《軌道結(jié)構(gòu)力學分析》ppt課件

1、第四章軌道構(gòu)造力學分析第一節(jié) 概述軌道構(gòu)造力學分析： 運用力學的根本原理，在輪軌相互作用實際的指點下，用各種計算模型來分析軌道及其各個部件在機車車輛荷載作用下產(chǎn)生應力、變形及其他動力呼應。軌道構(gòu)造力學分析目的：1確定機車車輛作用于軌道上的力；2在一定運轉(zhuǎn)條件下，確定軌道構(gòu)造的承載才干；軌道構(gòu)造承載才干計算包括三個方面：1強度計算；2壽命計算；3剩余變形計算。軌道構(gòu)造設計軌道構(gòu)造設計n軌道構(gòu)造承載才干設計軌道構(gòu)造承載才干設計n變形設計變形設計n行車溫馨性設計行車溫馨性設計n平安設計平安設計n動力仿真計算動力仿真計算x縱向y橫向z垂向第二節(jié) 作用在軌道上的力n垂向力：豎直力n橫向力n縱向力車體圖6

2、-1 輪軌之間作用力一、垂向力組成n靜載：自重靜載：自重+ +載重載重n動載：附加動壓力動力附加值動載：附加動壓力動力附加值n 1 1機車車輛構(gòu)造與形狀緣由引起：機車車輛構(gòu)造與形狀緣由引起：na a車輪扁瘢、擦傷車輪扁瘢、擦傷沖擊沖擊荷載；荷載；n b b車輪不圓順車輪不圓順沖擊沖擊n 2 2軌道構(gòu)造與形狀引起：軌道構(gòu)造與形狀引起：n a a接頭接頭沖擊沖擊n b b焊縫焊縫沖擊沖擊n c c軌道不平順軌道不平順n 3 3機車車輛在軌道上的運動方式引起機車車輛在軌道上的運動方式引起na a蛇行蛇行偏載偏載nb b曲線曲線偏載偏載2、確定垂向力的方法1概率組合：前蘇聯(lián)代表 2計算模型：動力仿真計

3、算 3速度系數(shù)法：1概率組合確定垂向力n彈簧振動n軌道不平順n車輪單獨不平順扁瘢n車輪延續(xù)不平順不圓順車輪n 概率組合數(shù)學平均值與其均方差的 2.5倍之和。5 . 2 FF垂(2) 動力仿真計算根據(jù)車體構(gòu)造，建根據(jù)車體構(gòu)造，建立動力方程，然后立動力方程，然后用數(shù)值求解方程組，用數(shù)值求解方程組，得到隨時間變化的得到隨時間變化的輪軌之間作用力。輪軌之間作用力。3速度系數(shù)法確定垂向力為靜輪載計算垂向動輪載偏載系數(shù)速度系數(shù)PPPPpddp1二、橫向程度力1、定義：輪緣作用在軌頭側(cè)面的橫向程度力2、產(chǎn)生緣由導向力最主要的緣由蛇行力曲線上未被平衡的離心力軌道方向不平順圖6-1 輪軌之間作用力三、縱向程度力

4、n爬行力鋼軌在動載作用下波浪形撓曲n坡道上列車重力的縱向分力n制動力9.8Mpan溫度力n摩擦力縱向分力第三節(jié) 軌道構(gòu)造豎向受力分析及計算方法準靜態(tài)計算方法：1軌道強度靜力計算；2軌道強度動力計算準靜態(tài)計算；3軌道各個部件強度檢算。計算在垂直動荷載作用下，各部件的應力一、軌道靜力計算n計算模型：有兩種n1延續(xù)彈性根底梁模型；n 2延續(xù)彈性點支承梁模型。彈性點支承模型n圖示n假設n計算方法：有限元彈性根底梁法n鋼軌：支承在彈性根底上的無限長梁n墊板軌枕+道床+路基=彈性根底n符合Winkler假設kyq Winkler 假定n作用于彈性根底單位面積上的壓力，和壓力所引起的沉陷之間成直線比例關(guān)系。

