CN103853876A - 重载铁路道岔静动力设计模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重载铁路道岔静动力设计模型构建方法，其特征在于，该方法包括：基于有限元理论对重载铁路道岔进行准静态分析，对钢轨、扣件、轨枕、道床、限位器结构以及间隔铁结构进行模拟，以建立重载铁路无缝道岔空间耦合实体分析模型；以及建立动力学分析模型以对车辆-重载道岔耦合进行动力学仿真计算，其中所述动力学分析模型包括：货车模型、重载铁路道岔模型以及轮轨接触模型。通过上述技术方案，建立重载铁路无缝道岔空间耦合实体分析模型以及动力学分析模型，能够为重载铁路道岔设计和分析提供具有较高仿真度的模型，利用本发明提供的方案建立的模型可以设计出完全满足使用要求的重载铁路道岔。

Description

重载铁路道岔静动力设计模型构建方法

技术领域

本发明涉及铁道工程设计领域，具体地，涉及一种重载铁路道岔静动力设计模型构建方法。

背景技术

轴重大、密度高、运量大是我国重载铁路运输的“三大特征”。道岔结构本身就属于轨道系统中的薄弱环节之一，在这种极其严峻的运输条件下，重载道岔不同部位（包括岔前基本轨、尖轨，固定辙叉翼轨及心轨，可动心轨辙叉翼轨、心轨，钢轨接头等）的磨损和伤损（垂磨、侧磨、压溃、掉块等）远远大于普通线路道岔。如大秦铁路所采用的可动心轨道岔，设计使用寿命预计为通过总重500～800Mt，而在实际使用中，可动心轨辙叉的使用寿命仅达到150～250Mt后就出现了较为明显的磨耗及伤损，需对进行部件更换甚至换铺。朔黄铁路75kg/m钢轨可动心轨道岔在使用初期也出现过尖轨处轨枕空吊、尖轨及心轨处轨距难以保持、尖轨及可动心轨不密贴等问题。因此，需要更加完善的重载铁路道岔设计和分析方法。

近年来，国内有学者对重载铁路道岔的受力和变形的计算理论开展了一些研究工作。他们中或者是根据工程经验提出了一些工程改良措施，或是通过各种有限元软件根据自己假设的特定条件建立有限元模型模拟仿真列车-重载道岔间相互动力作用从而提出了重载铁路道岔病害发生机理。从铁道工程方面针对重载铁路道岔相关病害的发生机理及解决方案尚未提出客观、明确地见解，缺乏系统的研究。国外的研究中，多数是对城市列车-道岔、普通列车-道岔和高速铁路道岔系统进行的系统研究。对重载铁路道岔设计分析及优化方法的研究较少，缺乏系统的设计理论和方法。

现有技术中尚无一种方法能够对重载铁路道岔进行有效的设计与检算，难以实现对重载铁路道岔的设计与养护维修，此问题亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，该方法能够建立能够准确反映重载铁路道岔静、动力学特性的模型。

为了实现上述目的，本发明提供一种重载铁路道岔静动力设计模型构建方法，其特征在于，该方法包括：基于有限元理论对重载铁路道岔进行准静态分析，对钢轨、扣件、轨枕、道床、限位器结构以及间隔铁结构进行模拟，以建立重载铁路无缝道岔空间耦合实体分析模型；以及建立动力学分析模型以对车辆-重载道岔耦合进行动力学仿真计算，其中所述动力学分析模型包括：货车模型、重载铁路道岔模型以及轮轨接触模型。

可选地，所述对钢轨、扣件、轨枕、道床、限位器结构以及间隔铁结构进行模拟包括：采用实体单元模拟所述钢轨，以及对于所述钢轨中结构受力变形敏感部位进行细化网格划分；采用非线性弹簧单元模拟所述扣件，其中所述扣件的垂向刚度为所述扣件的支点刚度；采用实体单元模拟轨枕，使用所述轨枕的实际参数包括：截面积、高度以及惯性转矩；采用非线性弹簧单元模拟所述道床的纵横向阻力，以及采用垂向弹簧模拟所述道床的垂向刚度；采用非线性弹簧单元模拟所述限位器结构；以及采用非线性弹簧单元模拟所述间隔铁结构。

