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原文传递高铁无砟轨道扣件系统弹性垫板温/频变动力特征及其影响研究

论文题名：	高铁无砟轨道扣件系统弹性垫板温/频变动力特征及其影响研究
关键词：	无砟轨道;弹性垫板;温度控制;震动频率;力学性能
摘要：	扣件系统弹性垫板是无砟轨道结构中唯一具有弹性和阻尼性能的部件，其动态力学性能对车辆-轨道耦合系统振动响应有重要的影响。弹性垫板属于高分子粘弹性材料，其动态力学性能受温度、频率、幅值、初始预压、加载历史等多个因素的影响。在高速铁路中对弹性垫板性能影响显著的是极端气候条件与高速行车引起的高频激振。本论文的研究目的是为了探明我国高速铁路无砟轨道扣件弹性垫板在极低温气候条件下的动态力学性能，并分析其动参数随温度、频率变化对车辆-轨道耦合系统随机振动的影响。　　本文首先应用配有温度箱的万能试验机测试了我国高速铁路无砟轨道使用较多的WJ-7B，WJ-8B和Vossloh300扣件系统弹性垫板在0.3Hz激振频率、-60℃～+20℃温度内的动态力学特征。试验结果表明:三类扣件弹性垫板迟滞回圈接近椭圆，属于线性粘弹性材料，在测试温度范围-60℃～+20℃内，力学状态仅处于玻璃态与橡胶态，即使在最高服役温度+67℃时，仍未达到黏流态;三类扣件弹性垫板在-55～-10℃(-20℃或0℃)温度内，具有显著的低温敏感性，在温度高于-10℃（-20℃或0℃）时，动参数随温度变化不明显，具有高温稳定性;当都处于4kN荷载幅值条件下时，WJ-8B弹性垫板储能刚度与损耗因子均随着预压力的增大而增大。　　然后，通过应用高分子材料的温频等效原理，得到了不同参考温度下WJ-7B，WJ-8B和Vossloh300扣件系统弹性垫板动参数在0～1000Hz频率范围内的变化规律。结果表明:在1000Hz范围内，三类弹性垫板储能刚度与损耗因子均随频率的增大而增大;温度与预压力对弹性垫板动态力学性能的影响比频率更显著;在车辆-轨道耦合系统建模分析时必须考虑弹性垫板动参数的时变特征才能准确计算系统响应。　　之后，应用Grünwald-Letnikov定义的分数阶Kelvin-Voigt模型表征WJ-8B扣件弹性垫板的动态力学行为，并将理论模型与测试结果做了对比，二者吻合度较好，由此表明:使用分数阶Kelvin-Voigt模型可以在1000Hz的宽频范围内较为准确地描述弹性垫板的动态力学行为。　　最后，以WJ-8B扣件系统为例，将其分数阶Kelvin-Voigt本构模型应用到车辆-轨道垂向耦合动点激励模型中，应用虚拟激励法与周期拟稳态算法，求解和分析了行车速度、弹性垫板动参数温、频变对车辆-轨道垂向耦合系统随机振动响应的影响。结果表明:行车速度的增大会在全频带内引起车辆-轨道耦合系统随机振动响应的增大，从而对行车安全性与舒适性、轮轨振动噪声、轨道伤损、环境振动等产生不利影响。弹性垫板动参数温变主要影响车辆-轨道耦合系统中高频随机振动响应，低频几乎不发生变化。随着温度从20℃降低至-30℃，车辆系统垂向振动加速度在50～200Hz的中高频范围内减小，在超过200Hz的高频范围内增大;钢轨垂向振动加速度在超过50Hz的中高频范围内显著减小;轮轨垂向动作用力主频向右偏移，且峰值减小;扣件动支反力主频向右偏移，且峰值增大。弹性垫板动参数频变主要影响车辆-轨道耦合系统中高频随机振动响应，低频几乎不发生变化。与常量参数相比，车辆系统垂向振动加速度在80～200Hz的中高频范围内减小，在200～800Hz的高频范围内增大;钢轨垂向振动加速度全频带范围内均增大;轮轨垂向动作用力与扣件动支反力主频峰值均显著增大。对于车辆系统与钢轨来说，时频变参数的影响与频变参数的影响规律基本类似，只是幅值略有差异;对于轮轨垂向动作用力与扣件动支反力，与频变参数相比，时频变动参数的主频峰值显著减小，且主频向右偏移。显然，相比于常量参数与频变参数，使用时频变动参数能够更精确地描述弹性垫板实际服役时动态力学行为。因此，为了准确分析车辆-轨道耦合系统随机振动响应，建议使用时、频域结合的计算方法，考虑弹性垫板动参数的时频变特征。
作者：	张攀
专业：	道路与铁道工程
导师：	韦凯
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文