高鐵無砟軌道扣件系統(tǒng)彈性墊板溫-頻變動力特征及其影響研究.pdf

1、扣件系統(tǒng)彈性墊板是無砟軌道結構中唯一具有彈性和阻尼性能的部件，其動態(tài)力學性能對車輛-軌道耦合系統(tǒng)振動響應有重要的影響。彈性墊板屬于高分子粘彈性材料，其動態(tài)力學性能受溫度、頻率、幅值、初始預壓、加載歷史等多個因素的影響。在高速鐵路中對彈性墊板性能影響顯著的是極端氣候條件與高速行車引起的高頻激振。本論文的研究目的是為了探明我國高速鐵路無砟軌道扣件彈性墊板在極低溫氣候條件下的動態(tài)力學性能，并分析其動參數隨溫度、頻率變化對車輛-軌道耦合系統(tǒng)隨機

2、振動的影響。
　　本文首先應用配有溫度箱的萬能試驗機測試了我國高速鐵路無砟軌道使用較多的WJ-7B，WJ-8B和Vossloh300扣件系統(tǒng)彈性墊板在0.3Hz激振頻率、-60℃～+20℃溫度內的動態(tài)力學特征。試驗結果表明:三類扣件彈性墊板遲滯回圈接近橢圓，屬于線性粘彈性材料，在測試溫度范圍-60℃～+20℃內，力學狀態(tài)僅處于玻璃態(tài)與橡膠態(tài)，即使在最高服役溫度+67℃時，仍未達到黏流態(tài);三類扣件彈性墊板在-55～-10℃(-20℃

3、或0℃)溫度內，具有顯著的低溫敏感性，在溫度高于-10℃（-20℃或0℃）時，動參數隨溫度變化不明顯，具有高溫穩(wěn)定性;當都處于4kN荷載幅值條件下時，WJ-8B彈性墊板儲能剛度與損耗因子均隨著預壓力的增大而增大。
　　然后，通過應用高分子材料的溫頻等效原理，得到了不同參考溫度下WJ-7B，WJ-8B和Vossloh300扣件系統(tǒng)彈性墊板動參數在0～1000Hz頻率范圍內的變化規(guī)律。結果表明:在1000Hz范圍內，三類彈性墊板儲能剛

4、度與損耗因子均隨頻率的增大而增大;溫度與預壓力對彈性墊板動態(tài)力學性能的影響比頻率更顯著;在車輛-軌道耦合系統(tǒng)建模分析時必須考慮彈性墊板動參數的時變特征才能準確計算系統(tǒng)響應。
　　之后，應用Grünwald-Letnikov定義的分數階Kelvin-Voigt模型表征WJ-8B扣件彈性墊板的動態(tài)力學行為，并將理論模型與測試結果做了對比，二者吻合度較好，由此表明:使用分數階Kelvin-Voigt模型可以在1000Hz的寬頻范圍內較為

5、準確地描述彈性墊板的動態(tài)力學行為。
　　最后，以WJ-8B扣件系統(tǒng)為例，將其分數階Kelvin-Voigt本構模型應用到車輛-軌道垂向耦合動點激勵模型中，應用虛擬激勵法與周期擬穩(wěn)態(tài)算法，求解和分析了行車速度、彈性墊板動參數溫、頻變對車輛-軌道垂向耦合系統(tǒng)隨機振動響應的影響。結果表明:行車速度的增大會在全頻帶內引起車輛-軌道耦合系統(tǒng)隨機振動響應的增大，從而對行車安全性與舒適性、輪軌振動噪聲、軌道傷損、環(huán)境振動等產生不利影響。彈性墊板

6、動參數溫變主要影響車輛-軌道耦合系統(tǒng)中高頻隨機振動響應，低頻幾乎不發(fā)生變化。隨著溫度從20℃降低至-30℃，車輛系統(tǒng)垂向振動加速度在50～200Hz的中高頻范圍內減小，在超過200Hz的高頻范圍內增大;鋼軌垂向振動加速度在超過50Hz的中高頻范圍內顯著減小;輪軌垂向動作用力主頻向右偏移，且峰值減小;扣件動支反力主頻向右偏移，且峰值增大。彈性墊板動參數頻變主要影響車輛-軌道耦合系統(tǒng)中高頻隨機振動響應，低頻幾乎不發(fā)生變化。與常量參數相比，車

7、輛系統(tǒng)垂向振動加速度在80～200Hz的中高頻范圍內減小，在200～800Hz的高頻范圍內增大;鋼軌垂向振動加速度全頻帶范圍內均增大;輪軌垂向動作用力與扣件動支反力主頻峰值均顯著增大。對于車輛系統(tǒng)與鋼軌來說，時頻變參數的影響與頻變參數的影響規(guī)律基本類似，只是幅值略有差異;對于輪軌垂向動作用力與扣件動支反力，與頻變參數相比，時頻變動參數的主頻峰值顯著減小，且主頻向右偏移。顯然，相比于常量參數與頻變參數，使用時頻變動參數能夠更精確地描述彈性