可选地，所述建立所述货车模型，包括：对货车进行模型化，将货车的车体、转向架以及轮对设为刚体。

可选地，所述建立所述货车模型，还包括：根据各个刚体的自由度和基本几何参数及力学参数，推导出车体、转向架及轮对的运动方程，以及联立所推导的运动方程得到整车运动方程组。

可选地，所述建立所述重载铁路道岔模型，包括：将所述钢轨设为横向和垂向的弹性垫支撑梁，然后按照所述扣件的间距将所述钢轨划分为梁单元；采用非线性弹簧单元模拟所述扣件，其中所述扣件的垂向刚度为所述扣件的支点刚度；采用梁单元模拟轨枕，使用所述轨枕的实际参数包括：截面积、高度以及惯性转矩；采用非线性弹簧单元模拟所述道床的纵横向阻力，以及采用垂向弹簧模拟所述道床的垂向刚度；采用非线性弹簧单元模拟所述限位器结构；以及采用非线性弹簧单元模拟所述间隔铁结构。

可选地，所述采用梁单元模拟轨枕的步骤还包括：按照最小间距的支承节点划分所述梁单元。

可选地，所述建立所述轮轨接触模型，包括：基于赫兹弹性接触理论确定所述轮轨的垂向接触力；以及基于Kalker线性理论决定由蠕滑产生的轮轨接触力，以及利用沈氏理论进行非线性修正。

通过上述技术方案，建立重载铁路无缝道岔空间耦合实体分析模型以及动力学分析模型，能够为重载铁路道岔设计和分析提供具有较高仿真度的模型，利用本发明提供的方案建立的模型可以设计出完全满足使用要求的重载铁路道岔。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施方式的重载铁路道岔静动力设计模型构建方法流程图；

