道岔平面线型动力分析及其设计方法研究

摘要

道岔设计中平面线型的选取是影响列车过岔速度和自身使用性能的关键因素之一，针对各种号码及不同应用范围的道岔，需选择合适的平面线型以满足行车安全性、平稳性和结构稳定性要求。本文在结合国内外现有理论的基础上，对道岔平面线型的选型评估及设计方法做了相关研究，主要内容分为以下几个方面:
　　1.针对不同道岔平面线型轮轨接触几何关系计算方法的建立
　　基于普通线路典型的轮轨接触几何关系计算方法，将其应用于道岔区接触关系求解过程中，其中利用三次样条函数拟合岔区钢轨控制断面，并在各断面间插值得到任意所需计算断面，然后采用迹线法将车轮上接触点的存在范围从踏面整个曲面缩小到一条空间曲线上，进而可通过最小距离法在所得钢轨计算断面和车轮迹线间精确搜索轮轨接触点位置，计算相关接触参数。以上述方法为基础，编制道岔区轮轨接触几何关系计算子程序，不仅可用于评价道岔平面线型类型对轮轨关系的影响，又可作为动力学计算中使上部车辆和下部道岔结构产生耦合关系的关键部分。
　　2.车辆-道岔动力耦合模型的建立及求解
　　以车辆动力学和道岔动力学理论为基础，建立车辆-道岔动力耦合模型，用于分析不同道岔平面线型对系统振动特性的影响，其中车辆子模型为由车体、两个转向架和四个轮对组成的单列整车多刚体模型，车体和两转向架分别考虑沉浮、横移、侧滚、摇头和点头五个自由度，各轮对考虑沉浮、横移、侧滚和摇头四个自由度，刚体间通过弹簧阻尼原件相联接;道岔子模型除包括转辙器、连接部分和辙叉三大主要结构以外，还考虑了各零部件对其振动的影响，然后利用有限单元法将其离散为有限元模型。使用道岔区轮轨接触关系将两子模型相耦合，采用哈密尔顿原理建立整体系统振动方程，并编制车辆-道岔动力耦合模型计算程序，从动力学角度指导道岔平面线型设计。
　　3.各种平面线型下车辆-道岔动力耦合模型振动特性分析
　　将道岔按号码大小进行分类，通过改变平面线型参数及类型分别为其设立工况，利用车辆-道岔动力耦合模型计算程序对比分析各工况振动特性，并研究列车过岔速度改变对系统动力响应的影响。由结果可知，小号码道岔选用单圆型和复圆型平面线型以及大号码道岔选用圆缓型和缓圆缓型线型时，均可保证在其各自允许过岔速度下列车侧向行驶的安全性、平稳性及道岔结构稳定性，且增加侧股曲线半径或为小号码道岔选用复圆曲线线型及大号码道岔选用缓圆缓曲线线型，将提高道岔的行车性能及对列车提速过岔的适应性，但应综合结构尺寸、设计及使用条件等因素确定具体线型。
　　4.尖轨切削方式对转辙器部位系统动力响应及钢轨磨耗性能的影响研究
　　利用车辆-道岔空间耦合振动模型及爱因斯磨耗指数计算方法，分别对不同号码道岔尖轨采用多种切削方式时的系统振动及钢轨磨耗进行对比分析，并研究列车过岔速度及线型参数改变对磨耗指数的影响。由结果可知，小号码道岔尖轨选用半切线型和半割线型切削方式时，车辆运行状态较优，钢轨磨耗性能良好，且随列车过岔速度和道岔侧股半径变化的改变量不大，此时相离半切线型切削方式对应各方面性能虽有所降低，但由于其显著提高了尖轨粗壮度，也可作为小号码道岔尖轨主要切削类型之一;大号码道岔尖轨切削方式中半切线型尖轨可在行车性能达到最优时所得钢轨磨耗指数较小，适用性最强。
　　5.适用于多种道岔平面线型计算方法的建立
　　建立了适用于多种道岔平面线型计算的平面参数法，推导了单圆型、复圆型、圆缓型和缓圆缓型四种道岔平面线型，以及切线型、半切线型、割线型、半割线型和相离半切线型五种尖轨切削方式关键参数的计算过程，并对其进行基本的结构尺寸及运动学评价，同时介绍了三种岔枕排布方式，即整体垂直于直股排布、辙叉区垂直于角平分线排布和整体扇形排布，此方法可减少由人为因素产生的误差，为道岔平面线型的精确设计打下了基础。
　　6.道岔平面线型计算及绘图软件的开发与验证
　　基于平面参数法开发了道岔平面线型计算及绘图软件，本软件由计算模块和绘图模块两部分组成，通过设定原始参数，可完成包括四种平面线型、五种尖轨切削方式和三种岔枕排布样式在内的多种设计的组合，配合绘图软件的使用，能够迅速绘制线型图用于方案比选，提高了工作效率。利用本软件针对低速小号码道岔和高速大号码道岔分别进行不同平面线型的试算，验证了软件的可用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 世界各国道岔发展概况

