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梁端位移對(duì)輕軌車輛運(yùn)行的影響分析

2010-05-04 08:41劉志雄徐彩彩陳進(jìn)杰
鐵道建筑 2010年9期
關(guān)鍵詞:錯(cuò)臺(tái)梁端車體

劉志雄,徐彩彩,陳進(jìn)杰

(1.石家莊鐵道學(xué)院,石家莊 050043;2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,成都 610031)

橋梁受荷載作用后將引起梁端位移,包括豎向位移和轉(zhuǎn)角,這種位移的存在將對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在傳統(tǒng)的有砟軌道上,由于道砟的流動(dòng)特性,這種微小的位移一般不會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響;但在無(wú)砟軌道上,由于軌道系統(tǒng)與橋梁處于較大的剛性連接狀態(tài),橋梁的微小變形都將對(duì)軌道系統(tǒng)產(chǎn)生影響[1]。

圖1為梁端位移的不同形式對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響示意圖。本文就梁端轉(zhuǎn)角和錯(cuò)臺(tái)兩種梁端位移對(duì)行車速度比較低的輕軌車輛運(yùn)行的影響進(jìn)行計(jì)算和分析,評(píng)價(jià)列車運(yùn)行的舒適性及安全性。

圖1 不同形式梁端位移對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響示意

1 計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

梁端位移導(dǎo)致軌道線形變化,使鋼軌產(chǎn)生撓曲變形。為簡(jiǎn)化分析,車輛的橫向振動(dòng)忽略不計(jì),對(duì)鋼軌發(fā)生撓曲變形情況下的車輛垂向振動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算,以進(jìn)一步評(píng)價(jià)其對(duì)車輛運(yùn)行的影響。

當(dāng)兩股鋼軌上的垂向不平順相同或相近,即軌道上只存在線路中心線的高低不平順時(shí),車輛因左右兩軌差異而激化的側(cè)滾振動(dòng)可以忽略,車輛垂向振動(dòng)可取線路中心線所在立面為對(duì)稱面對(duì)半個(gè)車輛進(jìn)行建模型分析。半車模型如圖2所示。車體考慮沉浮與點(diǎn)頭兩個(gè)位移,車體與轉(zhuǎn)向架構(gòu)架間為二系懸掛的彈簧剛度和阻尼。類似地,轉(zhuǎn)向架構(gòu)架也只考慮沉浮與點(diǎn)頭兩個(gè)位移,構(gòu)架與車輪間是一系(或軸箱)彈簧剛度與阻尼,假定振動(dòng)過(guò)程中車輪不脫離軌面運(yùn)行,車輪的位移與軌面垂向不平順相等,車輪沒(méi)有振動(dòng)自由度,由此,根據(jù)哈密爾頓原理建立半車6自由度的車輛振動(dòng)方程。

1.2 車輛振動(dòng)方程

由梁端位移所引起的軌面不平順時(shí)程函數(shù)為ηV(t),4個(gè)車輪下的軌面不平順激勵(lì)函數(shù)為ηVi(t),(i=1~4)(編號(hào)自前進(jìn)方向第1車輪開(kāi)始),由于4個(gè)車輪經(jīng)過(guò)同樣的軌面不平順,所以4個(gè)車輪下的激勵(lì)不是獨(dú)立的,可以根據(jù)車輪經(jīng)過(guò)同一軌面點(diǎn)上的時(shí)間差進(jìn)行換算。設(shè)4個(gè)車輪經(jīng)過(guò)同一軌面點(diǎn)的時(shí)間分別為 t1、t2、t3、t4,則有

圖2 車輛垂向振動(dòng)平面模型

根據(jù)哈密爾頓原理,建立六自由度車輛振動(dòng)方程

以上式中各參數(shù)含義介紹如下:

V——車速;

zc、ζc——車體的沉浮和點(diǎn)頭振動(dòng)位移;

zbi、ζbi——前后構(gòu)架的沉浮和點(diǎn)頭振動(dòng)位移;

mc、Jcζ——分別表示一個(gè)車體的垂向參振質(zhì)量和點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

mb、Jbζ——分別表示一個(gè)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的垂向參振質(zhì)量和點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

c1、c2——分別表示一系(每軸箱)和二系(每轉(zhuǎn)向架單側(cè))懸掛的阻尼;

k1、k2——分別表示一系(每軸箱)和二系(每轉(zhuǎn)向架單側(cè))懸掛的剛度;

