轨道结构及轨道动力学-轨道结构平顺性

NGZ V 2 Vp NGZ
最大超高
• 最不利时：列车停 在曲线并受风力等 作用，可能导致列 车倾覆 • 最大外轨超高为 150mm • 无砟轨道的最大超 高和欠超高
超高与速度不匹配
• 外轨超高设置后成为固定值，但列车通过速度一 般是不同的。实际速度与外轨超高不相适应。 • 两种提法： １．未被平衡加速度：相对设置的超高 车辆感受：晃车 ２．欠、过超高：相对实际速度 欠超高：外轨侧磨；过超高：内轨压溃 同一计算公式： 2
最大
1422 1424
正常
1419 1421
最小
1396 1394
T：轮背内侧距离；d：轮缘厚度； q：轮对宽度
直线轨道几何形位
• • • • 制定依据： 行车平稳、舒适、安全 轮轨相互作用力小 几何形位是动态的，允许一定范围内误差。 误差范围： 与机车车辆走行部分有关 与轨道结构类型有关 与运营条件有关
单点接触： 摩擦力
两点接触：摩擦 力与导向力
横向运动
• 直线：机车车辆横向运动、蛇行运动
• 曲线：＋迫使机车车辆转向的导向力｛两 点接触）
转向架固定轴距
L3 L2 f0
qmax
L1
B
C f1 Li2 L02 Li1 L01
A
SW
集中牵引或分散牵引
轴重 摩擦力
动载增量比轮静轮重大一倍多， 异常情况可达２～３倍
• 条件：列车速度不变
S1 v p h g
hE 1
2

EK
立面条件
• 始终点连续 • 折角：始终点连续一阶导数连续
车体侧滚
其车轴与水平面倾斜角变化连续：始、终点 角加速度为零
h sin S1
d E d K dt 2 S1 dt 2
2 2
v
dl dt
d 2 Ev 2 d 2 K 2 dt S1 dl 2
突变点：轮轨冲击 速度越高越突出
过渡段类型
• • • • 路基---桥台（涵洞） 路基---隧道 挖方---填方 有砟---无砟
过渡段设置基本思想
• • • • 由低刚度端向高刚度端逐渐过渡 控制因素：刚度差；长度； 变化形式：直线；曲线？ 工程施工：连续？间断？ 论文题目?
间断：刚度差和长度？
曲线轨道轨距加宽
• 在半径太小的曲线轨道上（350m以内） ， 轨距要适当加宽：使机车车辆能顺利通过， 以减小轮轨间的横向力。349？ • 加宽轨距：内轨向曲线中心方向移动，外 轨保持不变。 • 保证车轮不掉道的最大轨距可达1450mm， 即加宽15mm • 列车中车辆占极大多数：以主要类型的车 辆能顺利通过为计算依据。根据机车检算
项目
作业验 收 +2 -2 3 3 3 3
经常 保 养
+4 -2 5 5 4 4
临时 补 修
+6 -4 8 8 7 6
限速
轨距（mm） 水平（mm） 高低（mm） 轨向（直线）（mm） 三角坑 （扭曲） 直线和圆曲线 （mm） 缓和曲线 （mm）
+8 -6
10 11
9
8
3
4
6
8
波长管理
• 单波：波长、波深 • 连续波
工程措施
• 轨道：降低高刚度：轨下胶垫（扣件） 增加有砟轨道低刚度：加长、大轨 枕；道碴垫等；辅助轨 • 路基：提高刚度用土工格栅、端刺、锚杆 • 桥台：吊板；桥台延伸
Züblin系统过渡段实例
有碴／无碴之间的过渡措施： 道碴胶 锚杆 HGT层伸入有碴内10m （设置辅助轨）

