弹性钢轨扣件轨道的轮轨作用力分析

弹性钢轨扣件轨道的轮轨作用力分析
耿传智　董国宪　朱剑月
(同济大学铁道与城市轨道交通研究院,200331,上海∥第一作者,副教授)
摘　要　采用弹性钢轨扣件是城市轨道交通轨道减振的最基本措施。

为分析弹性钢轨扣件轨道的轮轨作用力,通过建立地铁车辆弹性扣件动力分析模型,分析了扣件刚度、列车运行速度等对轮轨作用力的影响。

对于弹性钢轨扣件的轨道结构,合理降低扣件刚度,可减小轮轨动力冲击和扣件支点反力,提高减振效果。

通过现场测试获得弹性扣件轨道的钢轨垂直力,验证了理论分析结果。

关键词　地铁,,轨道结构,轮轨作用力中图分类号　U 211.5;U213.5+3
Analysis of Wheel 2track Force with E lastic R ail F astener G eng Chuanzhi ,Dong Guoxian ,Zhu Jianyue
Abstract Application of elastic rail fasten is the most basic method to reduce vibration of urban mass transit rails.This pa 2per sets up a dynamic analysis model of subway vehicle 2elastic fastener and analyzes the influence of fastener stiffness ,train op 2eration speed on the wheel 2track force.By obtaining the rail ver 2tical force of the elastic rail fastener track through field tests ,this paper verifies the results of the theoretical analysis.
K ey w ords
　subway ,elastic rail fastener ,track structure ,wheel 2track force
First 2author ’s address Institute of Railway and Urban Mass Transit ,Tongji University ,200331,Shanghai ,China
在地铁轨道和扣件设计中,如何确定地铁列车
振动荷载是一个亟待解决的问题。

本文通过建立地铁车辆弹性扣件动力分析模型,分析了扣件刚度、运行速度对轮轨作用力的影响;并通过现场测试获得地铁弹性扣件轨道的轮轨作用力,验证了理论分析结果,可为今后地铁轨道设计荷载提供理论和试验依据。

1　地铁车辆弹性扣件轨道的动力仿真分析
模型
根据弹性扣件轨道的特点,运用车辆轨道耦合动力学原理,建立了地铁车辆弹性扣件动力学统一模型[1],如图1所示。

图1　车辆弹性扣件轨道动力分析模型
在模型中,左右两股钢轨均视为离散的弹性点支承基础上的无限长欧拉梁;钢轨支承点按扣件节
点间距布置;扣件简化为均布的线性弹簧和粘滞阻尼;混凝土基础视为刚性。

轮轨垂向作用力由著名的赫兹非线性弹性接触理论所确定[1]。

模型中的轨道不平顺谱采用美国联邦铁路管理局(FRA )提出的轨道功率谱密度公式[2]。

其垂向不平顺的功率谱密度表达式为:S v (Ω)=
KA v Ω2
c
Ω2(Ω2+Ω2
c )
(1)
式中:K 为系数;A v 为表征不平顺程度的参数;Ωc 为
截断波数;Ω为空间波数。

对于美国六级谱而言,K =0.25,A v =0.0339cm 2・m/rad ,Ωc =0.8245rad/m 。

根据轨道功率谱密度表达式,采用三角级数模拟法产生轨道高低随机不平顺样本。

计算中以此作为轮轨系统的激励输入。

城市轨道交通研
究
2007年　
2　轨道结构参数对轮轨作用力的影响分析
2.1　计算参数的选取
1)地铁车辆的计算参数
计算参数采用上海轨道交通1号线的车辆参数[3],按满载计;行车速度v 考虑40、60、80km/h 三种情况。

2)弹性扣件轨道结构的参数[425]
钢轨类型为60kg/m 轨,其弹性模量E =2.1×1011N/m 2,每米质量m =60.64kg ,惯性距I =3.217×105m 4。

扣件间距为0.60m ;
计算采用扣件的动刚度k ,分别为6.
25、12.5、25、
50kN/mm ;阻尼均为7.5×104N ・s/m 。

2.2　仿真计算结果分析图2为不同车速下扣件刚度对轮轨作用力及扣件支点反力影响的关系曲线。

图3为不同扣件刚度时列车运行速度对轮轨作用力及扣件支点反力影响的关系曲线。

图4为车速为60km/h 、扣件刚度为25kN/mm 时列车运行过程中轮轨作用力的变化曲线。

图2　不同车速下扣件刚度对轮轨作用力影响的关系曲线
图3　扣件刚度不同时列车运行速度对轮轨作
用力及扣件支反力影响的关系曲线
图4　车速为60m/h 、扣件刚度为25kN/mm 时列车运行过程中轮轨作用力的变化曲线
从图2～4可以看出,随着钢轨扣件刚度增大,
轮轨作用力、扣件支点反力也增大;随着列车运行速度提高,轮轨作用力和扣件支反力也增大。

