基于振动理论的铁路无缝线路温度力检测方式研究

摘要

无缝线路能极大程度的减少钢轨接头数量，这对提高列车运行的安全性、舒适性、延长车辆轨道部件使用寿命具有十分积极的意义，因而其被广泛应用于既有线提速改造、新建客运专线及高速铁路中。然而，当钢轨温度发生变化时，无缝线路中的长钢轨由于受到道床阻力及扣件阻力作用而不能自由伸缩，此时会在长钢轨内部产生轴向温度力。当钢轨内部的温度力达到一定程度时，加之轨道结构自身存在一定缺陷，则极易造成无缝线路胀轨跑道或钢轨折断，为列车的安全运行埋下隐患。因此，如何快速准、准确识别无缝线路长轨条内部的温度力是当前国内外关于轨道运营安全监测方面一个重要的研究课题。
　　本论文根据 Timoshenko梁理论，推导得到了移动谐荷载作用下周期支承钢轨的竖向及横向振动微分方程。通过周期结构波数有限元方法，分析得到了在分析频率范围（0~5000Hz）内，周期离散支承钢轨各阶共振频率与轴向温度力之间的关系。同时，探讨了轨下等效支承刚度、轨枕间距以及钢轨类型等因素对上述各阶共振频率的影响。文章的主要结论如下：
　　（1）轴向温度力与周期离散支承钢轨的各阶共振频率（包括竖向及横向）之间存在一定的变化规律。具体表现为钢轨的各阶共振频率均随着轴向温度拉力的增大而增大，随轴向温度压力的增大而减小。因而，通过检测钢轨共振频率的变化以分析得到无缝线路钢轨内部温度力的检测方式是可行的。
　　（2）在周期离散支承钢轨的各阶共振频率中，共振频率越高，其受轴向温度力的影响越明显。其中竖向振动第3~5阶共振频率随温升幅度变化的平均变化率分别为0.0978 Hz/℃，0.1437 Hz/℃以及0.2064 Hz/℃，横向振动第3~5阶共振频率的平均变化率分别为0.189Hz/℃，0.0015/℃以及0.2025/℃。
　　（3）考虑轨下垫板刚度及道床刚度变化的影响时，其主要影响周期离散支承钢轨的第1，2，4阶共振频率，而对第3，5阶共振频率的影响较小。其主要是因为第3阶及第5阶共振频率分别为钢轨的第1，2阶pinned-pinned共振频率，其基本不受轨下支承刚度变化的影响。因此，结合结论（2），同时考虑到高频范围内的共振频率较难激发，因而采用周期离散支承钢轨横向振动第3阶共振频率作为无缝线路温度力的振动评价指标更为合适。
　　（4）通过分析轨枕间距变化对周期离散支承钢轨各阶共振频率的影响，钢轨各阶共振频率均随着轨枕间距的增大而减小。然而对于较大的轨枕间距，钢轨各阶共振频率对温度力的变化更为敏感。
　　（5）周期离散支承钢轨竖向振动第一、二阶共振频率随着钢轨标号的增大而减小，第三~五阶共振频率则随着钢轨标号的增大而增大。因而，采用振动法检测无缝线路钢轨内部温度力时需提前对轨枕间距及钢轨类型进行标定。
　　综上，通过分析轴向温度力变化以及轨下支承结构刚度变化对周期离散支承钢轨各阶共振频率的影响，可考虑将周期离散支承钢轨竖向及横向振动的第三阶共振频率（分别为1080Hz，570Hz）作为振动法测无缝线路温度力的评价指标。此外，通过轨道结构参数变化对轨道结构振动特性影响的分析，亦可将周期离散支承钢轨竖向振动第一阶及第二阶共振频率（分别为79Hz，526Hz）作为无缝线路道床刚度及垫板刚度是否满足要求的检测评价指标。

目录

声明

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 无缝线路温度力检测方式研究现状

1.2 基于振动法无缝线路温度力检测方式的研究现状

1.3 论文研究内容及章节安排

第二章 周期结构波数有限元法

2.1 周期结构波数有限元法原理

2.2 移动谐荷载作用下周期支承弹性体位移响应求解

2.3 移动谐荷载作用下弹性体位移响应的波数表达形式

2.4 弹性体频散特性分析

2.5 本章小结

第三章 轴向温度应力作用下钢轨动力学方程

3.1 无缝线路钢轨轴向温度应力计算

3.2 钢轨模型选取

3.3 轴向温度力作用下Timoshenko梁运动微分方程

3.4 本章小结

第四章 无轴向力影响时轨道结构竖向振动特性分析

4.1 频散特性分析

4.2 位移特性分析

4.3 周期离散支承模型频散特性与位移响应特性的关系

4.4 本章小结

第五章 轴向温度力对轨道结构竖向振动特性影响分析

5.1 轴向力影响分析

5.2 支承刚度影响分析

5.3 轨枕间距影响分析

5.4 钢轨类型影响分析

5.5 本章小结

第六章 轴向温度力对轨道结构横向振动特性影响分析

6.1 荷载作用点处位移响应

6.2 轴向力变化影响分析

6.3 轨下等效支承刚度影响分析

6.4 轨枕间距影响分析

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要工作回顾

7.2 本课题今后需进一步研究的地方

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