复杂环境状态下高速列车脱轨机理研究

摘要

列车脱轨问题机理十分复杂，不确定的影响因素较多，是全世界铁路工业界难以解决的理论和技术问题。在车辆/轨道关键零部件失效和自然灾害等复杂环境状态下，高速列车运行安全性受到极大威胁，由其造成的重大脱轨事故并不少见。目前的车辆/轨道动力学理论方法难以描述复杂环境状态下高速列车动态行为、脱轨发生的瞬态过程、脱轨特征和机理。同时，全世界高速列车脱轨判别准则和安全评估准则不统一、不完善、不科学，甚至不合理。现有的脱轨准则只考虑单一或少数影响因素，且被独立运用到列车安全评估中。因此，复杂环境状态下高速列车脱轨机理和安全运行评估研究有待进一步深入。
　　论文受国家自然科学基金项目“复杂环境下高速列车动态脱轨机理的研究(50875218)”、“高速列车运行安全的关键科学技术问题研究(50821063)”和“四川省科技计划项目(2010JY0070)”等项目的资助，主要开展了以下几方面的研究工作:
　　(1)建立了较为完整的高速列车动态脱轨机理研究模型，并发展了相应的数值程序。模型主要由五个子系统组成，分别是车辆系统动力学模型、轨道系统动力学模型、轮轨空间动态接触模型、车辆/轨道耦合界面激励模式和脱轨安全域评判新体系。对复杂环境状态，根据其特性，作为高速列车/轨道耦合动态系统的广义边界特性，体现在高速列车动态脱轨机理研究模型中。
　　(2)改进了单节车和多节车车辆系统动力学模型。模型中，单节车辆由35个自由度的多刚体系统模拟;多节车辆考虑典型的8辆编组，每节车由42个自由度的多刚体系统模拟。忽略车辆系统所有部件的结构弹性变形，并假设车辆匀速运行，不考虑列车纵向的加、减速运动。车辆系统各连接部件简化为弹簧-阻尼连接单元，采用分段线性来模拟其非线性动力特性。
　　(3)改进了三层（钢轨-轨枕-道床-路基）有砟轨道动力学模型和三维实体有限元板式无砟轨道动力学模型。轨下结构纵向被离散，离散原则以各轨枕支点为基元，考虑轨道刚度纵向不均匀变化特性。钢轨视为连续弹性离散点支承的无限Timoshenko梁，考虑钢轨的横向、垂向和扭转振动。有砟轨道中，轨枕简化为Euler梁模型，考虑轨枕的垂向弯曲振动和横向刚体运动，道床简化为垂向离散等效质量块。每个支撑单元采用双质量（轨枕和道床）三层（钢轨-轨枕-道床-路基）弹簧-阻尼振动模型。无砟轨道中，轨道板用三维实体有限元单元模拟，钢轨扣件和CA砂浆层用周期性离散的粘弹性单元模拟。
　　(4)建立了轮轨空间动态耦合模型。模型中，轮轨接触点采用迹线法和最小距离法确定，考虑轨道系统动态响应和钢轨弹性变形对轮轨接触几何及轮轨耦合相互作用力的影响。轮轨法向力采用改进轮轨法向挤压量计算公式和Hertz非线性弹性接触理论求解。轮轨切向力采用Kalker线性理论计算，再以Shen-Hedrick-Elkins理论进行非线性修正。
　　(5)提出和采用“跟踪窗户(Tracking Window)”新型车辆/轨道耦合激励模式。模型中，假设车辆匀速运动，忽略车辆/轨道系统纵向振动特性，车辆相对钢轨不移动，而轨下支撑结构，包括钢轨扣件、轨下垫层、轨道板、轨枕、道床及轮轨系统不平顺沿行车相反方向作相对运动，运动速度和行车速度相同。
　　(6)补充完善了基于轮轨动态接触关系的轮轨接触点横向位置和车轮抬升量动态脱轨评判准则，提出和构建了脱轨安全域评判体系。其基本思想为，利用动力学模型计算各种关键因素对复杂环境状态下高速列车/轨道耦合系统动态响应的影响，结合几种常用的脱轨评价准则，确定不同评价准则下的脱轨安全界限，最终得到考虑多种影响因素及不同脱轨指标的列车脱轨与安全运行域，从而将其运用到高速列车的脱轨评价分析中。
　　基于上述数值计算模型，针对复杂环境状态下高速列车脱轨问题，开展了轨道结构件失效、线路鼓胀、强风环境和地震环境等4方面的研究:
　　(1)建立了轨道结构件失效下高速列车动态脱轨机理研究模型。计算分析了无砟曲线线路上，高轨、低轨和双侧扣件失效对车辆/轨道耦合系统动态响应和车辆脱轨安全性的影响，并对行车速度和扣件失效个数两个关键因素进行了脱轨安全性影响规律调查分析;计算分析了在有砟直线和有砟曲线线路上，轨下支撑失效对系统动态响应和车辆脱轨安全性的影响，对比分析了轨下支撑失效下脱轨临界工况和脱轨发生工况的车辆脱轨行为，调查分析了行车速度和扣件失效个数两个关键因素的影响规律，构建和分析了轨下支撑失效下高速列车的脱轨与安全运行域。
　　(2)建立了鼓胀状态下高速列车动态脱轨机理研究模型。计算分析了直线有砟和曲线有砟两种轨道类型，线路鼓胀对车辆/轨道耦合系统动态响应和车辆脱轨安全性的影响，对比分析了线路鼓胀状态下脱轨临界工况和脱轨发生工况的车辆脱轨行为，调查分析了鼓胀幅值、波长和行车速度等关键因素的影响规律，构建和分析了线路鼓胀下高速列车的脱轨与安全运行域。
　　(3)建立了强风状态下高速列车动态脱轨机理研究模型。计算分析了直线稳态横风、瞬态阵风和隧道出口瞬态阵风等典型强风环境下车辆/轨道耦合系统动态响应和车辆脱轨安全性，对比分析了强风环境下脱轨临界工况和脱轨发生工况的车辆脱轨行为，调查分析了风速、风向角和行车速度等关键因素的影响规律，构建和分析了强风环境下高速列车的脱轨与安全运行域。
　　(4)建立了地震状态下高速列车动态脱轨机理研究模型。计算分析了横向、垂向和横-垂向地震波作用下车辆/轨道耦合系统动态响应和车辆脱轨安全性;对比分析了地震环境下脱轨临界工况和脱轨发生工况的车辆脱轨行为;调查分析了地震波频谱特性、地震波强度、横-垂向地震波比值和行车速度等关键因素的影响规律;构建和分析了地震环境下高速列车的脱轨与安全运行域。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 复杂环境状态下列车脱轨研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要研究工作

