紧固建模对单轨轨道表面缺陷车辆轨道相互作用的影响外文翻译资料

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紧固建模对单轨轨道表面缺陷车辆轨道相互作用的影响

外文作者： 赵 新

道路与铁路工程部，代尔夫特理工大学土木工程与地球科学系

史蒂文威 1 代尔夫特市2628，荷兰; 西南交通大学牵引力国家

重点实验室，北环二环路1号街第111号，中国成都 610031；

个人邮箱： xinzhao@home.swjtu.edu.cn

李子义

道路与铁路工程系，土木工程与地球科学学院，

代尔夫特理工大学，史蒂文威1号，代尔夫特市2628，荷兰；

个人邮箱： z.li@tudelft.nl

Rolf Dollevoe

道路与铁路工程系，土木工程与地球科学学院，代尔夫特理

工大学，史蒂文威 1号，代尔夫特市2628，荷兰；

个人邮箱： r.p.b.j.dollevoet@tudelft.nl

摘要：在轨道焊盘的实际区域中分布有多达12个弹簧阻尼器组件，本文开发了不同的紧固建模，以在紧固系统内包括不均匀的压力分布，并更加实际地模拟轨道底部的约束用于车辆和轨道之间的高频动力学。应用于车辆轨道交互的三维瞬态FE模型，研究了紧固建模对单轨轨道表面缺陷（SRSD）上的高频动态接触力的影响。采用的两个缺陷模型，一个是比较大的，另一个是小的。这是一个具有现实意义的工作，因为蹲式作为一种SRSD已经成为广泛传播的问题。结果表明，紧固建模在SRSD的高频动态接触力中起重要作用。轨道底部的支撑被认为是最重要的，被设计为位于轨道网下的弹簧阻尼器组。轨道底部被限制或支撑越少，轨枕和下部结构越靠近车轮轨道相互作用，并且在SRSD撞击后，轨道中保持更多的动能。滚动速度也有所不同，以考虑其影响。最后，根据这项工作的结果，讨论了紧固系统的使用状态对相对较小的SRSD的增长的影响。

关键词：紧固建模，滚动接触，车道相互作用，瞬态动力学，单轨轨道表面缺陷，下蹲。

引言

在现代铁路轨道中，通常由基板，夹子和轨道垫组成的紧固系统被设计成形成轨道和轨枕（或板）之间的结构连接。轨道垫被插入轨道和轨枕之间，以将负载向下传输，同时滤除高频动态组件并提供电气绝缘。通过这一点，枕木和下部结构与过度磨损和高冲击载荷隔离。

为了优化轨道系统，从实验和理论方法的动态角度研究了轨道垫的影响[1-5]。对于检查车辆轨道系统的动态行为的许多分析或数值方法，紧固系统通常被建模为伴随简化轨道梁的弹簧和平行阻尼器（以下称为弹簧阻尼器组合）的组合[1-3,6-10]。实践中的一个很大的困难是找到适合的轨道值[10]。为了确定紧固系统的动态特性，主要是轨枕的动态刚度和阻尼，已经为不同的预载水平[11,12]，不同温度[13]和考虑老化效果[13,14]。

然而，假定轨道焊盘和轨道底部之间的界面为无穷小点的弹簧阻尼器组的紧固模型不能考虑轨道焊盘内的不均匀的压力分布（见图1）。换句话说，对轨道底部的约束是不现实的。这可能导致对动态预测的重大错误——通讯作者。

由ASME设计工程部提供，供“计算与非线性动力学杂志”发表。 手稿于2013年1月31日收到; 最终稿件于2013年10月31日收到; 在线发布2014年2月13日。 编者：Jos，e L. Escalona。

车辆轨道相互作用，特别是与单轨轨道表面缺陷相关的高频（SRSD，例如，典型波长在20和40mm之间的蹲下[15]）。 为了克服这种牵引，多个弹簧阻尼器组的紧固模型是一个简单的选择。 应该强调的是，如果轨道和轨枕仍然由简化的单梁代表，这种建模是不适用的。 需要使用有限元（FE）方法对轨道和轨枕（如固体元素）进行更详细的建模，以与多个弹簧阻尼器组进行协调。

在文献中，通过固体元素网格的轨道建模已经在车辆轨道系统的一些动态有限元模型中实现[15-18]，但是紧固系统的建模及其充分性尚未被特别讨论。这项工作对多个弹簧阻尼器组的紧固建模进行了详细的研究。参考文献中开发的车辆轨道交互的3D瞬态FE模型。 [15,16]被雇用。重点放在紧固建模对SRSD上高频动态接触力的影响上。开发了由分布式弹簧阻尼器组成的不同的功能模型，并将其应用于仿真中进行比较。基于获得的结果，讨论了增强系统服务状态对SRSD增长的影响。这样的工作具有现实意义，因为作为一种SRSD的蹲点已经成为整个荷兰铁路网络的广泛传播问题[15]。考虑到荷兰的情况，模拟了铁路车辆的四个滚动速度，即140，100，70和40 km / h。

1.模型描述

1.1 FE模型

车辆轨道交互的三维瞬态FE模型如图1所示。如图2（a）所示。荷兰铁路网的荷兰客车和

压载轨道被考虑在内。由于与SRSD相关的高频动力主要归因于轮对和轨道的灵活性，所以车辆

的弹簧质量集中到通过主悬架（Kc和Cc）连接到轮对的Mc。路基被忽略，因为它只能影响低频

振动[19,20]。考虑到系统的对称性，半轮对和半直轨是建模的，考虑到车辆轨道系统的灵活性

可以有效地过滤掉来自一个车轮轨道的高频动力的传输接口到另一个。为了计算，通过将对称边

界条件应用于轮对轴和轨枕（NS90）结束，系统的横向运动受到限制，轨道支撑只允许垂直移动。

在轨道末端，对称边界条件也被应用于实际的无限长度。模拟轨道的长度扩展到9.6米或16米。

Rolling direction:滚动方向

Sleeper：轨枕

Rail pad：导轨垫

图1

图1.当一个车轮通过时，轨道的加载配置。 由于在车轮负载下的轨道弯曲和转动以及轨道倾斜，轨道焊盘内的压力分布不均匀，并随着车轮移动而改变。 （a）在纵向垂直平面中，（b）在横向垂直平面中。