图2为根据本发明实施方式的护轨模型图示；

图3为根据本发明实施方式的尖轨模型图示；

图4为根据本发明实施方式的合金钢拼装辙叉模型图示；

图5为根据本发明实施方式的车辆计算模型图示；

图6为根据本发明实施方式的重载道岔计算模型图示；

图7为根据本发明实施方式的程序流程图图示；

图8为根据本发明实施方式的辙叉区心轨及翼轨计算工况图示；

图9为根据本发明实施方式的辙叉区护轨计算工况图示；

图10为根据本发明实施方式的心轨加载处Von Mises应力图示；

图11为根据本发明实施方式的心轨横向位移图示；

图12为根据本发明实施方式的心轨垂向位移图示；

图13为根据本发明实施方式的心轨加载处Von Mises应力图示；

图14为根据本发明实施方式的心轨横向位移图示；

图15为根据本发明实施方式的心轨垂向位移图示；

图16为根据本发明实施方式的翼轨加载处Von Mises应力图示；

图17为根据本发明实施方式的翼轨横向位移图示；

图18为根据本发明实施方式的翼轨垂向位移图示；

图19为根据本发明实施方式的翼轨加载处Von Mises应力图示；

图20为根据本发明实施方式的翼轨垂向位移图示；

图21为根据本发明实施方式的护轨加载处Von Mises应力图示；

图22为根据本发明实施方式的护轨横向位移图示；

图23为根据本发明实施方式的不同速度下最大轮轨垂向力图示；

图24为根据本发明实施方式的不同速度下最大轮轨横向力图示；

图25为根据本发明实施方式的岔区外钢轨不同速度下最大垂向位移图示；

图26为根据本发明实施方式的尖轨不同速度下最大垂向位移图示；

图27为根据本发明实施方式的心轨不同速度下最大垂向位移图示；

图28为根据本发明实施方式的岔区外钢轨不同速度下最大加速度图示；

图29为根据本发明实施方式的尖轨钢轨不同速度下最大加速度图示；

图30为根据本发明实施方式的心轨钢轨不同速度下最大加速度图示；

图31为根据本发明实施方式的不同速度下最大轮轨垂向力图示；

图32为根据本发明实施方式的不同速度下最大轮轨横向力图示；

图33为根据本发明实施方式的岔区外钢轨不同速度下最大垂向位移图示；

图34为根据本发明实施方式的尖轨不同速度下最大垂向位移图示；

图35为根据本发明实施方式的心轨不同速度下最大垂向位移图示；

图36为根据本发明实施方式的岔区外钢轨不同速度下最大加速度图示；

图37为根据本发明实施方式的尖轨钢轨不同速度下最大加速度图示；

图38为根据本发明实施方式的心轨钢轨不同速度下最大加速度图示。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明实施方式的重载铁路道岔静动力设计模型构建方法流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的重载铁路道岔静动力设计模型构建方法包括：S102，基于有限元理论对重载铁路道岔进行准静态分析，对钢轨、扣件、轨枕、道床、限位器结构以及间隔铁结构进行模拟，以建立重载铁路无缝道岔空间耦合实体分析模型；以及S104，建立动力学分析模型以对车辆-重载道岔耦合进行动力学仿真计算，其中所述动力学分析模型包括：货车模型、重载铁路道岔模型以及轮轨接触模型。

通过上述技术方案，建立重载铁路无缝道岔空间耦合实体分析模型以及动力学分析模型，能够为重载铁路道岔设计和分析提供具有较高仿真度的模型，利用本发明提供的方案建立的模型可以设计出完全满足使用要求的重载铁路道岔。

在实施方式中，所述对钢轨、扣件、轨枕、道床、限位器结构以及间隔铁结构进行模拟可以包括：采用实体单元模拟所述钢轨，以及对于所述钢轨中结构受力变形敏感部位进行细化网格划分；采用非线性弹簧单元模拟所述扣件，其中所述扣件的垂向刚度为所述扣件的支点刚度；采用实体单元模拟轨枕，使用所述轨枕的实际参数包括：截面积、高度以及惯性转矩；采用非线性弹簧单元模拟所述道床的纵横向阻力，以及采用垂向弹簧模拟所述道床的垂向刚度；采用非线性弹簧单元模拟所述限位器结构；以及采用非线性弹簧单元模拟所述间隔铁结构。具体说明如下。

基于有限元理论的重载铁路道岔准静态分析对钢轨、扣件、轨枕、道床、限位器结构以及间隔铁结构进行模拟可以包括：

对钢轨采用实体单元进行模拟，能够精确反映转辙器区尖轨、基本轨和辙叉区心轨、翼轨及护轨的复杂形状和截面变化；而对于结构受力变形敏感部位通过细化网格划分，则可以精确计算钢轨自身的变形和应力分布。模拟出的护轨、尖轨、辙叉模型可以如图2至图4所示。

对扣件采用非线性弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵、横向阻力和垂向刚度，扣件纵、横向阻力可按常量或变量形式输入，扣件垂向刚度取扣件的支点刚度。在轨底扣件范围内通过均布弹簧单元模拟扣件作用，以尽可能更接近实际情况。

对于轨枕采用实体单元进行模拟，可以充分考虑岔枕长度的变化以及复杂形状，可以精确计算轨枕自身变形及应力分布。

对道床的纵横向阻力采用非线性弹簧单元进行模拟，阻力值可以取单位岔枕长度的阻力，可按常量或变量形式输入；对道床垂向刚度可以用垂向弹簧模拟，其值可以取道床支承刚度。

限位器结构子母块为非绝对刚性构件，随着相对位移的不同，其阻力也是非线性的，故对尖轨跟端限位器结构可以采用非线性弹簧单元进行模拟，限位器阻力值采用相关试验取得的数据；在计算尖轨横向变形时，可以考虑限位器子母块在轨温变化时实际接触位置的最不利影响。翼轨末端以及辙岔跟端通过间隔铁结构固定，间隔铁结构采用非线性弹簧单元进行模拟，间隔铁阻力值采用相关试验取得的数据。

