復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下高速列車脫軌機(jī)理研究.pdf

1、列車脫軌問題機(jī)理十分復(fù)雜，不確定的影響因素較多，是全世界鐵路工業(yè)界難以解決的理論和技術(shù)問題。在車輛/軌道關(guān)鍵零部件失效和自然災(zāi)害等復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下，高速列車運(yùn)行安全性受到極大威脅，由其造成的重大脫軌事故并不少見。目前的車輛/軌道動力學(xué)理論方法難以描述復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下高速列車動態(tài)行為、脫軌發(fā)生的瞬態(tài)過程、脫軌特征和機(jī)理。同時，全世界高速列車脫軌判別準(zhǔn)則和安全評估準(zhǔn)則不統(tǒng)一、不完善、不科學(xué)，甚至不合理?，F(xiàn)有的脫軌準(zhǔn)則只考慮單一或少數(shù)影響因素，且

2、被獨(dú)立運(yùn)用到列車安全評估中。因此，復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下高速列車脫軌機(jī)理和安全運(yùn)行評估研究有待進(jìn)一步深入。
　　論文受國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“復(fù)雜環(huán)境下高速列車動態(tài)脫軌機(jī)理的研究(50875218)”、“高速列車運(yùn)行安全的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題研究(50821063)”和“四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2010JY0070)”等項(xiàng)目的資助，主要開展了以下幾方面的研究工作:
　　(1)建立了較為完整的高速列車動態(tài)脫軌機(jī)理研究模型，并發(fā)展了相應(yīng)的數(shù)值程序

3、。模型主要由五個子系統(tǒng)組成，分別是車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型、軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型、輪軌空間動態(tài)接觸模型、車輛/軌道耦合界面激勵模式和脫軌安全域評判新體系。對復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)，根據(jù)其特性，作為高速列車/軌道耦合動態(tài)系統(tǒng)的廣義邊界特性，體現(xiàn)在高速列車動態(tài)脫軌機(jī)理研究模型中。
　　(2)改進(jìn)了單節(jié)車和多節(jié)車車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型。模型中，單節(jié)車輛由35個自由度的多剛體系統(tǒng)模擬;多節(jié)車輛考慮典型的8輛編組，每節(jié)車由42個自由度的多剛體系統(tǒng)模擬。忽略車輛系

4、統(tǒng)所有部件的結(jié)構(gòu)彈性變形，并假設(shè)車輛勻速運(yùn)行，不考慮列車縱向的加、減速運(yùn)動。車輛系統(tǒng)各連接部件簡化為彈簧-阻尼連接單元，采用分段線性來模擬其非線性動力特性。
　　(3)改進(jìn)了三層（鋼軌-軌枕-道床-路基）有砟軌道動力學(xué)模型和三維實(shí)體有限元板式無砟軌道動力學(xué)模型。軌下結(jié)構(gòu)縱向被離散，離散原則以各軌枕支點(diǎn)為基元，考慮軌道剛度縱向不均勻變化特性。鋼軌視為連續(xù)彈性離散點(diǎn)支承的無限Timoshenko梁，考慮鋼軌的橫向、垂向和扭轉(zhuǎn)振動。有砟

5、軌道中，軌枕簡化為Euler梁模型，考慮軌枕的垂向彎曲振動和橫向剛體運(yùn)動，道床簡化為垂向離散等效質(zhì)量塊。每個支撐單元采用雙質(zhì)量（軌枕和道床）三層（鋼軌-軌枕-道床-路基）彈簧-阻尼振動模型。無砟軌道中，軌道板用三維實(shí)體有限元單元模擬，鋼軌扣件和CA砂漿層用周期性離散的粘彈性單元模擬。
　　(4)建立了輪軌空間動態(tài)耦合模型。模型中，輪軌接觸點(diǎn)采用跡線法和最小距離法確定，考慮軌道系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和鋼軌彈性變形對輪軌接觸幾何及輪軌耦合相互作

