地铁扣件轨下弹性垫板横向动刚度幅频变特性及影响研究

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扣件轨下垫板作为铁路轨道结构中的主要弹性部件之一,钢轨横向振动特性受其动力性能的影响不可忽视。为在开展扣件横向动力试验之前通过仿真来提供相关理论指导,本文首先建立城市轨道交通DZⅢ型扣件系统关键零部件的三维实体有限元模型,在验证了模型的正确性之后,从静力分析的角度对在无垂向载荷作用与有垂向载荷作用两种情况下的扣件系统横向传力行为进行了研究,结果表明:扣件系统横向传力过程均可分为两个阶段,第一阶段轨距块与轨底尚未接触,扣件横向支承主要靠轨下垫板的剪切刚度提供;第二阶段轨距块与轨底接触后,扣件横向支承将主要由轨距块压缩刚度来提供。扣件所受的垂向载荷会增强轨下弹性垫板抵抗横向剪切变形的能力。在后续进行扣件横向动力试验时,选用0~5k N的横向加载范围可保证扣件横向支承主要由轨下垫板的剪切刚度提供。然后,以DZⅢ型扣件轨下弹性垫板为试验对象,设计了横向动刚度幅频变性能试验,结合弹性垫板的本构模型和高分子材料的温频等效原理,得到了扣件轨下弹性垫板的横向动态黏弹塑性力学性能随温度、频率非线性变化的变化规律,以及模型参数的识别结果。结果表明:对于DZⅢ型扣件弹性垫板而言,其玻璃区转化温度为-45℃左右。对数坐标系下的轨下垫板横向动参数(储能刚度和损耗因子)与频率在1~10000Hz内近似呈线性比例关系。非线性摩擦力模型与分数阶Zener模型并联起来的本构模型,可以较好地描述DZⅢ型扣件轨下胶垫的实际动态力学特性。最后,首先建立了Timoshenko梁单元钢轨横向振动分析模型,确定了模型的动力学参数和加载情况;然后通过室内试验和理论公式计算的方法验证了钢轨横向振动模型的可靠性;最后通过谐响应分析来研究扣件轨下弹性垫板频变性能对钢轨横向振动特性及传递衰减特性的影响,结果表明:扣件轨下弹性垫板在20~265Hz之间钢轨的横向振动位移导纳会因其横向阻尼频变而显著增大,钢轨横向振动在pinned-pinned共振附近及其后的频率范围内也会因此而加剧,并出现左右振荡;在此前提条件下进一步考虑其横向刚度频变能得到钢轨一阶横向共振频率更为精确的预测值(93Hz),相较于常量工况增加了14Hz。在扣件轨下弹性垫板横向动参数为全常量工况下,曲线在除邻近pinned-pinned共振外的频带一直稳定在较高的水平。若在阻尼频变的前提下,刚度频变会导致钢轨横向一阶共振频率(79Hz)附近的衰减幅值略微增大,且对应的频率范围变宽。
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