5、kyq 1根本假設1鋼軌與車輛符合規(guī)范要求；2鋼軌是支承在彈性根底上的無限長梁；3輪載作用在鋼軌對稱面上，兩股荷載相等；4兩股鋼軌分開計算；5不思索軌道自重。2根本參數(shù)1鋼軌豎向抗彎剛度；xEJ16101 . 25矩，查表鋼軌截面對水平軸慣性鋼軌鋼彈性模量，xJMpaEE反映軌道根底彈性的參數(shù)n了解根底彈性的特點n道床系數(shù)n鋼軌支點剛度系數(shù)n鋼軌根底彈性系數(shù)kDC1、道床系數(shù)Cn定義：作用在道床單位面積上使道床頂面產(chǎn)生單位下沉的壓力。3/mmN單位：）。軌枕支承長度（）；軌枕寬度（軌枕撓度系數(shù)）。道床有效支承面積（）；道床平均下沉量（）；軌座上的壓力（mmlmmbyymmblmmyNRyblR

6、Cp020022、鋼軌支點彈性系數(shù)Dn定義：使鋼軌支點頂面產(chǎn)生單位下沉而作 用在鋼軌支點頂面上的鋼軌壓力。n公式：n單位：）。支點下沉量（）；力（作用在支點上的鋼軌壓mmyNRyRDppmmN /支點剛度支點剛度3、鋼軌根底彈性系數(shù)kn定義：使鋼軌產(chǎn)生單位下沉而必需作用 在單位長度鋼軌上的壓力。n公式：n單位：MpammN或2/）。軌枕間距（mmaayRkpC、D、k之間的關(guān)系n關(guān)系1：n關(guān)系2：aDk 2CblD pppyyyblRCyRDayRk00,2,kyq 3計算公式推導鋼軌在集中荷載作用下發(fā)生撓曲變形鋼軌在集中荷載作用下發(fā)生撓曲變形 xyy 彈性曲線方程為由資料力學可知：分別為基礎

7、反力強度和，剪力、彎矩鋼軌各截面的轉(zhuǎn)角qQM443322dxydEJqdxydEJQdxydEJMdxdy根據(jù)Winkler假定kyq 044kydxydEJ得：鋼軌撓度。鋼軌基礎彈性系數(shù)；鋼軌的豎向抗彎剛度；式中ykEJ04 1444414ydxydmmEJk）變?yōu)椋菏剑〝?shù)鋼軌基礎與鋼軌剛比系令1443322dxydEJqdxydEJQdxydEJMdxdy解四階微分方程，利用特征根xeCxeCxeCxeCyxixeDeCeBeAeyxxxxxixixixixisincossincossincos43211111通解為：運用歐拉公式最后得：3334321820000, 0, EJPCPdxy

8、dEJxCCCdxdyxCCyx ，得得時時，；當當，得得時時，當當，得得根根據(jù)據(jù)邊邊界界條條件件：鋼軌撓度y等xxePqxePQxxePMxeEJPxxeEJPyxxxxxsincos2cos2sincos4sin4sincos823單輪載作用下計算y、M、R公式xxexxexxePaqRxxxsincos,sincossincos2令kNaPRmkNPMmmkPEJPy24)(283鋼軌撓度鋼軌彎矩軌枕反力多個集中輪載作用下計算公式載的影響時只計算一個轉(zhuǎn)向架輪當根據(jù)力的疊加原理：52412xkNPaRmkNPMmmPky)()()()()(5544332211xPxPxPxPxPP1, 0

