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考虑轮轨冲击作用的铁道车辆跳轨全过程计算方法研究

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考虑轮轨冲击作用的铁道车辆跳轨全过程计算方法研究

作者：杨海明中南大学

学位级别：硕士

铁道车辆跳轨现象将直接威胁行车安全。车辆跳轨机理研究十分复杂,而铁道车辆跳轨全过程的计算是揭示车辆跳轨机理的关键,目前,国内外关于考虑轮轨冲击作用的铁道车辆跳轨全过程的计算鲜见报道。因此,本论文研究具有重要的理论价值与工... 详细信息

铁道车辆跳轨现象将直接威胁行车安全。车辆跳轨机理研究十分复杂,而铁道车辆跳轨全过程的计算是揭示车辆跳轨机理的关键,目前,国内外关于考虑轮轨冲击作用的铁道车辆跳轨全过程的计算鲜见报道。因此,本论文研究具有重要的理论价值与工程意义。本文针对垂向诱因引发的铁道车辆跳轨全过程进行研究,依据轮轨垂向相互作用力和轮轨垂向相对位移历程的特征将跳轨全过程分为轮轨正常密贴阶段、轮轨分离阶段、轮轨冲击阶段和轮轨再次正常密贴阶段。建立了考虑冲击作用的铁道车辆—轨道耦合动力学模型,采用交叉迭代算法计算分析车辆—轨道系统在单一谐波、复合不平顺、钢轨扣件垫层失效和轨枕下支撑失效等工况下轮轨动力响应、车辆跳轨及行车安全性方面的影响规律。主要研究内容及结论如下:(1)梳理总结了国内外关于车辆跳轨这一难题的研究,针对车辆跳轨研究中的模型、计算方法和可深入探讨的方面进行分析总结,并找到本文可深入研究、模型合理化、计算方法创新以及优化的方面。(2)建立了由车体、转向架和轮对组成的多刚体动力学模型和钢轨-轨枕-道床-路基高速有砟轨道动力学模型,以轮轨垂向相互作用力为纽带联系两个子系统,采用交叉迭代算法计算两个子系统的振动响应。此计算方法可以有效避免因单个车轮跳起或多个车轮跳起的不同组合导致车辆-轨道整体系统矩阵发生自由度改变的情况,利于编程和后续计算。(3)采用简化的多目标优化算法对轮轨冲击阶段进行计算分析,当轮轨分离后,车轮重新掉落钢轨时因轮轨之间满足位移相容但速度不相容,会存在速度差而产生轮轨冲击力,是否考虑轮轨冲击力会使后续动力学计算结果存在相位和幅值的差异,且为完整计算描述整个车辆跳轨的全过程,认为应当考虑车轮跳起后的轮轨冲击作用。(4)计算分析了单一谐波不平顺中各种波深、波幅、波长以及不同车辆行驶速度组合工况作用下的轮轨振动响应,探究各工况下车轮跳轨的临界速度,并分析了车轮跳轨全过程各阶段所表现的特点及规律。(5)针对高速有砟轨道中易出现的焊缝区复合不平顺中较长波的波深a值、短波波深a值和短波波长λ对轮轨系统振动响应及车辆跳轨规律的影响。针对高速有砟轨道中常见的钢轨扣件垫层失效和轨枕下支撑失效的病害进行建模,设置单个或连续多个钢轨扣件垫层失效,单根或连续多根轨枕下支撑失效的工况,分析其对轮轨垂向振动响应的影响规律,并探讨此两种高速有砟轨道病害作用下以特定速度行驶车辆的临界失效扣件垫层数和枕下支撑数。图52幅,表17个,参考文献117篇

关键词：高速有砟轨道车轨耦合动力学轮轨分离轮轨冲击车轮跳轨全过程交叉迭代法轨道病害

新型双层非线性减振扣件优化设计及减振效果评价研究

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新型双层非线性减振扣件优化设计及减振效果评价研究

作者：吴浩西南交通大学

学位级别：硕士

随着我国城市轨道交通的大力建设,地铁运营过程中带来的振动噪声问题也愈发严重,在中等减振领域(减振扣件领域),双层非线性减振扣件凭借减振效果良好、施工简便、维修成本低等优势被广泛应用。本文以中铁二院设计的某新型双层非线性减... 详细信息