通过对以上各部件的模拟，可以建立重载铁路无缝道岔空间耦合实体分析模型。

在一个实施方式中，所述建立所述货车模型，可以包括：对货车进行模型化，将货车的车体、转向架以及轮对设为刚体。在优选的实施方式中，所述建立所述货车模型，还可以包括：根据各个刚体的自由度和基本几何参数及力学参数，推导出车体、转向架及轮对的运动方程，以及联立所推导的运动方程得到整车运动方程组。

在一个实施方式中，所述建立所述重载铁路道岔模型，可以包括：将所述钢轨设为横向和垂向的弹性垫支撑梁，然后按照所述扣件的间距将所述钢轨划分为梁单元；采用非线性弹簧单元模拟所述扣件，其中所述扣件的垂向刚度为所述扣件的支点刚度；采用梁单元模拟轨枕，使用所述轨枕的实际参数包括：截面积、高度以及惯性转矩；采用非线性弹簧单元模拟所述道床的纵横向阻力，以及采用垂向弹簧模拟所述道床的垂向刚度；采用非线性弹簧单元模拟所述限位器结构；以及采用非线性弹簧单元模拟所述间隔铁结构。

在一个实施方式中，所述采用梁单元模拟轨枕的步骤可以包括：按照最小间距的支承节点划分所述梁单元。

在一个实施方式中，所述建立所述轮轨接触模型，可以包括：基于赫兹弹性接触理论确定所述轮轨的垂向接触力；以及基于Kalker（卡尔克）线性理论决定由蠕滑产生的轮轨接触力，以及利用沈氏理论进行非线性修正。

在优选的实施方式中，可以基于自编程序建立动力学分析模型以对车辆-重载道岔耦合进行动力学仿真计算。在这样的实施方式中，可以利用Fortran90自行编制仿真计算程序，建立车辆-重载道岔耦合系统的动力学分析模型，综合考虑车体、转向架、轮对、钢轨、轨枕等结构的参振及耦合作用，此外还需考虑尖轨、心轨截面的实际变化、限位器的安装误差等多种实际情况。

在本实施方式中，轮轨系统可以以轮轨接触连接车辆、轨道结构，从而形成耦合振动系统。基于重载道岔的受力的特点，综合利用车辆动力学原理、轮轨相互作用原理，可以建立重载车辆——重载道岔耦合动力分析模型，包括车辆模型、轮轨关系模型、钢轨模型、轨下基础等模型，综合考虑了车体、转向架、轮对、钢轨、轨枕等结构的参振问题。基于广义能量变分原理，利用有限元理论，建立了重载铁路道岔系统空间耦合动力系统的振动微分方程组，在此基础上，可以采用Newmark（纽马克）方法，利用Fortran90自行编制仿真计算程序对耦合系统的振动力学特性进行计算。具体如下：

（1）货车模型。根据重载铁路货车结构参数，考虑其结构形式及悬挂特性，对货车进行模型化处理，将车体、转向架（侧架与摇枕）、轮对视为刚体。车体和轮对包括沉浮、点头、横移、侧滚和摇头5个自由度，传统三大件转向架结构侧架包括纵向、横移和摇头运动以及摇枕的摇头运动，其余运动形式均视为与车体的刚性连接。根据各个刚体的自由度和基本几何参数及力学参数，可推导出车体、转向架和轮对的运动方程，联立即为整车的运动方程组。所模拟的车辆模型如图5所示。

（2）重载铁路道岔模型。将钢轨按照扣件间距划分单元。左右两股钢轨均视为横向和垂向的弹性点支撑梁，每个钢轨节点有4个自由度。钢轨垂向可以采用Euler（欧拉）梁模型。取梁单元的垂向位移和相应转角作为未知量。钢轨的横向处理方式与垂向一致，只是抗弯惯性矩等参数略有不同。根据能量原理，可以推导出钢轨梁单元刚度矩阵。

道岔区的扣件可以采用非线性弹簧单元进行模拟，可全面考虑扣件的纵、横向阻力和垂向刚度，纵、横向扣件弹簧作用于钢轨支承节点上，扣件纵、横向阻力可按常量或变量形式输入，扣件垂向刚度取扣件的支点刚度。