9、, 0333xxx二、軌道強度動力計算 準靜態(tài)計算n三個系數(shù)：n1速度系數(shù)n2偏載系數(shù)n3橫向程度力系數(shù)fp1、速度系數(shù)PPPPPdd1定義542/120時，查表當hkmV牽引種類速度系數(shù)計算軌底彎曲應力用計算軌道下沉及軌下根底部件的荷載及應力用內(nèi)燃電力蒸汽1004 . 0 v1008 . 0 v1006 . 0 v1003 . 0 v10045. 0v1006 . 0 vR,yM2、偏載系數(shù)p載。車輪作用于外軌上的輪車輪靜載；外軌偏載值；式中：定義：00PPPPPPPPphp002. 0允許欠超高。h3、橫向程度力系數(shù)n定義：軌底外緣彎曲應力與軌底中心彎 曲應力的比值。n公式：f200if

10、線路平面線路平面直線直線曲線半徑曲線半徑m m600600500500400400300300橫向程度橫向程度力系數(shù)力系數(shù)f f1.251.251.451.451.601.601.701.701.801.802.02.0800軌底內(nèi)緣彎曲應力。軌底內(nèi)緣彎曲應力。軌底外緣彎曲應力；軌底外緣彎曲應力；式中式中i 04、準靜態(tài)計算公式pdpdpdRRfMMyy111的計算公式為：（或軌枕動反力），鋼軌動壓力，鋼軌動彎矩鋼軌動撓度dddRMy靜彎矩、靜壓力。分別為鋼軌的靜撓度、式中RMy動力計算方法：準靜態(tài)n計算步驟：n1計算靜態(tài)情況下的y、M、Rn2計算系數(shù)n3計算準靜態(tài)的yd、Md、Rdn4各部件

11、強度檢算fp、 本節(jié)總結(jié)n作用在軌道上的力有哪些？n軌道強度靜力計算的方法n根本計算模型n根本參數(shù)n準靜態(tài)計算步驟n各種系數(shù)軌道各部件的強度檢算 準靜態(tài)計算方法1) 1) 靜力計算靜力計算 y,M,Ry,M,R2) 2) 各種系數(shù)各種系數(shù)3) 3) 準靜態(tài)計算準靜態(tài)計算4) 4) 各部件強度檢算各部件強度檢算fP,dddRMy,(一)鋼軌強度檢算n作用在鋼軌上的應力：n1根本應力：彎曲應力、溫度應力n 2部分應力：接觸應力、應力集中n3固有應力：剩余應力n4附加應力：制動應力、爬行力n 橋上附加應力1鋼軌根本應力計算n彎曲應力：n軌底：n 軌頭：n溫度應力：n普通線路：查表6-5,P208n

12、無縫線路：n根本應力：彎曲應力+溫度應力=n 軌底：n n 軌頭：MpaWMMpaWMdddd2211tt5 . 2td KKstdstd21 35. 13 . 1KKKs，舊軌新軌為安全系數(shù)，為屈服極限，為允許應力，圖6-6 彈性根底上梁的撓曲2鋼軌部分接觸應力計算n計算模型：赫茲接觸實際：兩個垂直圓柱體，接觸面為橢圓。輪軌之間接觸面積約100mm2接觸應力可達1000MPa赫茲實際計算公式 橢圓形短半軸。橢圓形長半軸；橢圓形面積；輪載式中baabNPMpaabP23max橢圓長、短半軸計算amnbBAEPma312213有關(guān)的系數(shù)。與，；彈性模量，泊松比，式中nmMpaEE5101 . 2

13、30. 025. 0接觸橢圓幾何尺寸計算BAAB arccos式中：rtwrtwRRRABRRRBA1112111121。徑車輪踏面橫截面外形半；鋼軌頂面的圓弧半徑；徑接觸點處車輪的滾動半其中mmRmmRmmRtrw剪應力xy21by786. 03 . 0maxmax其最大值和位置為：本節(jié)總結(jié)n接觸應力模型n接觸應力計算方法(二)軌枕承壓強度與彎矩檢算1軌枕頂面承壓應力計算：）。（軌枕與軌底的接觸面積式中2mmAARdz2)軌枕彎矩計算n四種計算方法：n1把軌枕視為一根支承在彈性地基上的等截面定長梁；n2支承在非均勻支承的變截面有限長延續(xù)梁n3平安度設計實際n4把軌枕視為支承在一定支承條件的倒