因此,通过合理降低扣件刚度,可以减小轮轨作用力及传递的基础反力。

3　轮轨作用力试验验证
根据剪应力法,
将应变片贴于两轨枕中间[6](
见图5),以对列车运行时弹性扣件轨道的钢轨垂直力进行测试。

采用地铁列车以5km/h 通过测点进行准静态标定,从而获得地铁列车通过时的钢轨垂直力。

V =55.2km/h 时钢轨垂直力实测时域波形如图6所示。

经过对测试数据的处理,V =55.2km/h 时,钢轨垂直力范围为:90.38～116.39kN 。

上述仿真计算结果(见图4)的最大值约为120kN ,与实测结果有较好的一致性。

图5　钢轨垂直力的测试位置
图6　钢轨垂直力实测波形(V =55.2km/h )
(下转第25页)
从图1和图2所示的上海轨道交通1、2号线检票机设备改造前后的内部结构图不难看出,该改造方案是在进口设备上实现了真正意义上的改造,继承与保留了全部原有设备的内部模块。

图1　
改造前检票机设备内部结构图
图2　改造后检票机设备内部结构图
4　结语
通过这次改造方案的实施,仅自动检票机一项,最保守的估计就可为国家节省1.2亿元以上;加之无需改变现有的网络综合布线系统,施工改造工作均可安排在运营结束后进行,不会对正在运营的系统带来很大的冲击,其社会效益更无法估算。

另外,通过这次改造项目,可彻底打破上海轨道交通AFC 系统对国外设备的依赖,创立出一套完全适合上海轨道交通系统、拥有国内全部知识产权的AFC 系统。

本次改造的上海轨道交通“一票通”AFC 系统的自动检票机,设计水平达到世界级流量指标。

设备所使用的智能卡、执行的规范、数据加密等都是独创的。

一个好的改造方案必须既考虑近期利益,同时更需要对其远期效果有充分的认识和考虑,还需要好的实施手段来加以实现。

本次改造是对一个在线且运营状况良好的系统进行升级,要求改造中新的应用软件有极高的可靠性;改造中同样需要得到该设备中使用的读写器提供商、同步改造的售票机提供商及新设计的系统提供商的紧密合作与支持,任何一个环节的出错,都会导致整个项目的失败。

参考文献
[1]　张嘉岭,高远.上海轨道交通1、2号线自动售检票系统“一票换
乘”改造方案[J ].城市轨道交通研究,2006(11):42.
[2]　D G J 08—1101—2005城市轨道交通自动售检票系统通用技术
规范[S].
[3]　D G J 08—1102—2005城市轨道交通单程票非接触集成电路
(IC )卡通用技术规范[S].
[4]　D G J 08—1103—2005城市公共交通非接触集成电路(IC )卡通
用技术规范[S].
(收稿日期:2006-06-08)
(上接第21页)
4　结论
根据地铁车辆弹性扣件轨道动力仿真分析和试
验测试可得如下结论:
1)对于采用弹性扣件的轨道结构,降低扣件刚度,可减小轮轨动力冲击和扣件支点反力。

扣件刚度从6.25kN/mm 增加到50kN/mm ,则扣件支反力增大25%,传递率增大约20%。

行车速度的提高,增大了轮轨动力冲击和传递到隧道的力。

行车速度80km/h 时扣件支反力是行车速度40km/h 时的1.33倍,力传递率变化甚小。

因此,通过合理降低扣件刚度,可以减小轮轨动力冲击,提高减振效果。

2)实测的钢轨垂直力结果与仿真分析结果一
致,验证了分析模型的正确性。

参考文献
[1]　翟婉明.车辆轨道耦合动力学[M ].2版.北京:中国铁道出版
社,2002.
[2]　胡津亚,曾三元.现代随机振动[M ].北京:中国铁道出版社,
1985.
[3]　张振森.城市轨道交通车辆[M].北京:中国铁道出版社,1998.[4]　石礼安,王瑞华.地铁一号线工程[M].上海:上海科学技术出版
社,1998.
[5]　王午生.铁道线路工程[M].上海:上海科学技术出版社,1998.[6]　曾树谷.铁路轨道动力测试技术[M ].北京:中国铁道出版社,
1985.
(收稿日期:2006-06-09)。