轨枕采用梁单元进行模拟，考虑轨枕的截面积、高度以及惯性矩等实际参数，轨枕按照较小间距的支承节点划分单元，全面考虑纵、横、垂向线位移及转角。道床的纵横向阻力采用非线性弹簧单元进行模拟，阻力值取单位岔枕长度的阻力，可按常量或变量形式输入；道床垂向刚度用垂向弹簧模拟，其值取道床支承刚度。

限位器和间隔铁结构在模型中采用非线性弹簧模拟，限位器阻力值根据相关试验按照实测值进行选取。

重载道岔计算模型如图6所示。

（3）轮轨接触模型。轮轨垂向接触力由赫兹线弹性接触理论所确定。轮轨间的弹性压缩量包括车轮静压量在内，可以由轮轨接触点处的轮轨位移直接确定。根据Kalker线性理论，可得到由蠕滑而产生的轮轨接触力，包括左右轮受到的纵向、横向蠕滑力及自旋蠕滑力矩。考虑到Kalker线性蠕滑理论只适用于小蠕滑率和小自旋的情形，对于大蠕滑、大自旋甚至完全滑动的情形，蠕滑力的线性关系被打破。因此，可以用沈氏理论作非线性修正，从而适应轮轨相互作用实际工况仿真计算。

以下结合实施例和附图对本发明的内容作更进一步的说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。实施例中采用本发明实施方式的重载铁路道岔静动力设计模型构建方法构建的模型进行计算。

实施例1：

本实施例以重载铁路合金钢拼装辙叉12号道岔为例，对薄弱部位进行分析计算。线路最大运营轴重取30t，对应的静轮载为150kN。根据《铁路轨道设计规范》车速100km/h时动载系数为1.4，考虑最不利情况，选取2倍静轮载作为准静态荷载，以300kN的垂向力和85kN的横向力作为强度极限荷载。计算工况如表1所示。

表1极限荷载工况

注：垂向力按照30t轴重，考虑2倍动载系数。

心轨顶宽20mm处受力变形分析结果如图10至图12所示。

以荷载作用点为中心，辙叉的应力水平大部分在150Mpa以下，远小于材料的屈服强度；辙叉最大等效应力出现在荷载作用点附近，为1240MPa，小于合金钢材料的抗拉强度1400MPa，未超出材料的强度极限。心轨最大竖向位移为2.468mm，位于荷载作用位置附近，并从该处向两侧逐渐减小，竖向位移变形合理。心轨最大横向位移为2.268mm，位于荷载作用位置。

心轨顶宽50mm处受力变形分析结果如图13至图15所示：

以荷载作用点为中心，辙叉的应力水平大部分在100Mpa以下，远小于材料的屈服强度，辙叉最大等效应力出现在荷载作用点附近，为684MPa，远小于材料屈服强度。辙叉的最大竖向位移为4.547mm，位于荷载作用位置，并从该处向两侧逐渐减小，竖向位移变形合理。最大横向位移为2.678mm，位于荷载作用位置，表明横向位移不会引发过大动态轨距扩大。

翼轨咽喉区受力变形分析结果如图16至图18所示。

以荷载作用点为中心，辙叉的应力水平大部分100Mpa以下，远小于材料的屈服强度，辙叉最大等效应力出现在荷载作用点附近，为571MPa，远小于材料屈服强度。荷载作用于翼轨咽喉区时，翼轨的最大竖向位移为1.773mm，翼轨最大横向位移为2.336mm，均位于荷载作用位置，并从该处向两侧逐渐减小。

翼轨在心轨顶宽20mm处受力变形分析结果如图19、20所示。

以荷载作用点为中心，辙叉的应力水平大部分为100Mpa以下，远小于材料的屈服强度，辙叉最大等效应力出现在荷载作用点附近，为476MPa，小于材料屈服强度，具备一定强度储备。翼轨的最大竖向位移为3.06mm，位于荷载作用区段，并从该处向两侧逐渐减小，竖向位移变形合理。