14、置簡支梁。倒置簡支梁法：最不利道床支承方案三種道床支承方式： 1、中間60cm不支承； 2、中間部分支承； 3、中間完全支承。計算軌下截面正彎矩n最不利支承條件：中間60cm不支承n圖示n公式mmNReaMmmNRbeaMdcdg2282121計算中間截面負彎矩n最不利支承方案為中間部分支承與全部支承n圖示計算中間截面負彎矩公式：mmNReLeaLaLeMdC234812341122根據(jù)中間部分支承：2441111SLammammLmmNRaLMdc）；（鋼軌中心線至軌端距離；軌枕長度式中根據(jù)中間完全支承：其他參數(shù)：）。鋼軌動壓力（）；軌枕底寬（道床支承長度；NRmmbedccggMMMM足強

15、度條件：要求：計算出的彎矩滿3)道床與路基面應力計算1道床頂面應力計算圖示計算公式：）。軌枕有效支承長度（）；軌枕底面寬度（）；鋼軌動壓力（式中mmemmbNRMpaebRddb道床頂面最大壓應力：。數(shù)，道床應力分布不均勻系式中6 . 1maxmmMpambb4832295011eLePCSJmmePCSJ枕，中間部分支承：、；枕：中間不支承：、計算：其中軌枕有效支承長度bb要求：2路基頂面應力計算n有三種方法：n1有限單元法。n2彈性半空間實際n3近似計算方法路基頂面應力的近似計算方法：三條假定軌枕壓力以分散角按直線規(guī)律向下傳送到路基面。不思索鄰枕的影響傳送到路基面的壓應力根本到達均勻分布要

16、求道床內(nèi)的三個區(qū)域：ctgehctgbh2221兩個高度確定：22110hhhhhhh三個區(qū)域為：四、軌道強度計算舉例1 1、計算資料、計算資料(1)(1)重型軌道構(gòu)造組成重型軌道構(gòu)造組成 鋼軌：鋼軌：60kg60kgm m，U71U71新軌，新軌，25m25m長的規(guī)范軌；長的規(guī)范軌； 軌枕：軌枕：J2J2型混凝土軌枕型混凝土軌枕17601760根根/km/km； 道床：碎石道碴，面碴道床：碎石道碴，面碴25cm25cm，墊碴，墊碴20cm20cm； 路基：砂粘土；路基：砂粘土； 鋼軌支點彈性系數(shù)鋼軌支點彈性系數(shù)D D：檢算鋼軌強度時，取：檢算鋼軌強度時，取30000N30000Nmmmm，檢

17、算軌下根底時，取，檢算軌下根底時，取70000N70000Nmmmm。(2)DF4(2)DF4內(nèi)燃機車，軸重、軸距及構(gòu)造速度內(nèi)燃機車，軸重、軸距及構(gòu)造速度n準靜態(tài)計算方法計算圖示圖6-20 DF4內(nèi)燃機車軸距和輪載步驟1、靜力計算1計算剛比系數(shù)載的影響時只計算一個轉(zhuǎn)向架輪當根據(jù)力的疊加原理：52412xkNPaRmkNPMmmPky44EJkMpaaDk8 .521760100000030000其中1445400118. 0103217101 . 248 .524mmEJkx12P21表查表：xJ1000000/1760570mm a機車車輛圖288.423700118. 05248. 436

18、0000118. 0 xx載的影響時只計算一個轉(zhuǎn)向架輪當根據(jù)力的疊加原理：5241,2xkNPaRmkNPMmmPky1800mm1800mm1800mm1800mm12000mm步驟2：列表計算計算輪位計算值輪位12311150001150001150009681201800360002.1244.2481-0.16450.0064115000-189227332115000115000115000771571800018002.12402.124-0.16451-0.164518922)(NP)(mmxxP)(NP)(mmxxPPkNPaRmkNPMmmPky24