1．4 本章小结

第2章 高速列车动态脱轨机理研究模型

2．1 车辆系统动力学模型

2．1．1 单节车辆动力学模型

2．1．2 多节车辆动力学模型

2．2 轨道系统动力学模型

2．2．1 有砟轨道动力学模型

2．2．2 无砟轨道动力学模型

2．3 轮轨空间动态耦合模型

2．3．1 轮轨空间动态接触几何关系

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 车辆／轨道耦合界面激励模式

2．4．1 传统车辆／轨道耦合界面激励模式

2．4．2 新型车辆／轨道耦合界面激励模式

2．5 动态脱轨评判准则

2．5．1 传统脱轨评判准则

2．5．2 基于轮轨接触点的动态脱轨评判准则

2．5．3 基于车轮抬升量的动态脱轨评判准则

2．5．4 脱轨安全域的构建及应用

2．6 本章小结

第3章 轨道结构件失效状态下高速列车脱轨机理研究

3．1 钢轨扣件失效下高速列车脱轨安全性分析

3．1．1 无砟轨道钢轨扣件失效模拟

3．1．2 扣件失效状态下系统动态响应分析

3．1．3 扣件失效状态下脱轨安全性分析

3．2 轨下支撑失效下高速列车动态脱轨机理分析

3．2．1 有砟轨道轨下支撑失效模拟

3．2．2 直线区段轨下支撑失效下系统动态响应分析

3．2．3 曲线区段轨下支撑失效下系统动态响应分析

3．2．4 直线区段轨下支撑失效下动态脱轨分析

3．2．5 曲线区段轨下支撑失效下动态脱轨分析

3．2．6 轨下支撑失效状况下关键影响因素分析

3．3 轨下支撑失效下的高速列车脱轨安全域分析

3．3．1 直线区段脱轨安全域

3．3．2 曲线区段脱轨安全域

3．4 本章小结

第4章 轨道鼓胀状态下高速列车脱轨机理研究

4．1 线路鼓胀状态的模拟

4．2 线路鼓胀状态下系统动态响应分析

4．2．1 直线有砟轨道

4．2．2 曲线有砟轨道

4．2．3 线路区段的影响比较分析

4．3 线路鼓胀状态对高速列车动态脱轨的影响

4．3．1 直线有砟轨道

4．3．2 曲线有砟轨道

4．4 线路鼓胀状态下脱轨关键影响因素

4．4．1 鼓胀幅值与车速

4．4．2 鼓胀波长与车速

4．5 线路鼓胀状态下的高速列车脱轨安全域分析

4．5．1 直线有砟轨道

4．5．2 曲线有砟轨道

4．6 本章小结

第5章 强风环境下高速列车脱轨机理研究

5．1 强风环境的模拟

5．1．1 稳态与非稳态风场

5．1．2 风载荷

5．2 强风环境下系统动态响应分析

5．2．1 直线路堤上稳态横风作用

5．2．2 直线路堤上瞬态阵风作用

5．2．3 隧道出口瞬态阵风作用

5．3 强风环境对高速列车动态脱轨的影响

5．4 强风环境下高速列车脱轨关键影响因素分析

5．4．1 行车速度

5．4．2 风向角

5．4．3 风速

5．5 强风环境下高速列车脱轨安全域分析

5．5．1 直线路堤上稳态横风作用

5．5．2 直线路堤上瞬态阵风作用

5．5．3 隧道出口瞬态阵风作用

5．6 本章小结

第6章 地震环境下高速列车脱轨机理研究

6．1 地震下高速车辆／轨道耦合动态脱轨计算模型

6．1．1 动力学模型及轨道运动方程推导

6．1．2 地震波数据处理

6．2 地震环境下系统动态响应与脱轨安全性分析

6．2．1 横向地震波作用

6．2．2 垂向地震波作用

6．2．3 横-垂向地震波共同作用

6．3 地震环境对高速列车动态脱轨的影响

6．3．1 横向地震波作用

6．3．2 横-垂向地震波共同作用

6．4 地震环境下高速列车脱轨关键影响因素分析

6．4．1 地震波频谱特性的影响

6．4．2 横向地震波强度与车速的影响

6．4．3 横-垂向地震波强度比值的影响

6．4．4 横-垂向地震波强度与车速的影响

6．5 地震环境下高速列车动态脱轨安全域分析

6．5．1 横向地震波环境下脱轨安全域

6．5．2 横-垂向地震波环境下脱轨安全域

6．6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间申请的专利

攻读博士学位期间从事的科研工作