护轨顶部受力如图21、22所示。

以荷载作用点为中心，护轨的应力水平大部分为120Mpa以下，远小于材料的屈服强度，护轨最大等效应力出现在荷载作用点附近，为1080MPa，远小于材料屈服强度，具备一定强度储备。护轨的最大横向位移为0.629mm，位于荷载作用区段，并从该处向两侧逐渐减小，横向位移变形合理。

实施例2：

以重载铁路12号拼装辙叉式道岔，计算了轴重30t条件下，不同过岔方式及不同速度下的系统动力学特性，提取的计算指标包括：脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、轮轨垂向力、钢轨的垂向位移及振动加速度。

车速为70km/h、90km/h、100km/h、110km/h，直向过岔时计算结果如下：

表2不同速度条件下直向过岔计算结果对比

由计算结果可知，各个指标随着行车速度的增加均有不同程度的增加，具体情况如图23至图30所示。

对于安全指标：随着行车速度的增加，重载货车直向过岔时，脱轨系数、轮重减载率、轮轨垂向力、轮轨横向力的总体趋势都是随着车速的增大而增大；由上述数据也可以看出，有关安全的各个指标均未超过相关规范规定的限值：其中脱轨系数最大位0.76，轮重减载率最大为0.76，轮轨横向力最大为55.34kN，轮轨垂向力最大为298.23kN，尖轨开口量最大为0.021mm。

对于钢轨的位移指标：重载货车直向过岔时，钢轨垂向位移总体趋势随着行车速度的增加而增大。长心轨和短心轨的垂向位移几乎一致，这主要是因为间隔铁的存在增大了轨道框架的结构刚度，并且将长心轨与短心轨连接在一起，二者的位移相互影响造成的。垂向位移由岔前基本轨到心轨一动、二动再到心轨的钢轨位移逐渐减小，这主要是因为这个区域的钢轨刚度随道岔截面的改变而不断增大，但最大的位移没有超限，满足规范要求。

对于钢轨加速度：随着车速的增加，钢轨加速度增加显著。当车速从70km/h增加至110km/h时，岔区外的钢轨加速度由940.23m/s²增大至1638.53m/s²，增大幅度近74.3%；尖轨一动、尖轨二动处的钢轨加速度分别有所增大，增大幅度分别为101.78%和84.7%；心轨钢轨加速度增大近52.7%。其中心轨和尖轨二动处由于刚度较大，故相同速度条件下，该处钢轨加速度较道岔其他区域内加速度更大。

30t轴重货车，车速为30km/h、40km/h、50km/h、60km/h，侧向过岔时计算结果如下：

表3不同速度条件下侧向过岔计算结果对比

由计算结果可知，各个指标随着行车速度的增加均有不同程度的增加，具体情况如图31至图38所示。

对于安全指标：在随着行车速度的增加，重载货车侧向过岔时，脱轨系数随着列车速度的增大而略有增大趋势，脱轨系数最大为0.41；轮重减载率随着列车运行速度的增大而有明显增大，最大为0.62，符合规范中相关规定；轮轨垂向力随车速的增大而有一定增大，车速从30km/h增大至60km/h时，轮轨垂向力由199.13kN增至232.98kN，增大幅度约17.0%，轮轨垂向力均未超过规范限值；轮轨横向力随车速增大而有明显增大，车速从30km/h增大至60km/h时，轮轨横向力由42.91kN增至71.88kN，增大幅度约67.51%；当车速达60km/h时，轮轨横向力超过规范规定的轮轨横向力限值（弹性极限），经时程曲线知，该最大值出现在辙叉区域内，故该轮轨横向力会对叉心及护轨产生较大的横向冲击；尖轨开口量随车速的增大而有略微增大，但由于车速较低，故增大幅度较小，当车速从30km/h增大至60km/h时，尖轨开口量由1.81mm增大至1.89mm，增大幅度约为4.42%，符合规范安全要求。

对于钢轨的位移指标：在随着行车速度的增加，岔区外的钢轨垂向位移增大最明显，车速从30km/h增加至60km/h时，岔区外钢轨垂向位移增加了0.15mm，增大幅度约为10.56%；尖轨一动、二动分别增加了0.07mm和0.03mm，变化幅度约为5.15%和2.52%；心轨处的钢轨垂向位移随车速增大而有所增大，位移增大近0.06mm，增大幅度近9.2%；