随着我国城市轨道交通的大力建设,地铁运营过程中带来的振动噪声问题也愈发严重,在中等减振领域(减振扣件领域),双层非线性减振扣件凭借减振效果良好、施工简便、维修成本低等优势被广泛应用。本文以中铁二院设计的某新型双层非线性减振扣件为研究对象,通过数值仿真计算分析,为扣件系统设计方案提供了优化建议以及相关参数指标,在此基础上,考虑地铁线路实际运营条件以及扣件系统载频变非线性力学特征,真实准确地评价了新型双层非线性减振扣件的减振效果。具体研究内容如下:(1)通过建立新型螺纹-销轴式与新型弹片式两种双层非线性减振扣件静力学有限元计算模型,对扣件系统锁紧机构、隔振垫板等关键部件进行静力仿真计算,分析研究扣件系统受力特性,通过计算分析发现,双层非线性减振扣件预锁紧阶段会显著影响中间隔振垫板的刚度,锁紧力过大会导致扣件系统减振效果降低。(2)通过建立地铁车辆-无砟轨道耦合动力学模型,计算分析扣件线性刚度变化对扣件系统减振效果的影响规律。在此基础上,以DZⅢ-3型普通扣件和新型双层非线性减振扣件为研究对象,进行了室内落轴冲击试验,得到了扣件系统在无车载条件下的减振效果约为4～6d B。(3)以新型减振扣件与DZⅢ-3型普通扣件为研究对象,进行扣件胶垫非线性载频变特性动态力学性能测试,并采用分数阶导数PT模型进行理论表征。测试结果显示,新型减振扣件相比DZⅢ-3型减振扣件具有更强的载变非线性力学特性,这表明在较高预载条件下,两种扣件刚度差值减小,可能导致新型扣件系统减振效果降低。(4)建立落轴冲击试验有限元模型并进行模态分析计算。根据落轴冲击试验的钢轨固有频率分析和扣件胶垫动态测试频变刚度参数,选取钢轨主频处的扣件频变刚度参数(无车载条件),计算钢轨1阶固有频率并与试验结果进行对比验证。在此基础上,分别采用传统4Hz割线刚度参数和无车载主频刚度参数计算扣件系统减振效果,并与落轴试验结果进行对比分析。(5)为了真实反映扣件系统的实际服役条件,首先计算分析不同轨道不平顺状态对扣件系统减振效果的影响规律。在此基础上,建立考虑扣件载频变非线性力学特征的分数阶导数车轨耦合动力学时域模型,分别计算分析扣件系统采用4Hz割线刚度参数、无车载主频刚度参数(落轴试验条件)以及载频变刚度参数(实际运营条件)下的减振效果。计算结果显示,采用4Hz割线刚度参数进行减振效果评价是不准确的,而室内落轴冲击试验由于未能考虑扣件系统的有车载服役条件,会显著高估新型减振扣件的减振效果。综上,为了真实准确地评价扣件系统减振效果,应综合考虑实际运营条件以及扣件系统载频变非线性力学特性。

关键词：双层非线性减振扣件有限元仿真落轴试验载频变性车轨耦合动力学减振效果

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地铁轮轨耦合不平顺激励对轨道振动影响分析

工程力学 2021年第5期38卷 191-198页

作者：马蒙李明航谭新宇曲翔宇张厚贵北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 北京市劳动保护科学研究所北京100054

轮轨动态输入激励直接影响车辆-轨道耦合模型的计算结果。目前在地铁列车环境振动振源研究中,大多只考虑了轨道不平顺的激励而忽略了车轮不圆顺的影响。为了构建地铁轮轨耦合不平顺激励、综合分析轨道不平顺以及车轮、钢轨的磨耗状态对... 详细信息

轮轨动态输入激励直接影响车辆-轨道耦合模型的计算结果。目前在地铁列车环境振动振源研究中,大多只考虑了轨道不平顺的激励而忽略了车轮不圆顺的影响。为了构建地铁轮轨耦合不平顺激励、综合分析轨道不平顺以及车轮、钢轨的磨耗状态对轨道动力响应的影响,对一列地铁列车进行了车轮不圆顺的现场测试,同时对一段区间隧道内的轨道不平顺和钢轨粗糙度均进行了测试。基于车辆-轨道耦合频域解析模型计算了轨道动力响应,比较了不同轮轨激励模式对计算结果的影响。同时,在同一区间隧道内实测了钢轨振动响应,用以验证不同激励模式计算结果的准确性。结果表明:美国谱和Sato谱会低估车轮不圆顺典型波长控制频段的振动响应,从而难以准确获得8 Hz~200 Hz频段的振动响应;按能量叠加方法获得的轮轨耦合不平顺谱可反映完备的轮轨激励信息,以此作为激励,在8 Hz~200 Hz频段,可计算获得与实测值更相近的模拟计算结果。