ηVi——4個(gè)車輪下軌面不平順激勵(lì);

l1——轉(zhuǎn)向架上前后兩輪對(duì)一系懸掛縱向中心距之一半;

l2——車輛二系懸掛縱向中心距之一半。

1.3 計(jì)算參數(shù)

采用上述六自由度模型,運(yùn)用有限元法進(jìn)行分析,車體和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架分別簡(jiǎn)化為質(zhì)量單元,考慮沉浮和點(diǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。一系和二系懸掛彈簧采用彈簧阻尼單元模擬,計(jì)入剛度和阻尼。計(jì)算中所需各參數(shù)數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 輕軌車輛垂向振動(dòng)計(jì)算參數(shù)表

本文舒適度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)采用歐洲規(guī)范“EUROCODE”對(duì)客車車體垂向振動(dòng)加速度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 “EUROCODE”客車車體垂向振動(dòng)加速度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2 梁端位移對(duì)車輛運(yùn)行影響的分析結(jié)果

2.1 梁端轉(zhuǎn)角對(duì)車輛運(yùn)行的影響

僅考慮主橋側(cè)發(fā)生較大梁端轉(zhuǎn)角、而另一側(cè)橋臺(tái)或引橋梁端轉(zhuǎn)角為0,車輛運(yùn)行方向考慮兩個(gè)方向,分別為車輛由有轉(zhuǎn)角側(cè)向無(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)運(yùn)行,以及由無(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)向有轉(zhuǎn)角側(cè)運(yùn)行兩種情況,輕軌車輛在橋上的運(yùn)行速度取30 km/h,分析由于梁端轉(zhuǎn)角引起鋼軌局部線型的變化對(duì)車體的豎向位移、速度和加速度的影響,特別是對(duì)車體振動(dòng)加速度的影響,見(jiàn)圖3。

圖3 線路撓曲示意

2.1.1 車輛由無(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)駛?cè)朕D(zhuǎn)角側(cè)

以梁縫處扣件間距為780 mm為例,不同梁端轉(zhuǎn)角情況下車體動(dòng)力響應(yīng)的最大值如表3所示。

由表3可知:①隨著橋梁轉(zhuǎn)角的增大,車體的垂向位移、速度和加速度變化幅度均增大,基本呈線性關(guān)系。不同轉(zhuǎn)角下的車體垂向位移、速度和加速度時(shí)變情況如圖4所示。②橋梁一側(cè)發(fā)生正的轉(zhuǎn)角和負(fù)的轉(zhuǎn)角時(shí),只影響車體垂向動(dòng)力響應(yīng)的方向,而不改變其幅度和大小。③由于車輛從無(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)進(jìn)入有轉(zhuǎn)角側(cè),車體垂向位移隨線路狀態(tài)而發(fā)散。④在最大轉(zhuǎn)角4.2‰情況下,車體垂向振動(dòng)加速度最大值達(dá)0.004 g,可認(rèn)為對(duì)車輛乘坐舒適性無(wú)影響,在實(shí)際發(fā)生的更小轉(zhuǎn)角情況下,可忽略其對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。

表3 不同梁端轉(zhuǎn)角下車輛動(dòng)力響應(yīng)最大值

圖4 由無(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)駛?cè)朕D(zhuǎn)角處時(shí)不同轉(zhuǎn)角下車體垂向位移、速度和加速度時(shí)程曲線

2.1.2 車輛由有轉(zhuǎn)角側(cè)駛?cè)霟o(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)

由于上述分析中橋梁一側(cè)發(fā)生正的轉(zhuǎn)角和負(fù)的轉(zhuǎn)角時(shí),只影響車體垂向動(dòng)力響應(yīng)的方向,而不改變其幅度和大小,所以以下只取轉(zhuǎn)角為正的情況進(jìn)行分析。不同梁端轉(zhuǎn)角情況下車體動(dòng)力響應(yīng)的最大值如表4所示。

表4 不同梁端轉(zhuǎn)角下車輛動(dòng)力響應(yīng)最大值

由表4可知:①當(dāng)車輛由轉(zhuǎn)角側(cè)駛?cè)霟o(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)時(shí),比車輛由無(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)駛?cè)胗修D(zhuǎn)角側(cè)的車體動(dòng)力響應(yīng)大,在梁縫處扣件間距一定的情況下,隨著橋梁轉(zhuǎn)角的增大,車體的垂向位移、速度和加速度變化幅度均增大,基本上呈線性關(guān)系。不同轉(zhuǎn)角下的車體垂向速度和加速度時(shí)變情況如圖5所示。②無(wú)其它不平順干擾情況下,車輛從有轉(zhuǎn)角側(cè)駛?cè)霟o(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)時(shí),車體垂向位移是收斂的,且隨著時(shí)間的變化逐漸趨于零。③在最大轉(zhuǎn)角4.2‰情況下,車體垂向振動(dòng)加速度最大值達(dá)0.094 g,可認(rèn)為對(duì)車輛乘坐舒適性無(wú)影響,在實(shí)際發(fā)生的更小轉(zhuǎn)角情況下,可忽略其對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。

