讨了板式轨道CA砂浆垫层弹性与阻尼对系统轮轨动力性能的影响规律。关键词:高速铁路;板式轨道;动力特性DynamicPropertiesofHigh-SpeedRailwaySlabTracksAbstract:Theslabtrackisoneofthehigh-s

2、peedrailwaytrackstructures.Inthispaper,basedonthetheoryofvehicle-trackcouplingdynamics,avehicle/slabtrackinteractionmodelisdeveloped,andthedynamicpropertiesofslabtracksusedinhigh-speedrailwaysareinvestigated.TheeffectsoftheelasticityanddampingoftheCA-laye

3、rundertheslabonsystemdynamicsarealsoanalyzed.Keywords:high-speedrailways;slabtrack;dynamicproperty0　引言无碴轨道以其稳定性好、耐久性强和少维修等特点在日本、德国、英国等得到较广泛应用，特别是在隧道内及高架桥上取得良好效果。目前，日本在新干线高速铁路高架桥上已大量使用板式轨道（Slab轨道），并取得成功经验［1］。因此，我国在发展高速铁路及快速客运专线过程中，也应积极摸索研究这种新技术。长期以来，有关板式轨道

4、的研究多限于静力学分析。为了能较客观、全面地揭示和评价高速铁路车辆与板式轨道相互作用的动力学性能，宜将高速机车车辆与板式轨道作为一个整体系统来加以仔细研究。为此，本文以车辆-轨道垂向耦合动力学理论为基础，通过建立高速车辆与板式轨道垂向相互作用的动力学分析模型，并编制动力仿真计算软件，从而首次实现对板式轨道动力学性能较完整的研究。并就钢轨焊接区轨面短波不平顺及板式轨道竖错不平顺形式，分析研究了高速铁路板式轨道结构动力特性，对板式轨道CA砂浆弹性及阻尼参数对动力性能的影响规律进行了分析。1　高速铁路板式轨道结

5、构动力分析模型及其求解方法1.1高速车辆-板式轨道垂向相互作用模型运用车辆-轨道耦合动力学原理［2］，将车辆和板式轨道作为一个整体系统，建立了如图1所示的高速铁路车辆-板式轨道垂向耦合动力学模型。高速车辆模型采用文献［2］中提出的具有二系悬挂的车辆模型。板式轨道因其结构左右对称，故可取一股轨道进行研究。模型中，视钢轨为连续弹性点支承基础上的欧拉梁，视轨道板为支承在连续分布的线性弹簧与线性阻尼上的有限长自由梁，则轨道被抽象为弹性基础上的叠合梁。车辆与板式轨道的垂向耦合作用通过轮轨接触来实现，轮轨力由赫兹非线

6、性弹性接触理论确定，详见文献［2］。图1　高速车辆-板式轨道相互作用模型1.1动力学方程车辆系统各部件之间的相互关系、受力分析及运动方程详见文献［2］。钢轨振动方程也与普通有碴轨道情形相同。板式轨道系统的特殊性在于轨道板，因而问题的关键在于建立轨道板的振动微分方程。根据弹性基础上梁和板计算的一般规定，当结构物的长度小于其宽度的3倍时，应当作板计算，而在长度大于3倍宽度的情况下可当作梁计算［3］。据此，可以将对应于单股钢轨的轨道板简化为弹性地基梁上的自由梁，如图2所示。图2　轨道板振动分析模型　　图2中,轨

7、道板支承在有阻尼的弹性基础上，其振动微分方程为　　　　（1）式中，EsIs为轨道板的抗弯刚度；Zs(x,t)是轨道板振动位移；Ms为轨道板质量；ls为轨道板长度；c为板下CA砂浆垫层沿长度方向的分布阻尼；k为板下CA砂浆垫层沿长度方向的分布刚度；n0为一块板上钢轨的支点数；Frsj(t)是钢轨支点反力。用李兹近似解法来求解此四阶偏微分方程。选取N个广义坐标Tn(t)，引入自由梁正交函数系{Xn}［4］（n=1～N），其中　　　　（2）式中，Cm、βm为常数。Cm、βmls的取值见表1。表1　自由梁函数系数

8、m12345≥6Cm——0.9825021.0007770.9999661.000000βmls004.720047.8532010.9956(2m-3)π/2轨道板的垂向位移可近似表示为　　　　（3）将式（3）代入式（1），并在等式两边同乘Xp(x)(p=1～N)，然后在轨道板全长范围内对x积分，利用模态正交性和δ函数的性质可得　　　　（4）因为　　　　（5）　　　　（6）所以，式（4）可化简为　　　　（7）此即轨道板振型坐