关键词：地铁车轨耦合动力学功率谱密度车轮不圆顺轨道不平顺钢轨粗糙度

400 km/h高速铁路最小曲线半径取值研究

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铁道工程学报 2022年第5期39卷 20-25,64页

作者：梁晨中国铁道科学研究院集团有限公司北京100081

研究目的:时速400 km高速铁路是多个国家的追求目标和发展方向。目前,时速400 km高速铁路在国内外均处于前期论证阶段,相关设计标准也尚未系统建立。最小平面曲线半径是高速铁路线路设计的主要技术标准之一,对列车速度和建设成本具有很... 详细信息

研究目的:时速400 km高速铁路是多个国家的追求目标和发展方向。目前,时速400 km高速铁路在国内外均处于前期论证阶段,相关设计标准也尚未系统建立。最小平面曲线半径是高速铁路线路设计的主要技术标准之一,对列车速度和建设成本具有很大影响。目前,国内外相关设计标准尚未对时速400 km条件下高速铁路曲线半径取值进行规定,因此有必要开展相关参数先期研究,为后续工程应用提供支撑。研究结论:(1)本文基于400 km/h高速铁路最小曲线半径理论计算值,开展了R=7 000 m曲线不同欠过超高条件下的行车性能现场试验,明确了欠过超高与列车动力响应指标之间的关联关系;(2)运用车轨耦合动力学方法,获取了400 km/h速度条件下R=7 000 m和R=7 500 m曲线行车安全性、舒适性和钢轨磨耗的差异;(3)基于试验和仿真结果,建议400 km/h新建线路的最小曲线半径取值为7 500 m(欠超高限值90 mm),为后续线路性能提升留有余量;既有350 km/h高铁提速线路的最小曲线半径取值为7 000 m(欠超高限值100 mm);(4)本研究成果可为时速400 km高速铁路相关设计标准制定与工程应用提供技术支撑。

关键词： 400 km/h高速铁路最小曲线半径车轨耦合动力学钢轨磨耗

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连续型浮置板轨道隔振器疲劳载荷谱研究

铁道工程学报 2016年第12期33卷 53-58页

作者：李忠继林红松颜华杨吉忠中铁二院工程集团有限责任公司成都610031

研究目的：为研究连续型浮置板轨道隔振器的载荷谱，为隔振器疲劳分析计算和疲劳试验提供依据，利用车辆轨道耦合理论建立连续型浮置板轨道一列车耦合模型，考虑轨道板的弹性变形、轨道几何不平顺以及隔振器、轮轨关系和列车悬挂装置的... 详细信息

研究目的：为研究连续型浮置板轨道隔振器的载荷谱，为隔振器疲劳分析计算和疲劳试验提供依据，利用车辆轨道耦合理论建立连续型浮置板轨道一列车耦合模型，考虑轨道板的弹性变形、轨道几何不平顺以及隔振器、轮轨关系和列车悬挂装置的非线性特性，计算列车通过时的隔振器动态载荷。研究结论：（1）计算结果显示隔振器载荷峰值随着车辆载重增加而线性增加，列车运行速度只影响隔振器载荷作用时间，对载荷值峰值影响不显著；（2）编制了连续型浮置板轨道隔振器在列车通过时的载荷谱，计算了不同列车载重工况下的主要参数Pi（i=0～3）；（3）提出了载荷谱参数的简化计算方法，采用简化算法所得的P3力与耦合算法相差在1％以内，P2力两者相差10％左右，P1力两者相差27％；（4）本研究成果可用于连续型浮置板隔振器疲劳试验和疲劳分析。

关键词：浮置板轨道隔振器车轨耦合动力学载荷谱简化算法

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钢轨动力吸振器对地铁车轨振动的影响分析

铁道标准设计 2017年第8期61卷 37-41页

作者：陈彦恒谢小山郑州铁路职业技术学院郑州451460

基于车轨耦合动力学理论,建立地铁车辆与地铁常用整体道床轨道的耦合动力学模型。对比地铁车辆在加装动力吸振器和未加装钢轨动力吸振器的轨道运行时的车体加速度、轮轨相互作用力、钢轨加速度以及轨道板(道床板)振动加速度等指标,综合... 详细信息

