Page 275 - 《振动工程学报》2025年第8期

第 8 期 陈兆玮，等： 桥墩沉降下山地齿轨车辆基本振动特性 1915

表 1 模型参数 通过分析在 250‰ 坡度下齿轮车辆在时、频域下的
Tab. 1 Model parameters 变化规律，探究齿轨系统对桥墩沉降的敏感性。
参数 数值 单位 图 3 为不同沉降量下齿轮‑齿轨啮合力及齿轮
齿数 22 — 偏移量，图 4 为齿轮‑齿轨啮合力振动频谱。由图可
齿轮模数 31.384 —
知，齿轮‑齿轨啮合力的振动主频位于 8~9 Hz，啮合
车体质量 22000 kg
力约为 15~20 kN。当桥墩沉降量为 2、6 mm 时，齿
构架质量 2000 kg
轮最大偏移量分别为 5.22、9.88 mm。当桥墩沉降
轨枕质量 120 kg
量为 10 mm 时，其对齿轮‑齿轨啮合力影响显著，在
道床刚度 7.84×10 4 kN/m
齿轨弹性模量 2.07×10 8 kN/m 2 车辆行驶至沉降位置时，齿轮‑齿条啮合稳定性变差，
齿轨剪切模量 8.1×10 7 kN/m 2 出现脱啮现象。由图 3 可知，当桥墩沉降量为 10 mm
齿轨截面面积 4.5×10 -3 m 2 时，齿轮偏移量最大值为 11 mm，齿轮‑齿轨出现啮合
钢轨截面面积 7.17×10 -3 m 2 不稳定的问题。
单位齿轨质量 50 kg/m
单位钢轨质量 56 kg/m
齿轨质量密度 7850 kg/m 3
梁体质量密度 2500 kg/m 3
齿轨主泊松比 0.3 —
梁体主泊松比 0.2 —

分为两种类型，单墩沉降与双墩沉降，双墩沉降又
考虑连续桥墩沉降和间隔桥墩沉降两种类型。桥
梁示意图如图 2 所示，图中 V 表示车速，具体研究
工况如表 2 所示。
图 3 齿轮‑齿轨啮合力及齿轮偏移量
Fig. 3 Gear‑rack meshing force and gear offset

图 2 桥梁示意图
Fig. 2 Schematic diagram of bridge

表 2 研究工况
Tab. 2 Study conditions

桥墩沉降类型 桥墩沉降位置 桥墩沉降量
单墩沉降 ④ 2 mm，6 mm，10 mm
图 4 齿轮‑齿轨啮合力振动频谱
间隔双墩均匀沉降 ③，⑤ 2 mm，6 mm，10 mm
Fig. 4 Vibration spectrum of gear‑rack meshing force
相邻双墩均匀沉降 ④，⑤ 2 mm，6 mm，10 mm
桥墩③：6 mm； 图 5 为不同沉降量下齿轮‑齿轨动态传递误差
间隔双墩不均匀沉降 ③，⑤
桥墩⑤：10 mm
及啮合频率。由图 5 可知，桥墩沉降量由 2 mm 增至
桥墩④：6 mm；
相邻双墩不均匀沉降 ④，⑤ 10 mm 时，动态传递误差由 0.18 mm 增至 1.48 mm，
桥墩⑤：10 mm
增幅可达 370%，进而导致齿轮和齿轨啮合关系恶
化，系统啮合不稳定，因此，在桥墩沉降的影响下，啮
3 单墩沉降下齿轨车辆的动态特性 合频率也发生较大波动。此外，动态传递误差相较
于齿轮‑齿轨啮合频率而言具有滞后性。

桥墩沉降会影响齿轮和齿轨的接触区域，导致 图 6 和 7 分别为不同沉降量下齿轨车辆的纵、垂
齿轮‑齿轨啮合条件恶化，因此需要开展桥墩沉降对 向加速度。由图 6 和 7 可知，在车辆未行驶至沉降路
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齿轨车辆动态特性影响的研究，而单墩沉降较为简 段时，纵向加速度位于−0.051~0.028 m/s 之间，垂
单，可用于探究桥墩沉降对系统的影响规律。本节 向加速度位于−0.00054 ~0.00074 m/s 之间，行驶
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