提速和高速铁路曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配研究

摘要

由于提速和高速带来的曲线轨道轮轨系统相互作用问题，在实际运营中更显突出，对轮轨动力学性能匹配技术提出了更高的要求。本论文基于车辆—轨道耦合动力学理论，针对提速和高速铁路，开展了曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配研究。
　　论文首先基于车辆—轨道耦合动力学理论，以铁路线路为研究对象，提出了曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配技术，包括:曲线轨道轮轨动态相互作用分析模型、实测轮轨型面的轮轨接触几何关系、轮轨动态相互作用计算机仿真分析软件TTISIM、主要动力性能指标评价标准、曲线轨道轮轨动态相互作用匹配原理及研究思路。
　　接着，分析了轨道结构振动及轨道结构关键参数对曲线轨道轮轨动力性能的影响，并讨论了钢轨翻转运动对曲线轨道轮轨动力性能的影响。结果表明:考虑轨道结构参振，轮轨相互作用性能指标均大于不考虑轨道结构振动的值;对于轨道结构振动模型，不考虑钢轨扭转变形时的轮轨动力性能指标值大于考虑扭转变形时的值，且两者之间差异在10％以内;轨下支承横向及垂向刚度对曲线轨道轮轨动力性能有较明显的影响。
　　运用曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配技术，分析了既有提速铁路曲线轨道的轮轨动态相互作用性能。结果表明，提速列车通过既有铁路曲线轨道时，轮轨动态相互作用较剧烈;牵引力可改变轮轨纵向蠕滑力的大小和方向，影响轮轨动态相互作用性能;列车提速到200～250km/h速度后，轮重减载较明显，其主因是轨道上存在1～2.5m波长范围不平顺，降低1～2.5m波长范围的高低不平顺幅值可以有效减小轮重减载率，提高列车的运行安全性能，该研究结果为铁路提速工程提供了理论支撑。
　　采用理论分析与现场试验相结合的方法，分析了山区铁路小半径曲线强化轨道动力性能。结果表明:强化改造技术方案有利于控制轨道结构振动位移或变形，有利于提高轨道结构稳定性，因而能够减少线路养护维修工作量。该研究结果为山区铁路小半径曲线轨道提速对策的制订及推广应用提供了理论与试验依据。
　　最后，分析了高速铁路曲线轨道的轮轨动态相互作用性能匹配。结果表明:高速运营条件下曲线轨道外侧轮轨接触范围较大，而内侧轮轨接触点范围较窄;在波浪形磨耗不平顺激扰下，曲线轨道的轮轨动力作用明显加剧;在轨道随机不平顺激扰下，对于本文设置的高速铁路平纵断面零距离衔接工况，所有安全性指标及舒适性指标均满足要求。最后以广深港客运专线设计阶段的珠江段平纵断面比选的工程为例，介绍了高速铁路曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配的工程应用情况。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 机车车辆曲线通过机理及算法分析研究

1．2．2 车辆曲线通过性能分析与评估

1．2．3 车辆参数对曲线通过性能影响研究

1．2．4 线路结构参数对曲线通过性能影响研究

1．3 本文的主要研究内容

第2章 铁路曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配技术

2．1 曲线轨道轮轨动态相互作用性能分析模型

2．1．1 动力学分析模型

2．1．2 实测轮轨型面的接触几何关系

2．2 轮轨动态相互作用计算机仿真

2．2．1 动力学仿真分析系统TTISIM

2．2．2 TTISIM系统仿真结果的试验验证

2．3 曲线轨道轮轨动态相互作用性能评价

2．3．1 轮轨动态相互作用性能评价指标体系

2．3．2 轮轨动态相互作用性能评价标准

2．4 曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配研究的技术思路

2．4．1 曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配原理

2．4．2 曲线轨道轮轨动态相互作用性能匹配研究思路

2．5 本章小结

第3章 轨道结构振动对曲线轨道轮轨动力性能影响分析

3．1 轨道结构振动和静止状态下曲线轨道轮轨动力性能对比

3．1．1 小半径曲线轨道的轮轨横向相互作用结果之比较

3．1．2 大半径曲线的轮轨横向相互作用结果之比较

3．2 钢轨翻转运动对曲线轨道轮轨动力性能的影响

3．3 轨道结构参数对曲线轨道轮轨动力性能的影响

3．3．1 轨下横向支承刚度的影响

3．3．2 轨下垂向支承刚度的影响

3．4 本章小结

第4章 提速铁路曲线轨道的轮轨动态相互作用性能

4．1 提速铁路平面曲线轨道的轮轨横向动态相互作用特征

4．1．1 小半径提速曲线的轮轨横向相互作用

4．1．2 时速160km提速客车与曲线轨道的轮轨横向相互作用

4．1．3 时速120km提速货物列车与曲线轨道的轮轨横向相互作用

4．2 机车牵引状态下通过平面曲线轨道时轮轨动态相互作用

4．2．1 机车牵引状态下曲线通过时的轮轨横向相互作用特征

4．2．2 轮对圆周牵引力大小对导向性能的影响

4．2．3 与惰行工况时的曲线通过导向特性之对比

4．3 提速列车通过竖曲线时的轮轨动态安全性能匹配

4．3．1 高低和轨向随机不平顺对减载率的影响

4．3．2 不同波长下减载率对比分析

4．3．3 短波不平顺幅值控制效果对比

4．4 本章小结

第5章 山区铁路小半径曲线轨道的轮轨动态相互作用性能匹配研究

5．1 山区铁路小半径曲线轨道特点及其强化技术

5．1．1 山区铁路小半径曲线轨道动力问题

5．1．2 西南山区铁路小半径曲线强化改造技术

5．2 山区铁路小半径曲线强化轨道动力性能的理论分析

5．2．1 轮轨动态安全性指标的计算结果与分析

5．2．2 轨道结构位移的计算结果与分析

5．2．3 轨道结构振动加速度的计算结果与分析

5．3 山区铁路小半径曲线强化轨道动力性能的现场试验

5．3．1 现场试验简介

5．3．2 轮轨动态安全性指标的测试结果与分析

5．3．3 轨道结构位移的测试结果与分析

5．3．4 轨道结构振动加速度的测试结果与分析

5．4 本章小结

第6章 高速铁路曲线轨道的轮轨动态相互作用性能匹配研究

6．1 车辆高速通过平面曲线时的轮轨动态相互作用特征

6．1．1 随机不平顺激扰下平面曲线轨道的轮轨动态相互作用特征

6．1．2 高速铁路曲线轨道过、欠超高条件下轮轨动力特性

6．1．3 波磨激扰下平面曲线轨道的轮轨动态相互作用特征

6．2 高速铁路平纵断面参数匹配的轮轨动态性能特征

6．2．1 高速铁路竖曲线与平面曲线位置的合理匹配

6．2．2 高速铁路几种典型纵断面的轮轨动力性能比较

6．3 工程应用研究

6．3．1 广深港客运专线珠江段平纵断面的工程背景简介

6．3．2 沙仔岛长隧与桥隧方案的轮轨动力性能对比分析

6．3．3 海鸥岛长隧与桥隧方案的轮轨动力性能对比分析

6．3．4 沙仔岛与海鸥岛的长隧方案对比分析

6．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及参加科研项目情况