基于车轨耦合动力学理论,建立地铁车辆与地铁常用整体道床轨道的耦合动力学模型。对比地铁车辆在加装动力吸振器和未加装钢轨动力吸振器的轨道运行时的车体加速度、轮轨相互作用力、钢轨加速度以及轨道板(道床板)振动加速度等指标,综合分析其对车辆和轨道的影响,对钢轨动力吸振器的应用具有理论指导意义。对比从时域和频域分别进行,结果表明,地铁整体道床轨道在加装钢轨动力吸振器以后,车体垂向加速度受到的影响很微小;轮轨动作用力有减小趋势;钢轨加速度和道床板表面加速度在钢轨pinned-pinned共振频率附近有明显的降低。安装钢轨动力吸振器有利于轨道减振降噪,对轮轨动作用力的降低也有益处。

关键词：车轨耦合动力学地铁钢轨动力吸振器

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高温超导磁悬浮车/桥耦合振动仿真分析

高温超导磁悬浮车/桥耦合振动仿真分析

作者：李彦兴西南交通大学

学位级别：硕士

基于非理想第二类超导体YBaCuO磁通钉扎特性的高温超导磁悬浮系统,具有无源自稳定、原理简单可靠、悬浮力大、环境友好等优势,应用前景广泛。围绕轨道交通技术,目前世界范围内已建成多条高温超导磁悬浮试验线并开展了大量服役性能等基... 详细信息

基于非理想第二类超导体YBaCuO磁通钉扎特性的高温超导磁悬浮系统,具有无源自稳定、原理简单可靠、悬浮力大、环境友好等优势,应用前景广泛。围绕轨道交通技术,目前世界范围内已建成多条高温超导磁悬浮试验线并开展了大量服役性能等基础研究,研究结果表明高温超导磁悬浮系统具备中低速、高速甚至超高速运行的潜力。高温超导磁悬浮技术正处于走出实验室、面向工程推广应用和产业化的关键阶段,探索其在工程应用中可能出现的问题十分迫切。由于磁悬浮系统的动力学性能对其技术经济性及应用前景有重要影响,及时开展高温超导磁悬浮系统动力学对该技术的长足发展十分重要。因此,本文围绕高温超导磁悬浮车辆与轨道梁的耦合振动,开展了如下研究内容:(一)改进现有的悬浮力、导向力模型,建立了高温超导磁悬浮系统的二维磁轨关系数学模型,该模型综合考虑了高温超导块材运动时的悬浮高度、横向位移、振动速度对悬浮力和导向力的影响。通过与实验数据对比得到,利用该模型计算得到的悬浮力、导向力分别与实验测试结果具有良好的吻合度。(二)建立了沿永磁轨道纵向移动的15自由度高温超导磁悬浮车辆/轨道梁耦合动力学模型,采用Euler-Bernoulli梁模型建立轨道梁动力学模型并用模态叠加法进行求解,基于Matlab软件对动力学方程进行数值求解,计算程序具有显示实时进度、后处理等功能。(三)利用上述动力学模型和仿真程序,研究了高温超导磁悬浮车辆以300 km/h的速度通过混凝土轨道梁时的动力响应,此时车辆和轨道梁的响应均满足设计规范限值。进一步分析了二系悬挂垂向刚度、轨道梁跨度、车辆运行速度对系统动力学响应的影响规律,针对文中高温超导磁悬浮模型,提出二系悬挂垂向刚度建议值为100kN/m,桥梁跨度建议值为25 m。此外,发现车辆运行速度对轨道梁响应影响较大,当磁浮车辆以800 km/h速度运行时,轨道梁垂向振动加速度超出设计规范限值。(四)采用德国低干扰轨道谱,分析了随机激扰下高温超导磁悬浮系统的动力响应,结果表明高低不平顺激扰对轨道梁响应基本没有影响,但对车辆垂向振动的影响较大;方向不平顺激扰对轨道梁和车辆的横向振动都有影响,且对车辆的影响更甚。采用Sperling指数评估了车辆的平稳性,在高低不平顺和方向不平顺的共同激扰下,高温超导磁悬浮车辆在10000 km/h速度域内的横向、垂向平稳性指标均小于2.5,都属于“优”等级,由此可见,高温超导磁悬浮车辆具备高速运行的能力。

关键词：高温超导磁悬浮悬浮力导向力车轨耦合动力学随机振动