钢轨在不同频率垂向振动作用下的应力传递特性研究

摘要

测试表明钢轨的一些病害与某些特定频率的振动以及冲击有关，研究钢轨在不同频率下的应力特点及传递特性很有必要。本文在总结钢轨的受力状况、钢轨应力计算方法以及国内外钢轨振动传递特性研究的基础上，建立了120m的钢轨实体有限元振动分析模型，利用各类应力的传递函数、应力云图、应力矢量图以及典型频率下钢轨的振型，来研究在0～2000Hz频率范围内钢轨在垂向激励下各种应力的传递特性。对比分析了钢轨Euler梁、Timoshenko梁模型和实体模型在垂向激励下的应力传递特性。此外，分析了激振点作用位置、轨下刚度和阻尼等因素对钢轨应力传递特性的影响。　　研究表明，钢轨的应力状态与频率有关，与静力计算的差异较大；钢轨弯曲应力与剪应力在不同频率下呈现的应力状态规律不同，且不同方向上剪应力状态也受频率的影响。从应力角度考虑，钢轨Euler梁模型和Timoshenko梁模型只适用未达到共振频率下的应力状态分析，在达到共振频率后两种钢轨梁模型的应力幅值上下波动较为剧烈，与实体模型计算不符。对于实体模型，激振点作用在轨枕上部与作用在两轨枕中间，应力水平在不同频段上呈现的规律不同。不同频率下，轨下垂向刚度对钢轨的弯曲应力状态的影响呈现不同的规律，与距激励点的距离和钢轨断面上不同位置有关，与静力作用下的弯曲应力状态差别较大；轨下垂向刚度对不同方向剪应力状态影响在不同频率下也呈现不同规律。轨下垂向阻尼对钢轨的弯曲应力和剪应力状态的影响随频率的变化也呈现不同的规律。　　本文首次分析了钢轨各类应力状态随频率的变化规律，可为今后研究与频率有关的钢轨病害提供理论依据。

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