有轨电车列车-嵌入式轨道动态相互作用研究

摘要

有轨电车经历了兴起-衰落-复兴的阶段。由于有轨电车具有广泛的适用性及建设灵活性，可以满足不同城市、不同区域、不同运量对轨道交通的不同需求，我国目前有25个省（区、市）的72座城市提出了建设现代有轨电车线路的发展规划，超过40座城市已经开展了现代有轨电车的路网规划工作，规划线路达到50条以上，规划里程高达1300多公里，总投资将超过3000亿元。但是，现代有轨电车在我国刚刚兴起，还缺乏相关的建设和运营标准及相关的理论研究成果支撑。为保证现代有轨电车在我国的健康快速发展，急需对现代有轨电车系统开展深入的理论和试验研究。因此，对有轨电车列车-嵌入式轨道耦合动力学性能研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本文主要开展了以下几方面的研究工作:
　　(1)论文首先简要回顾了国内外有轨电车的发展和有轨电车系统动力学研究的历史与现状，明确了有轨电车列车-嵌入式轨道耦合动力学研究的意义和研究方向。
　　(2)基于车辆-轨道耦合系统动力学理论和有限元方法，建立了比较完善的有轨电车列车-嵌入式轨道耦合系统动力学模型。模型中，列车简化为96自由度的多刚体动力系统，车间铰接机构采用动力学约束建模，车间减振器采用空间非线性阻尼单元模拟;利用Timoshenko梁模拟连续弹性支承基础上的槽型轨，采用三维实体有限元单元模拟轨道板，钢轨填充材料用三维粘弹性弹簧-阻尼单元模拟，嵌入式道床板底部的自密实混凝土支撑简化为等效的弹簧-阻尼单元，不考虑路基的影响;车辆与钢轨间通过非线性的轮轨关系耦合，采用迹线法和最小距离法确定轮轨接触几何关系;采用Hertz非线性弹性接触理论求解轮轨法向力，采用沈氏理论确定轮轨切向力。通过仿真计算结果与现场测试结果的对比分析，验证了有轨电车列车-嵌入式轨道耦合系统动力学模型的准确性与可靠性。
　　(3)归纳总结了国内外适用于有轨电车列车-嵌入式轨道耦合系统动力性能评定的相关标准和指标;介绍了国内嵌入式轨道综合试验段上有轨电车与新型嵌入式轨道结构的动力学试验情况，初步分析与评估了试验车辆与轨道的动力学性能;基于有轨电车列车-嵌入式轨道耦合动力学仿真计算，对有轨电车列车-嵌入式轨道耦合振动的基本特性进行了计算分析。
　　(4)应用有轨电车列车-嵌入式轨道耦合系统动力学分析模型，从轨道几何不平顺敏感波长及安全限值两方面入手对嵌入式轨道结构的不平顺控制策略进行研究，系统调查轨道几何不平顺对有轨电车动力学性能的影响规律，提出了有轨电车运行安全性和运行平稳性指标的轨道几何不平顺敏感波长分别为1～20m和1～40m，以及方向、轨距、高低、水平和扭曲5种轨道几何不平顺安全限值，为现代有轨电车线路的标准建设和养护维修提供较为系统的理论依据。
　　(5)基于轨道交通的典型轮轨伤损现象，建立了车轮擦伤、钢轨焊接不平顺、钢轨波磨3种典型的轮轨伤损分析模型，系统地调查了车轮擦伤、钢轨焊接不平顺及钢轨波磨3种典型的轮轨异常磨损形式对有轨电车列车-嵌入式轨道系统耦合振动行为的影响规律，并提出这3种典型轮轨伤损的养护维修策略。
　　(6)应用有轨电车列车-嵌入式轨道耦合系统动力学分析模型，系统研究了承轨槽填充材料的刚度和阻尼、轨道板几何尺寸、轨道板下支承材料的刚度和阻尼等结构参数对有轨电车列车-嵌入式轨道耦合动力学性能的影响规律，提出了基于有轨电车动力学性能和轨道减振性能的嵌入式轨道结构和性能参数的优选范围，为有轨电车的工程建设提供理论指导与参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文选题背景

1．2 有轨电车运输系统的发展及研究现状

1．2．1 国内外有轨电车技术发展现状

1．2．2 有轨电车动力学研究现状

1．2．3 有轨电车-轨道耦合系统研究现状

1．3 论文主要工作及研究思路

1．4 本章小结

第2章 有轨电车列车-嵌入式轨道耦合系统建模

2．1 有轨电车列车系统模型

2．1．1 列车系统建模

2．1．2 车间连接模型

2．2 有轨电车轨道系统模型

2．2．1 钢轨结构建模

2．2．2 轨道板结构建模

2．3 有轨电车列车．轨道耦合建模

2．3．1 轮轨空间接触模型

2．3．2 轮轨法向力计算模型

2．3．3 轮轨蠕滑力计算模型

2．4 本章小结

第3章 有轨电车列车-嵌入式轨道振动测试与计算分析

3．1 有轨电车列车-嵌入式轨道耦合系统动力学性能评定标准

3．1．1 运行安全性

3．1．2 运行品质

3．2 有轨电车列车-嵌入式轨道耦合振动的试验测试分析

3．2．1 测试内容及测试方法

3．2．2 有轨电车列车振动测试分析

3．2．3 嵌入式轨道结构振动测试分析

3．3 有轨电车列车．嵌入式轨道耦合振动的计算分析

3．3．1 列车系统动态响应分析

3．3．2 嵌入式轨道系统动态响应分析

3．4 仿真与测试结果对比验证分析

3．5 本章小结

第4章 嵌入式轨道结构几何不平顺影响分析

4．1 轨道几何不平顺

4．1．1 轨道几何不平顺的模式

4．1．2 嵌入式轨道几何不平顺控制分析方法

4．2 轨道几何不平顺敏感波长分析

4．2．1 方向不平顺

4．2．2 高低不平顺

4．2．3 水平不平顺

4．2．4 扭曲不平顺

4．3 轨道几何不平顺控制限值分析

4．3．1 方向不平顺

4．3．2 轨距不平顺

4．3．3 高低不平顺

4．3．4 水平不平顺

4．3．5 扭曲不平顺

4．4 本章小结

第5章 典型轮轨磨损对系统动态响应的影响分析

5．1 典型轮轨磨损型式

5．1．1 车轮擦伤

5．1．2 钢轨焊接接头

5．1．3 钢轨波磨

5．2 车轮擦伤影响分析

5．2．1 车轮擦伤激励下系统动态响应

5．2．2 关键影响因素调查

5．2．3 车轮擦伤安全限值分析

5．3 钢轨焊接不平顺影响分析

5．3．1 钢轨焊接不平顺激励下系统动态响应

5．3．2 关键影响因素调查

5．3．3 钢轨焊接不平顺安全限值分析

5．4 钢轨波磨影响分析

5．4．1 钢轨波磨激励下系统动态响应

5．4．2 关键影响因素调查

5．4．3 钢轨波磨打磨限值分析

5．5 本章小结

第6章 嵌入式轨道结构参数优化分析

6．1 填充材料特性影响

6．1．1 填充材料垂向刚度

6．1．2 填充材料横向刚度

6．1．3 填充材料垂向阻尼

6．1．4 填充材料横向阻尼

6．2 轨道板几何尺寸影响

6．2．1 轨道板长度

6．2．2 轨道板厚度

6．3 轨道板下支承材料动力特性影响

6．3．1 轨道板下支承刚度

6．3．2 轨道板下支承阻尼

6．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及科研工作