扣件刚度分级过渡 8 根轨枕60 kN/mm 8 根轨枕 40 kN/mm 9根轨枕 27 kN/mm 最后过渡到无碴刚度 （22.5kN/mm）������ ������ ������ ������ ������ ������ ������ ������
长度
夹直线长度
• 给机车车辆足够的时间过渡 舒适： 安全：轮对浮起 • 摆式列车要求更严：摆动幅度更大
踏面与轮缘
• 锥形踏面：1:20 和1:10两段斜坡 • 磨耗型踏面：曲 线型踏面，与钢 轨顶面基本吻合 • 轮缘：防止车轮 脱轨 • 轨底坡
轮轨接触
• 列车正常运行时轮轨间有两种接触形式： 单点接触和两点接触。
轨道结构平顺性
轨道的工作环境
• 机车车辆的转向架、轮对、踏面、轮缘要 求轨道（钢轨）的几何形位 • 转向架：轨距加宽？ • 轮对、轮缘：轨距 • 踏面：轨底坡 • 轴重：强度、耐磨、硬度（磨钢轨或车轮） • 牵引方式：摩擦
轮对—轨距
• • • T：轮背内侧距离 d：轮缘厚度 q：轮对宽度 轮对宽度q
速度系数 3.50 3.00 2.50
速度系数
2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0 50 100 150 速度（km/h） 200 250
不平顺分类
• 静（态）不平顺 轨道的几何尺寸误差和钢轨表 面不平顺 • 动（态）不平顺 轨下基础刚度不均匀。
如：扣件失效、空吊板、过渡段、维修 不当造成的道床密实度不均匀等
V h 11.8 R
欠、余超高
• 相对实际速度合理超高为：
V2 h h0 11 .8 R
• 超高有余或不足量：
V2 h h0 11.8 R
欠超高一般不应大于75mm，困难情况不应 大于90mm；过超高不得大于50mm。
摆式列车
• 可减小外轨超高，使之与低速货车超高差 距缩小 • 英国的摆式车辆采用了瑞士SIG公司开发的 技术,在转向架的心盘部分安装了一个摇枕 弹簧,由设置在旁承部分的作动器使车体摇 摆。通过曲线时最大倾角可达6度。
d 2 0 2 dt
表2-4 缓和曲线线形条件表
常用缓和曲线
• 满足表2-4中前三项要求的缓和曲线，是目 前铁路上最常用的缓和曲线，所以也称为 常用缓和曲线。 • 常用缓和曲线的外轨超高顺坡为直线顺坡 • 常用缓和曲线及高速缓和曲线
缓和曲线长度
舒适：车体爬升速度；外轮升高速度 安全：车轮悬浮 与顺坡长度和车速有关。 曲线形超高顺坡，曲线中点变化率最大
静不平顺管理
• • • • • • 幅值 变化率 连续多个波 ＴＱＩ 波长 曲线
静态不平顺
• 轨检车数量少、速度低、信息利用不够 • 人工检测可行性 检测设备落后 精度（夜间、设备） 安全（车速快、密度大） 及时（仅天窗时间可利用）
幅值管理
• • • • • • 静态几何尺寸管理.doc 轨距：容易测量、混凝土轨枕保持好 水平：容易测量、有碴轨道难保持 高低：测量难度大、有碴轨道难保持 轨向：测量难度大、有碴轨道难保持 三角坑：测量难度大、有碴轨道难保持
外轨超高
• 机车车辆在曲线上行驶时，机车车辆、 货物、旅客受离心力作用： 1、内外股钢轨受力不均匀 2、旅客不舒适 3、货物移位 • 设置超高的目的，解决上述问题
外轨超高设置方法
• 外轨高于内轨的水平高差叫外轨差高 • 超高设置两种方法： 1、外轨提高法：保持内轨标高不变而 只抬高外轨的方法，使用较普遍。 2、线路中心高度不变法：分别各降低 和抬高超高值一半而保证线路中心标高不 变的方法， 仅在建筑限界受到限制用。
超高限速
• 在既定的超高和未被平衡的容许超高[Δh]的 限制下，通过该曲线的列车最高速度必定 受到。其最高行车速度Vmax应为：
Vmax ( h hQY ) R 11 .8
提速改造： 无砟轨道：
(150 90) R 4.5 R 11.8
按最大超高150mm，欠超高分别为75mm和９0mm计算：
Ｈ
Ｌ
不平顺激励频率
• 波长：Ｌ＝ＶT f=1/T ω=2πf
s=vt 不平顺激励频率与波长有关，与车速有关 车速越高，频率起高
不平顺波长与车辆走行部分尺寸有关 不同型机车车辆在线路上响应不同
不平顺波 长与车辆 定距相同 时
不平顺波长 是车辆定距 的1.5倍时
道岔（区）冲击
• 尖轨 • 心轨 • 岔区刚度
(150 75) R 4.3 R 11.8
Vmax
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Vmax
缓和曲线--薄弱环节
• 直线和园曲线之间的过渡曲线叫缓和曲线。 不得已而设置的 １．超高和轨距加宽的连接过渡 ２．产生的各种力过渡，保证舒适、平稳 ３．缓和曲线部分轨道是扭曲的，对安全有 影响 从平面和立面上讨论合理的缓和曲线
结构性不平顺--过渡段
• 由于轨下基础刚度不均匀。当列车通过时， 轮下竖向位移变化，引起车辆线路系统振 动。
过渡段定义
• 为缓和轨下基础竖向刚度突变引起的问题， 在线路一定长度内采取使轨下基础刚度均 匀连续变化工程补救措施，这段特殊线路 叫过渡段
突变点： 轮轨冲击 竖向 位移
过渡段问题
• 线路轨道结构或线下基础结构的改变，使 轨下基础刚度突变，影响机车、车辆舒适、 平衡运行，加剧线路结构破坏。
Züblin系统过渡段实例
路基／桥梁之间的过渡措施： 端刺（下垫弹性垫层）
锚杆
吊板
过渡段问题实质
由于刚度差引起轮下位移差、相当于增 加一个不平顺—等效不平顺 1、过渡段没有轮轨不平顺时，等效不平顺对 车辆/轨道动力影响 2、过渡段有轮轨不平顺时，车辆/车辆动力 问题 现有的工作是将二者混合研究
京沪有砟、无砟轨道过渡段
• 桥上，只能在轨道采取措施： 降低无砟轨道刚度： 轨下胶垫（扣件） 增加有砟轨道刚度：
加长、大轨枕—轨枕支承面积大 道碴垫等—道床整体性强 辅助轨—轨道抗弯刚度大
底座板纵连
四、端剌
“端剌”结构
超高计算原理
• 合理超高应使机车车 辆倾斜，产生一个水 平分力与离心力平平 衡。 • 超高设置与曲线半径、 车速有关。 • 对单个车
mg sin mv / r
2
sin h / s
sv h gr
2
平均速度
• 一、全面考虑每一次列车的速度和重力 • 二、在新线设计与施工时，取最高设计速 度的0.8倍为平均速度 • 三、不考虑重力的平均速度
平面几何形位条件
• 始、终点处连续：
y x 0 0
y x x 0 y0
• 始、终点处无折角： 一阶导数连续：
x x 0
0
x 0 0
• 车体受到离心力变化连续： • 缓和曲线始点处 • 缓和曲线终点处 R
平面和立面的关系
• 缓和曲线的超高与平面曲率相匹配