高鐵無砟軌道扣件系統(tǒng)彈性墊板溫-頻變動(dòng)力特征及其影響研究.pdf

1、扣件系統(tǒng)彈性墊板是無砟軌道結(jié)構(gòu)中唯一具有彈性和阻尼性能的部件，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)車輛-軌道耦合系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)有重要的影響。彈性墊板屬于高分子粘彈性材料，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能受溫度、頻率、幅值、初始預(yù)壓、加載歷史等多個(gè)因素的影響。在高速鐵路中對(duì)彈性墊板性能影響顯著的是極端氣候條件與高速行車引起的高頻激振。本論文的研究目的是為了探明我國高速鐵路無砟軌道扣件彈性墊板在極低溫氣候條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，并分析其動(dòng)參數(shù)隨溫度、頻率變化對(duì)車輛-軌道耦合系統(tǒng)隨機(jī)

2、振動(dòng)的影響。
　　本文首先應(yīng)用配有溫度箱的萬能試驗(yàn)機(jī)測試了我國高速鐵路無砟軌道使用較多的WJ-7B，WJ-8B和Vossloh300扣件系統(tǒng)彈性墊板在0.3Hz激振頻率、-60℃～+20℃溫度內(nèi)的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征。試驗(yàn)結(jié)果表明:三類扣件彈性墊板遲滯回圈接近橢圓，屬于線性粘彈性材料，在測試溫度范圍-60℃～+20℃內(nèi)，力學(xué)狀態(tài)僅處于玻璃態(tài)與橡膠態(tài)，即使在最高服役溫度+67℃時(shí)，仍未達(dá)到黏流態(tài);三類扣件彈性墊板在-55～-10℃(-20℃

3、或0℃)溫度內(nèi)，具有顯著的低溫敏感性，在溫度高于-10℃（-20℃或0℃）時(shí)，動(dòng)參數(shù)隨溫度變化不明顯，具有高溫穩(wěn)定性;當(dāng)都處于4kN荷載幅值條件下時(shí)，WJ-8B彈性墊板儲(chǔ)能剛度與損耗因子均隨著預(yù)壓力的增大而增大。
　　然后，通過應(yīng)用高分子材料的溫頻等效原理，得到了不同參考溫度下WJ-7B，WJ-8B和Vossloh300扣件系統(tǒng)彈性墊板動(dòng)參數(shù)在0～1000Hz頻率范圍內(nèi)的變化規(guī)律。結(jié)果表明:在1000Hz范圍內(nèi)，三類彈性墊板儲(chǔ)能剛

4、度與損耗因子均隨頻率的增大而增大;溫度與預(yù)壓力對(duì)彈性墊板動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響比頻率更顯著;在車輛-軌道耦合系統(tǒng)建模分析時(shí)必須考慮彈性墊板動(dòng)參數(shù)的時(shí)變特征才能準(zhǔn)確計(jì)算系統(tǒng)響應(yīng)。
　　之后，應(yīng)用Grünwald-Letnikov定義的分?jǐn)?shù)階Kelvin-Voigt模型表征WJ-8B扣件彈性墊板的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，并將理論模型與測試結(jié)果做了對(duì)比，二者吻合度較好，由此表明:使用分?jǐn)?shù)階Kelvin-Voigt模型可以在1000Hz的寬頻范圍內(nèi)較為

5、準(zhǔn)確地描述彈性墊板的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。
　　最后，以WJ-8B扣件系統(tǒng)為例，將其分?jǐn)?shù)階Kelvin-Voigt本構(gòu)模型應(yīng)用到車輛-軌道垂向耦合動(dòng)點(diǎn)激勵(lì)模型中，應(yīng)用虛擬激勵(lì)法與周期擬穩(wěn)態(tài)算法，求解和分析了行車速度、彈性墊板動(dòng)參數(shù)溫、頻變對(duì)車輛-軌道垂向耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:行車速度的增大會(huì)在全頻帶內(nèi)引起車輛-軌道耦合系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的增大，從而對(duì)行車安全性與舒適性、輪軌振動(dòng)噪聲、軌道傷損、環(huán)境振動(dòng)等產(chǎn)生不利影響。彈性墊板

6、動(dòng)參數(shù)溫變主要影響車輛-軌道耦合系統(tǒng)中高頻隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)，低頻幾乎不發(fā)生變化。隨著溫度從20℃降低至-30℃，車輛系統(tǒng)垂向振動(dòng)加速度在50～200Hz的中高頻范圍內(nèi)減小，在超過200Hz的高頻范圍內(nèi)增大;鋼軌垂向振動(dòng)加速度在超過50Hz的中高頻范圍內(nèi)顯著減小;輪軌垂向動(dòng)作用力主頻向右偏移，且峰值減小;扣件動(dòng)支反力主頻向右偏移，且峰值增大。彈性墊板動(dòng)參數(shù)頻變主要影響車輛-軌道耦合系統(tǒng)中高頻隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)，低頻幾乎不發(fā)生變化。與常量參數(shù)相比，車

7、輛系統(tǒng)垂向振動(dòng)加速度在80～200Hz的中高頻范圍內(nèi)減小，在200～800Hz的高頻范圍內(nèi)增大;鋼軌垂向振動(dòng)加速度全頻帶范圍內(nèi)均增大;輪軌垂向動(dòng)作用力與扣件動(dòng)支反力主頻峰值均顯著增大。對(duì)于車輛系統(tǒng)與鋼軌來說，時(shí)頻變參數(shù)的影響與頻變參數(shù)的影響規(guī)律基本類似，只是幅值略有差異;對(duì)于輪軌垂向動(dòng)作用力與扣件動(dòng)支反力，與頻變參數(shù)相比，時(shí)頻變動(dòng)參數(shù)的主頻峰值顯著減小，且主頻向右偏移。顯然，相比于常量參數(shù)與頻變參數(shù)，使用時(shí)頻變動(dòng)參數(shù)能夠更精確地描述彈性