对于钢轨加速度：随着车速的增加，钢轨加速度增加显著。当车速从30km/h增加至60km/h时，岔区外的钢轨加速度由670.53m/s2增大至1076.32m/s2，增大幅度近60.52%；尖轨一动、尖轨二动处的钢轨加速度分别有所增大，增大幅度分别为59.4%和55.6%；心轨钢轨加速度增大近39.1%。其中心轨和尖轨二动处由于刚度较大，故相同速度条件下，该处钢轨加速度较道岔其他区域内加速度更大。

可以看出，通过本发明提供的方法，首先基于有限元理论并利用相应有限元软件对重载铁路道岔进行精细化建模，按照实际情况考虑各种结构之间的相互关系与结构的非线性特性，并根据相关试验结果选取合适的力学参数，采用准静态分析方法对重载道岔的力学特性进行仿真计算与分析，初步确定重载铁路道岔的设计原则，并指导动力学的设计与计算；然后通过自编程序对车辆-重载道岔耦合系统进行动力学仿真计算与分析，通过静、动力学的系统分析，对重载铁路道岔的设计提出综合、细致的方案与建议。可对尖轨跟端结构型式、辙叉结构型式、扣件阻力、刚度、间隔铁合理布置方式、轨底坡设计等提供指导意见。本发明适用于重载铁路道岔的设计与检算，可以为重载铁路道岔的设计与养护维修提供服务。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种重载铁路道岔静动力设计模型构建方法，其特征在于，该方法包括：

基于有限元理论对重载铁路道岔进行准静态分析，对钢轨、扣件、轨枕、道床、限位器结构以及间隔铁结构进行模拟，以建立重载铁路无缝道岔空间耦合实体分析模型；以及

建立动力学分析模型以对车辆-重载道岔耦合进行动力学仿真计算，其中所述动力学分析模型包括：货车模型、重载铁路道岔模型以及轮轨接触模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对钢轨、扣件、轨枕、道床、限位器结构以及间隔铁结构进行模拟包括：

采用实体单元模拟所述钢轨，以及对于所述钢轨中结构受力变形敏感部位进行细化网格划分；

采用非线性弹簧单元模拟所述扣件，其中所述扣件的垂向刚度为所述扣件的支点刚度；

采用实体单元模拟轨枕，使用所述轨枕的实际参数包括：截面积、高度以及惯性转矩；

采用非线性弹簧单元模拟所述道床的纵横向阻力，以及采用垂向弹簧模拟所述道床的垂向刚度；

采用非线性弹簧单元模拟所述限位器结构；以及

采用非线性弹簧单元模拟所述间隔铁结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立所述货车模型，包括：

对货车进行模型化，将货车的车体、转向架以及轮对设为刚体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述建立所述货车模型，还包括：

根据各个刚体的自由度和基本几何参数及力学参数，推导出车体、转向架及轮对的运动方程，以及联立所推导的运动方程得到整车运动方程组。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立所述重载铁路道岔模型，包括：

将所述钢轨设为横向和垂向的弹性垫支撑梁，然后按照所述扣件的间距将所述钢轨划分为梁单元；

采用非线性弹簧单元模拟所述扣件，其中所述扣件的垂向刚度为所述扣件的支点刚度；

采用梁单元模拟轨枕，使用所述轨枕的实际参数包括：截面积、高度以及惯性转矩；

采用非线性弹簧单元模拟所述道床的纵横向阻力，以及采用垂向弹簧模拟所述道床的垂向刚度；

采用非线性弹簧单元模拟所述限位器结构；以及

采用非线性弹簧单元模拟所述间隔铁结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用梁单元模拟轨枕的步骤还包括：

按照最小间距的支承节点划分所述梁单元。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立所述轮轨接触模型，包括：

基于赫兹弹性接触理论确定所述轮轨的垂向接触力；以及

基于Kalker线性理论决定由蠕滑产生的轮轨接触力，以及利用沈氏理论进行非线性修正。

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