为了包括与SRSD相关的车辆轨道系统的所有特征，轮对，轨道和轨枕都使用3D实体元素进行网格化，考虑到其实际几何形状（参见图2（b）和（ C））。元素和节点总数分别为243,569和276,183。最小元件尺寸为1.1 mm，位于应用SRSD的轨道顶部的一部分。轨道剖面是标准60E1，倾斜度为1:40。轮的胎面圆锥度为1:40。因此，轨道接触发生在轨道顶部的中间，这对于诸如蹲下的一些SRSD是现实的。采用表面到地面接触算法的详细接触模型[21]来解决时域中的瞬态轮轨滚动接触，并且已经针对赫兹理论和Kalker的CONTACT [22]进行了验证。时间整合是通过明确的方案，通过中心差异法来确定。在模拟期间，时间步长为8.0times;10-8 s，小于由最小元素大小确定的关键时间步长，以确保模拟的收敛。考虑到瞬态FE模型已经成功预测了与蹲相关的振动[15,23]，可以大致地认为该模型已经在几百到约2000Hz之间的频率范围内得到验证。有关FE建模的更多信息，读者参考Refs。 [15,16,22,23]。

相关参数的值列于表1中。轨道的离散支架根据其位置进行编号，以方便参考。如图1所示。如图2（a）所示，支撑件的编号沿着滚动方向增加，接触片的初始位置即位置a的值被设定为零。相应地，紧固我（我是一个整数），轨枕我和镇流器我也被编号在支持我。 3D右手笛卡尔坐标系（Oxyz）如图2（a）所示。原点（O）位于轨道顶部中心，在纵向上距离位置a0.42m。 z轴在垂直方向。 注意，对于模拟情况，垂直方向和法线方向之间的差异是可以忽略的，因此它们在下文中不能相互区分。

1.2 增强型号

如图1所示。如图2（a）所示，轨道被松散地支撑，每个支撑件由紧固件（主要是轨道垫片）考虑，枕木和卧铺下的压载物构成。一个紧固件由分布在轨道垫的实际区域中的一系列弹簧阻尼器组件表示。通过改变弹簧阻尼器组的数量及其相对位置，不同的紧固模型如图1所示。 3在这项工作中建立起来。最多使用12组（纵向3列，横向4列）（见图3（a））。为了便于参考，以下紧固型号称为“F”（紧固），弹簧减震器组数量如下。对于模型F_2_in（in：inner）和F_2_ou（ou：outer），弹簧减震器组的位置也在其名称中指定以进一步分隔。注意，在不同的紧固模型中，紧固的总刚度和阻尼（所有弹簧阻尼器组的总和）保持恒定以进行比较。只有一个弹簧阻尼器组合的紧固模型不包括在这项工作中，因为固体元件的轨道不稳定，如果其底部的支撑件仅沿着一根纵向线存在。

1.3 SRSD模型和典型模拟

两个SRSD型号如图1所示。 4在本工作中进行了模拟。从设备RailProf [15]测量的纵向 - 纵向轨道剖面取得的缺陷1用于对成熟的蹲下进行建模。命名为缺陷2的简化缺陷模型是模拟轻蹲。这两种缺陷都应用于轨道顶部的中间，其前缘（A1G和A2G）位于Oxyz的原点，如图1所示。沿横向，缺陷设置为28mm宽（接触片的半轴沿横向方向约6.0mm），并且深度分布被假设为抛物线。虽然模拟缺陷相对于轨道的离散支撑的相对位置在本文中没有变化，但过去参数变化的分析（一些结果发表在参考文献[15,16]）中，确认后面讨论的结果和结论对于缺陷的其他相对位置也是有效的，至少在趋势方面。

在每个模拟中，系统在重力下的平衡状态首先在车轮的初始位置达到（位置a在图2（a））。然后，将车轮设置成沿着轨道从位置a朝着位置b（参见图2）以指定的滚动速度滚动。为了显式FE的性质，瞬态车轮旋转的影响包括在模拟中达到。当车轮向前滚动时，接触片沿着车轮和轨道的接触表面移动。滚动距离ab被设计为消除初始条件的影响。当车轮滚过缺陷时，获得轮轨接口处的瞬时接触力。注意，绝对稳态几乎不能达到，因为明确的FE方法花费太多时间。模拟结果表明，当轧制速度为140公里/小时时，光滑轨道上的垂直接触力的波动仅为0.42米（进入缺陷之前）的轧制距离之后的静态载荷的4.8％。这样的波动已经足够稳定，随着时间的推移会进一步衰减。与本文研究的SRSD相比，轨道的离散支撑对接触力的影响是可以忽略的。

1.这项工作模拟案例列于表2.其中，应用缺陷1的案例以“B”（大）命名，而“S”（小）用于命名缺陷案例。

2.名称中的“B”或“S”后的信息与不同的紧固模型相对应。四种不同的滚动速度，即140，100，70和40公里/小时，都以荷兰的做法为模型。此外，还通过不同的紧固模型和所有模拟轧制速度模拟轨道表面上没有缺陷的参考案例（案例R），以得出后续结果。

表1模型中参数的值[15]

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