19、12xxexsincos100118. 0mmP鋼軌彎矩)(205112299681200118. 04141mmNPM3準靜態(tài)計算6 . 115. 075002. 0002. 042. 01003 . 44 . 01004 . 0fhRvp橫向水平力系數(shù)：偏載系數(shù)：速度系數(shù)：mmNfMMpd5152420760. 115. 042. 01205112291檢算鋼軌動彎應力MpaWMMpaWMdddd4 .15233940051524207130396000515242072211MpaMpatdtd18120312軌底：軌頭：鋼軌基本應力為： MpaKs3123 . 140516200,21

20、表查表PWW208, 56Pt查表各種類型鋼軌截面慣性矩與截面系數(shù)各種類型鋼軌截面慣性矩與截面系數(shù)鋼鋼 軌軌 類類 型型 鋼鋼 軌軌 垂垂 直直 磨磨耗耗（ m m ） 名名 稱稱 單單 位位 7 5 6 0 5 0 4 3 3 8 J m m4 4 4 8 9 0 0 0 0 3 2 1 7 0 0 0 0 2 0 3 7 0 0 0 0 1 4 8 9 0 0 0 0 1 2 0 4 0 0 0 0 1W m m3 5 0 9 0 0 0 3 9 6 0 0 0 2 8 7 0 0 0 2 1 8 0 0 0 1 7 9 0 0 0 0 2W m m3 4 3 2 0 0 0 3 3 9

21、4 0 0 2 5 1 0 0 0 2 0 8 0 0 0 1 7 8 0 0 0 J m m4 4 3 2 8 0 0 0 0 3 0 6 9 0 0 0 0 1 9 4 6 0 0 0 0 1 4 0 9 0 0 0 0 11 3 6 0 0 0 0 1W m m3 4 9 6 0 0 0 3 8 5 0 0 0 2 8 3 0 0 0 2 11 0 0 0 1 7 6 0 0 0 3 2W m m3 4 2 0 0 0 0 3 1 8 0 0 0 2 4 2 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 7 1 0 0 0 J m m4 4 0 8 9 0 0 0 0 2 8 7 9 0 0

22、0 0 1 8 2 7 0 0 0 0 1 3 1 7 0 0 0 0 1 0 5 0 0 0 0 0 1W m m3 4 8 2 0 0 0 3 7 5 0 0 0 2 7 5 0 0 0 2 0 5 0 0 0 1 6 8 0 0 0 6 2W m m3 4 0 5 0 0 0 2 9 1 0 0 0 2 3 0 0 0 0 1 8 9 0 0 0 1 6 1 0 0 0 J m m4 3 8 9 8 0 0 0 0 2 6 9 0 0 0 0 0 1 7 0 2 0 0 0 0 1 2 2 0 0 0 0 0 9 7 3 0 0 0 0 1W m m3 4 8 0 0 0 0 3 6 3

23、 0 0 0 2 6 4 0 0 0 1 9 7 0 0 0 1 6 3 0 0 0 9 2W m m3 3 9 0 0 0 0 2 6 4 0 0 0 2 1 6 0 0 0 1 7 6 0 0 0 1 4 8 0 0 0 22軌底軌底11軌頭軌頭溫度應力溫度應力t 鋼軌分量鋼軌分量鋼軌長度鋼軌長度7560504312.534.542.550432541.5516070無縫線路的溫度應力無縫線路的溫度應力tt 5 . 2 Mpa步驟3:軌枕壓力計算n計算剛比系數(shù)44EJkMpaaDk2 .1231760100000070000其中1445400146. 0103217101 . 242 .1