2.2 錯(cuò)臺(tái)對(duì)車輛運(yùn)行的影響

由于橋梁支座的彈性作用,在列車荷載作用下,有荷載一跨橋梁發(fā)生彈性變形,另一側(cè)沒(méi)有變形,這樣就容易在梁縫處產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。此外,支座失效、施工誤差等因素都有可能引起錯(cuò)臺(tái),從而影響車輛的運(yùn)行[3]。橋梁錯(cuò)臺(tái)后的軌道結(jié)構(gòu)形式如圖1,錯(cuò)臺(tái)后的線路撓曲情況如圖6(以錯(cuò)臺(tái)1 mm為例)。

由于梁縫處扣件間距不同,由橋梁錯(cuò)臺(tái)引起的線路變形基本相等,因此,本文僅以扣件間距780 mm為例進(jìn)行分析。橋梁不同錯(cuò)臺(tái)高度下的車體垂向位移、速度、加速度隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖5 由有轉(zhuǎn)角側(cè)駛?cè)霟o(wú)轉(zhuǎn)角側(cè)時(shí)不同轉(zhuǎn)角下車體垂向速度、加速度時(shí)程曲線

圖6 錯(cuò)臺(tái)后鋼軌撓曲示意

研究表明:①隨著錯(cuò)臺(tái)高度的增加,車體垂向位移、速度和加速度值變大,具體數(shù)值見(jiàn)表5。②錯(cuò)臺(tái)高度為3 mm時(shí),車體豎向振動(dòng)加速度為0.006 5 g,量值較小,對(duì)行車舒適性無(wú)影響。對(duì)于實(shí)際中錯(cuò)臺(tái)比較小的情況,可不考慮其對(duì)輕軌車輛運(yùn)行的影響。

表5 錯(cuò)臺(tái)對(duì)車體運(yùn)行的影響

圖7 錯(cuò)臺(tái)后車體垂向位移、速度、加速度時(shí)程曲線

3 結(jié)論

橋梁受荷載作用后將引起梁端豎向位移和轉(zhuǎn)角,使軌道產(chǎn)生豎向不平順,對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,從而影響行車舒適性及安全性。通過(guò)對(duì)橋梁轉(zhuǎn)角及錯(cuò)臺(tái)對(duì)輕軌車梁的運(yùn)行舒適性及安全性分析,得出如下結(jié)論:

1)橋梁一側(cè)發(fā)生正的轉(zhuǎn)角和負(fù)的轉(zhuǎn)角時(shí),只影響車體垂向動(dòng)力響應(yīng)的方向,而不改變其幅度和大小。

2)隨著橋梁轉(zhuǎn)角的增大,車體的垂向位移、速度和加速度變化幅度均增大,基本呈線性關(guān)系。

3)車輛從橋梁有轉(zhuǎn)角一側(cè)駛?cè)霟o(wú)轉(zhuǎn)角側(cè),比從無(wú)轉(zhuǎn)角一側(cè)駛?cè)胗修D(zhuǎn)角一側(cè)的動(dòng)力響應(yīng)強(qiáng)烈,但轉(zhuǎn)角達(dá)到4.2‰時(shí),車體最大垂向加速度為0.094 g,可認(rèn)為對(duì)車輛乘坐舒適性無(wú)影響,在實(shí)際發(fā)生的更小轉(zhuǎn)角情況下,可忽略其對(duì)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性的影響。

4)隨著錯(cuò)臺(tái)高度的增加,車體垂向位移、速度和加速度值變大,但量值較小,對(duì)行車舒適性無(wú)影響。

[1]申磊.梁端無(wú)砟軌道扣件受力系統(tǒng)分析[D].成都:西南交通大學(xué),2008.

[2]張珍珍.250 km/h客運(yùn)專線彈性支撐塊式軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009.

[3]劉學(xué)毅.車輛—軌道—路基系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)[M].成都:西南交通大學(xué),2009:20-23.

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