6、用力的影響。輪軌法向力采用改進(jìn)輪軌法向擠壓量計(jì)算公式和Hertz非線性彈性接觸理論求解。輪軌切向力采用Kalker線性理論計(jì)算，再以Shen-Hedrick-Elkins理論進(jìn)行非線性修正。
　　(5)提出和采用“跟蹤窗戶(Tracking Window)”新型車輛/軌道耦合激勵模式。模型中，假設(shè)車輛勻速運(yùn)動，忽略車輛/軌道系統(tǒng)縱向振動特性，車輛相對鋼軌不移動，而軌下支撐結(jié)構(gòu)，包括鋼軌扣件、軌下墊層、軌道板、軌枕、道床及輪軌系統(tǒng)不

7、平順沿行車相反方向作相對運(yùn)動，運(yùn)動速度和行車速度相同。
　　(6)補(bǔ)充完善了基于輪軌動態(tài)接觸關(guān)系的輪軌接觸點(diǎn)橫向位置和車輪抬升量動態(tài)脫軌評判準(zhǔn)則，提出和構(gòu)建了脫軌安全域評判體系。其基本思想為，利用動力學(xué)模型計(jì)算各種關(guān)鍵因素對復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下高速列車/軌道耦合系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響，結(jié)合幾種常用的脫軌評價準(zhǔn)則，確定不同評價準(zhǔn)則下的脫軌安全界限，最終得到考慮多種影響因素及不同脫軌指標(biāo)的列車脫軌與安全運(yùn)行域，從而將其運(yùn)用到高速列車的脫軌評價分

8、析中。
　　基于上述數(shù)值計(jì)算模型，針對復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)下高速列車脫軌問題，開展了軌道結(jié)構(gòu)件失效、線路鼓脹、強(qiáng)風(fēng)環(huán)境和地震環(huán)境等4方面的研究:
　　(1)建立了軌道結(jié)構(gòu)件失效下高速列車動態(tài)脫軌機(jī)理研究模型。計(jì)算分析了無砟曲線線路上，高軌、低軌和雙側(cè)扣件失效對車輛/軌道耦合系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和車輛脫軌安全性的影響，并對行車速度和扣件失效個數(shù)兩個關(guān)鍵因素進(jìn)行了脫軌安全性影響規(guī)律調(diào)查分析;計(jì)算分析了在有砟直線和有砟曲線線路上，軌下支撐失效對系

9、統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和車輛脫軌安全性的影響，對比分析了軌下支撐失效下脫軌臨界工況和脫軌發(fā)生工況的車輛脫軌行為，調(diào)查分析了行車速度和扣件失效個數(shù)兩個關(guān)鍵因素的影響規(guī)律，構(gòu)建和分析了軌下支撐失效下高速列車的脫軌與安全運(yùn)行域。
　　(2)建立了鼓脹狀態(tài)下高速列車動態(tài)脫軌機(jī)理研究模型。計(jì)算分析了直線有砟和曲線有砟兩種軌道類型，線路鼓脹對車輛/軌道耦合系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和車輛脫軌安全性的影響，對比分析了線路鼓脹狀態(tài)下脫軌臨界工況和脫軌發(fā)生工況的車輛脫軌行為

10、，調(diào)查分析了鼓脹幅值、波長和行車速度等關(guān)鍵因素的影響規(guī)律，構(gòu)建和分析了線路鼓脹下高速列車的脫軌與安全運(yùn)行域。
　　(3)建立了強(qiáng)風(fēng)狀態(tài)下高速列車動態(tài)脫軌機(jī)理研究模型。計(jì)算分析了直線穩(wěn)態(tài)橫風(fēng)、瞬態(tài)陣風(fēng)和隧道出口瞬態(tài)陣風(fēng)等典型強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下車輛/軌道耦合系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和車輛脫軌安全性，對比分析了強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下脫軌臨界工況和脫軌發(fā)生工況的車輛脫軌行為，調(diào)查分析了風(fēng)速、風(fēng)向角和行車速度等關(guān)鍵因素的影響規(guī)律，構(gòu)建和分析了強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下高速列車的脫軌與安全