24、234mmEJkxkNPaRmkNPMmmPky2412軌枕彎矩計算所采用的D值n采用不同的采用不同的D D值值n緣由：對鋼軌有墊板，緣由：對鋼軌有墊板，n對軌枕道床無墊板對軌枕道床無墊板n詳細數(shù)值：詳細數(shù)值：P201P201表表6-26-2軌枕和墊板類型軌枕和墊板類型特重型、重型特重型、重型次重型、普通型次重型、普通型鋼軌鋼軌軌枕、道床及基床軌枕、道床及基床鋼軌鋼軌軌枕、道床及基床軌枕、道床及基床混凝土枕，橡膠墊板混凝土枕，橡膠墊板30000700002200042000寬軌枕，橡膠墊板寬軌枕，橡膠墊板50000120000混凝土軌枕軌道的混凝土軌枕軌道的D D值值2 列表計算計算輪位計算輪

25、位計算值計算值輪位輪位1 12 23 31 11150001150001150001150001150001150001118101118100 018001800360036000 02.6282.6285.2565.2561 1-0.0255-0.0255-0.00224-0.00224115000115000-2932-2932-258-2582 2115000115000115000115000115000115000109109180018000 0180018002.2682.2680 02.2682.268-0.0255-0.02551 1-0.0255-0.0255-2932-

26、2932115000115000-2932-2932 NPmmxx NPmmxxPPPPxxexsincoskNPaRmkNPMmmPky2412計算軌枕上動壓力dR NRRvpdp6839016.4652515. 032. 01115. 075002. 032. 01001053 . 01003 . 016.46524111810257000146. 02PaRN計算軌枕彎矩mmNRbeaMdg7716307683908150950250082221軌下截面正彎矩：mmNReLeaLaLeMdc6475223234812341122中間截面負彎矩：mmNRaLMdc8548750683904

27、50042500441按全部支承計算：211SLa4道床頂面應力檢算：MpaebRmdb419. 06 . 195027568390Mpabb5 . 05路基頂面應力計算mmctgctgehmmctgctgbh0 .839352117524 .196352275221mmh3502/2002502/底碴面碴道碴厚度：MpaMpatgehRrdh15. 012. 02本節(jié)總結(jié)n軌道各部件強度檢算的方法n準靜態(tài)計算的步驟n速度系數(shù)、偏載系數(shù)、橫向程度力系數(shù)的求法第五節(jié) 軌道橫向受力分析n三種計算方法n1摩擦中心思論近似計算n2蠕滑中心思論n3機車車輛非線型動態(tài)曲線經(jīng)過實際摩擦中心思論根本假設 (1

28、)轉(zhuǎn)向架和軌道都作為剛體； (2)不思索牽引力的作用； (3)不思索車輪踏面為錐體的影響； (4)各車輪輪載P與輪軌間的摩擦系數(shù) 均一樣； (5)各輪軸中點與軌道中點重合； (6)轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向架繞位于其縱軸或其延伸線上的旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動。摩擦中心思論計算圖摩擦中心思論計算圖將各個力向X、Y方向分解：434321213212321212121121214321,22,2,22,2XXYYSxsPXSxPxYXXYYsxsPXsxPxYPPPPPaaabbb根據(jù)力的平衡有：車輛重力分力。分配到一個轉(zhuǎn)向架上的離心慣性力；分配到一個轉(zhuǎn)向架上的輪上輪緣力；導向力；式中nnFJFFFJYYFFY30220313131離心慣性力與重力分力）曲線半徑（）；車輛實際行駛速度（）；上的質(zhì)量（車輛分配到一個轉(zhuǎn)向架mRsmvkgmRmvJ/2。）鋼軌中心間距離（）；外軌超高（；重力加速度，mmSmmSmmhsmgSmghFn1500/8 . 91121轉(zhuǎn)向架固定軸距。轉(zhuǎn)向架固定軸距。式中式中有：有：LLSXLSXYYFFSXSXLYLYLFLFM0222202222222222013113131131131310結(jié)合解聯(lián)立方程：02222022131131313131LSXLSXYYFFF