1．2．1 国外道岔发展概况

1．2．2 国内道岔发展概况

1．3 道岔平面线型应用现状

1．4 道岔区轮轨系统动力学研究进展

1．5 本文主要工作

第2章 道岔区轮轨动态接触几何关系计算方法

2．1 轮轨空间接触几何关系计算

2．1．1 车轮踏面与钢轨顶面拟合

2．1．2 轮轨空间接触点搜索方法

2．1．3 轮轨动态接触几何关系求解

2．2 道岔区变截面钢轨轮轨接触几何关系

2．2．1 变截面钢轨断面间差值方法

2．2．2 道岔区轮轨接触方式及接触点搜索

2．2．3 道岔侧股曲线上轮轨接触算法

2．2．4 道岔区轮轨接触参数

2．3 轮轨接触几何关系计算流程

2．4 小结

第3章 车辆-道岔动力耦合模型建立及求解

3．1 动力耦合模型及方程的建立方法

3．1．1 模型建立基本原则

3．1．2 振动方程组建方法

3．2 车辆模型及振动方程的建立

3．2．1 车辆模型

3．2．2 车辆振动方程

3．3 道岔区轨道模型及振动方程的建立

3．3．1 道岔区结构特点及建模原则

3．3．2 道岔区轨道模型

3．3．3 道岔区振动方程

3．4 轮轨接触耦合关系求解

3．4．1 轮轨法向力求解

3．4．2 轮轨蠕滑力求解

3．4．3 轮缘或轮背与钢轨接触力求解

3．4．4 轮轨间作用力虚功方程

3．5 动力耦合模型方程的建立及求解

3．5．1 整体系统振动方程

3．5．2 整体系统振动方程计算方法

3．5．3 整体系统动力响应计算流程

3．6 小结

第4章 道岔平面线型对车辆-道岔耦合振动的影响

4．1 车辆-道岔动力耦合模型参数选取

4．1．1 车辆模型参数

4．1．2 道岔模型参数

4．2 圆曲线型道岔线型选取对系统振动的影响

4．2．1 轮轨接触参数评价

4．2．2 各工况系统动力响应比较

4．2．3 列车过岔速度对系统振动的影响

4．3 带有缓和曲线道岔线型选取对系统振动的影响

4．3．1 轮轨接触参数评价

4．3．2 各工况系统动力响应比较

4．3．3 列车过岔速度对系统振动的影响

4．4 小结

第5章 转辙器区尖轨切削线型动力性能及磨耗研究

5．1 轮轨磨耗评定指标计算方法选择

5．2 小号码道岔尖轨各切削方式动力及磨耗评定

5．2．1 各尖轨切削方式下系统动力特性比较

5．2．2 不同切削类型尖轨磨耗指数计算

5．3 大号码道岔尖轨各切削方式动力及磨耗评定

5．3．1 各尖轨切削方式下系统动力特性比较

5．3．2 不同切削类型尖轨磨耗指数计算

5．3．3 缓和曲线尖轨系统动力及轮轨磨耗分析

5．4 小结

第6章 道岔平面线型计算方法研究

6．1 多种道岔平面线型计算

6．1．1 单圆曲线道岔

6．1．2 复圆曲线道岔

6．1．3 圆缓曲线道岔

6．1．4 缓圆缓曲线道岔

6．1．5 平面线型评价参数

6．2 尖轨各种切削方式计算

6．2．1 切线型尖轨

6．2．2 半切线型尖轨

6．2．3 割线型尖轨

6．2．4 半割线型尖轨

6．2．5 相离半切线型尖轨

6．2．6 尖轨线型评价参数

6．3 岔枕排布方式分类

6．3．1 整体垂直于直股排布

6．3．2 辙叉区垂直于角平分线排布

6．3．3 整体扇形排布

6．4 小结

第7章 道岔平面线型计算及绘图软件的开发与应用

7．1 软件开发关键技术

7．1．1 道岔平面线型选择

7．1．2 线型计算方案分类

7．1．3 自动绘图功能实现

7．2 软件结构与功能

7．2．1 软件结构组成

7．2．2 软件功能划分

7．3 软件界面及参数设定

7．3．1 软件主窗口及参数选择

7．3．2 软件线型界面参数设定

7．3．3 岔枕排布界面使用

7．4 输出结果文件内容及作用

7．4．1 参数阅读类文件

7．4．2 绘图调用类文件

7．5 软件应用及算例分析

7．5．1 侧向低速小号码道岔设计

7．5．2 侧向高速大号码道岔设计

7．6 软件动力学评价功能拓展

7．6．1 轮轨接触关系评价功能

7．6．2 轮轨耦合振动特性评价功能

7．7 小结

第8章 结论与展望

8．1 基本结论

8．2 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目及成果