地铁列车荷载分析方法.docx
地铁列车荷载分析方法wangsl导语：随着城市人口的增加,交通问题日益突出,地下铁道以其运量大、速度快、平安可靠1引言随着城市人口的增加,交通问题日益突出,地下铁道以其运量大、速度快、平安可靠、运行准时等特点,成为解决城市交通的重要手段。另一方面,地铁运行时产生的振动也是世界各国普遍存在而需要解决的问题。列车振动对地基以及四周环境都会产生重要影响,所以研究地铁列车荷载确实定方法非常重要。目前,国内尚无列车振动荷载的数值计算方法,现有方法大都是基于现场测试,并进展频谱分析,在此根底上推导列车振动荷载的方法主要有以下三种:1先进展现场测试分析,然后根据列车荷载形式用傅立叶变换进展离散,再通过列车车辆模拟轮系和轮轨互相作用简化模型,应用达朗贝尔原理求解出列车振动荷载的数定表达式;2根据经历和实验分析用人工鼓励函数来模拟列车振动荷载;3根据列车轨道隧道构造系统,进展有限元分析计算得出列车振动荷载。2列车振动荷载数定分析2.1现场测试及分析进展现场测试时在已通行有代表性的高速铁道路上或者模拟现场进展测试,测试中在轨底和轨腰处安置加速度计,振动信号经放大由磁带记录仪记录下来,然后在试验室回放,直接输入到信号处理仪进展处理,将模拟信号变换为数字信号,可绘出轨道纵、横两个方向振动加速度波形及其功率谱。由于列车振动荷载受载重、车速、钢轨踏面及其它细节情况的影响,所以从总体看由列车荷载所引起的钢轨、衬砌及四周介质的振动属于随机振动。由现场实验得到的轨道加速度波形,其表达式是未知的,一般以为是一个具有零均值的平稳各态历经的高斯经过。因此可以将其分解为一系列不同频率的谐波,即轨道的加速度波形可以分解成很多不同频率的正弦波和余弦波之和。文献1得出钢轨振动加速度波形的数定表达式为3人工数定鼓励力地铁列车产生的振动或者多或者少是随机性的。但是英国铁路技术中心多年来的大量研究和实验工作,其所得结论和数据使得用数定法来模拟列车荷载成为可能。实验说明,产生竖向轮轨力的主要原因是:1轨道接头和焊接使钢轨走行面发生部分不平顺;2轨枕的间隔排列或者轨面波纹导致周期性的不平顺;3纵断面内随机变化;4轮周面部分擦伤和偏心轮重;5轨枕支承面刚实程度不同所引起的随机变化。实验还说明,竖向轮轨力主要出如今三个频率范围内:1低频范围0.55.0Hz,几乎完全由于车体对悬吊局部的相对运动所产生;2中频范围30.060.0Hz,由于簧下轮组质量对于钢轨的回弹作用而产生;3高频范围200.0400.0Hz,由于钢轨的运动受到轮轨接触面的抵抗所产生。根据现有的结果和数据,可以用一个鼓励力函数来模拟列车动荷载,其中包括静荷载和由一系列正弦函数迭加而成的动荷载3:Ft=A0+A1sin1t+A2sin2t+A3sin3t4式中A0轮静荷载;A1、A2、A3与钢轨振动圆频率对应的振动荷载峰值;t荷载作用时间。当列车运行速度为已知时,量测出钢轨的根本振动波长L及与之对应的振幅i,即可算出相应的圆频率i。令列车簧下质量为m,那么相应振动荷载幅值可按式5计算。Ai=m·i·2i54列车轨道系统模型列车轨道系统动力分析模型是由车辆模型轨道模型按照一定假定的轮轨运动关系联络起来组成的系统。列车运行产生的振动经过道床,会产生一定的衰减。但大多数文献进展有限元分析时将轨底的荷载直接作为鼓励作用在地层上,没有考虑道床的衰减作用。根据整体式道床地铁隧道一般都采用整体式道床的振动衰减规律,可以得到地铁隧道底部的加速度时程图。通过列车轨道系统动力分析模型在计算机上进展模拟分析,可以得到作用于道床底部的列车荷载鼓励力曲线及其功率谱,作为动力荷载作用在隧道底部上。4.1车辆模型车辆轨道耦合动力模型由车辆模型、轨道模型和轮轨间的耦合关系组成。其中,车辆模型由一个6节编组的车辆系组成,每一节是一多自由度的振动系统,包括车体、转向架、轮对、弹簧和阻尼器。车辆模型是在如下假定的根底之上建立起来的。1每节车辆的车体、转向架和轮对均视为刚体,不计它们在振动中的弹性变形。2车辆悬挂系统的一系和二系阻尼均简化为粘滞阻尼器。对于非粘滞阻尼的减振器,可换算成由当量阻尼比确定的粘滞阻尼计算。3横向运动横摆、摇头、侧滚与竖向运动浮动、点头互不耦合。因此,可单独分析竖向振动。4不考虑车体、转向架和轮对沿车辆纵轴方向的振动。这样,每节车体和每个转向架各有两个自由度沉浮和点头,分别由通过车体重心的坐标Zc、c和通过转向架重心的坐标ZT、T表示;每个轮对考虑沉浮一个自由度Zw。对每个四轴客车,总计算自由度为10。4.2轨道模型轨道模型包括轨道以及轨下的橡胶垫层和扣件。有如下假定。1轨道为一置于一系列弹簧橡胶垫层、扣件之上的无限长梁,采用有限元法分析。其质量和刚度系数形成运动方程中的刚度矩阵,而阻尼矩阵假设为Rayleigh阻尼C=M+K。2橡胶垫层和扣件简化为一组质量弹簧阻尼器系统。根据上述假定,每个轨道节点有两个自由度竖向、转动,而每个弹性节点有一个自由度竖向。所以整个轨道模型的自由度为2N+n,其中N为轨道节点数,n为弹性支承点数。由以上的车辆模型和轨道模型,得到车辆轨道耦合系统动力学模型如图1所示。
