4轨道强度和安全性计算

变形设计方法*
概念
计算并控制轨道结构类型及其变形 前提：轨道结构所必需的强度要得到满足
变形设计内容
道床的下沉和变形 根本：道床残余变形沿线路方向分布不均匀
轨道几何不平顺 同轨道变形设计部分 表象，养护维修和机车车辆性能研究等的基础
变形设计方法 vs 强度设计方法
第二节 作用于轨道上的力
特点
机车车辆作用于轨道上的力非常复杂 重复性、随机性的动荷载
分类
竖直力 （垂向力）－ 垂直于轨面 横向水平力 （横向力）－ 垂直于钢轨 纵向水平力 （纵向力）－ 平行于钢轨
z垂向
x纵向 y横向
竖直力
竖直力的组成
静载：轮载 动载：动轮载、静轮载的动力附加值
第四章 轨道强度和安全性计算
The Calculation of Strength and Safety of Ballast Track
第四章 有砟轨道强度和安全性计算
第一节 概述 第二节 作用于轨道上的力 第三节 轨道强度计算 第四节 轨道安全性计算
脱轨理论 安全性评价指标
转中心转动。
蠕滑中心理论
纵向水平力
基本概念
平行于钢轨的力
分类
爬行力 坡道上列车重量的纵向分力 制动力 纵向摩擦力 温度力
车辆的运动状态
车辆的运动状态
直线运动
◦ 伸缩 - 纵向X ◦ 横摆 - 横向Y ◦ 沉浮 - 垂向Z
z垂向
回转运动
◦ 摇头 – 绕垂(向)轴旋转 ◦ 点头 – 绕横(向)轴旋转 ◦ 侧滚 – 绕纵(向)轴旋转 ( 下心滚摆或上心滚摆 )
强度设计方法 变形设计方法
寿命设计Leabharlann Baidu法*
概念
轨道结构中各部件的寿命，即在重复荷载作用下的疲劳寿命 常与可靠度分析（理论）等结合应用 前提：轨道结构所必需的强度要得到满足
典型部件分析方法
钢轨 采用方法：Miner线性累计伤损法、Weibull概率分布函数
轨枕 采用方法：安全度设计理论。 情况复杂，影响因素多（如：受力、设计、制造、铺设、养 护维修等），且需长期数据积累（轨枕荷载谱） 通常使用期限：50年。
举例 蛇行力 轨道几何不平顺 － 方向不平顺 未被平衡的离心力 导向力
限制横向力的意义
防止脱轨以及胀轨跑道 减小对轨道的破坏
计算方法及其原理
摩擦中心理论（近似计算） 蠕滑中心理论 机车车辆非线性动态曲线通过理论
摩擦中心理论
计算原理图
基本假设
转向架和轨道都作为刚体； 不考虑牵引力的作用； 不考虑车轮踏面为锥体的影响； 各车轮轮载P与轮轨间的摩擦系数 均相同； 各轮轴中点与轨道中点重合； 转向时，转向架绕位于其纵轴或其延长线上的旋
确定竖直力的方法
概率组合法
计算出概率最大的竖直力（各种原因产生的竖直力组合）
速度系数法
竖直轮载 Pd 、速度系数 、偏载系数 、P 静轮载 P
Pd P(1 P )
计算模型
动力仿真计算
组合法
横向水平力
产生原因
与曲线半径、外轨超高、固定轴距、轮载、摩擦系数和行车速度等有 关
第一节 概述
轨道结构的工作特性 对轨道破坏的理解 轨道结构设计内容 轨道结构承载能力设计方法概述
轨道结构的工作特性
特殊的结构物（ 边工作、边维修）
松散道砟基础－>不均匀下沉和永久变形－>轨道不平顺－>轮轨 动力作用增大－>轨道破坏*－>养护维修恢复原状
承受的荷载具有随机性和重复性
行车舒适性设计
轨道平顺性问题，同轨道变形设计 曲线轨道参数设置 (如超高、缓和曲线等)，取决于舒适性要求。
强度设计方法
概念
轨道结构的整体强度和各部件的强度计算与分析 最基本的要求
轨道结构各部件的强度分析
钢轨 轨枕 扣件 道床
轨道结构的整体强度分析
强度设计方法
轨道结构设计内容
轨道结构承载能力设计
静力学分析、计算，主要解决强度计算、永久变形和寿命计算等问题
动力仿真计算
安全设计
机车车辆脱轨的预防 － 脱轨理论和计算方法（准静态计算/动力计算）
轨道变形设计
指轨道几何形位的变化，轨道几何不平顺的动、静态标准（运行平稳、舒适） 动力仿真计算（理论）和养护维修的实践经验相结合，综合分析，科学制定 成果：制定不同运营条件下的轨道几何不平顺静态、动态标准和养护维修周期等
原因
与机车车辆构造及其状态、轨道结构及其状态、机车车辆的运行状态 有关
举例：
机车车辆原因：车轮扁瘢、擦伤；车轮不圆顺；弹簧失效等
轨道原因：钢轨接头、无缝线路焊缝不平顺、轨面擦伤、不均匀磨耗、轨 道高低不平顺等
机车车辆的运行状态原因：机车车辆平直道上的蛇行运动产生的轮载的偏 载；曲线轨道通过时的轮载偏载（转向架的横向力）等
荷载－>轨道结构部件受力复杂－>加强部件承载能力和抗振能力
标准化结构，但需要根据实际情况进行调整
选择与运营条件匹配的轨道结构类型，并根据运营条件的变化不 断加强和完善
必须满足舒适和安全的要求 轨道结构具有记忆性
轨道几何形位的变化（检测数据的重复性）
对轨道破坏的理解
轨道破坏的概念
确定竖直力的方法
概率组合法 速度系数法 计算模型
竖直力的组成
静载：轮载
轨道竖向荷载几乎全是因轨道纵断面不平顺
自重 ＋ 载重
或刚度不均匀及车轮圆度不规则引起。
动载：动轮载、静轮载的动力附加值
基本概念
动轮载：列车行驶过程中实际作用于轨道上的竖直力
静轮载的动力附加值：超出静轮载的部分
轨道结构部件状态不良 轨道结构中各部件的变形、破损(如钢轨、扣件等)
轨道几何状态不良 因列车反复通过而产生的轨道状况不良，通过轨道 维修作业，修复这种不良状况
影响因素
速度 密度 重量
轨道几何状态的变化
130km/h vs 160km/h
轨道几何状态的变化
130km/h vs 160km/h