客运专线无碴轨道高速列车走行安全性分析理论与应用研究

论文摘要

无碴轨道是高速铁路轨道结构的发展方向,我国正在大力兴建以成区段铺设无碴轨道为主的客运专线。虽然我国针对无碴轨道进行了大量的理论和试验研究,但客运专线无碴轨道建设仍缺乏成熟经验,主要依靠引进国外无碴轨道技术。如何理解、消化和吸收国外无碴轨道技术,并对其进行再创新,最终实现洋为中用就成了当务之急。尤其重要的是,如何从理论上确保高速列车在客运专线无碴轨道上走行时有较高的安全度,如何通过理论分析得到的结论来指导无碴轨道的设计、施工和运营。因此,通过理论研究解决上述问题将具有重要的理论价值和社会、经济意义。本论文取得了如下主要研究成果：1.提出了高速列车—无碴轨道时变系统空间振动分析理论,其主要内容包括：（1）基于横向有限条与板段单元法,建立了无碴轨道结构空间振动分析模型,推导了无碴轨道空间振动总势能；（2）将高速列车及无碴轨道视为一个整体系统,考虑车轮悬浮、轮轨位移衔接条件及轮轨“游间”的影响,采用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了高速列车—无碴轨道时变系统空间振动方程；（3）以高速列车构架蛇行波为此系统横向振动激振源,以轨道竖向不平顺为此系统竖向振动激振源,利用Wilson-θ数值积分法求解方程；（4）基于Fortran PowerStation 4.0平台,采用Fortran语言编制了相应的计算机程序。2.计算了高速列车—无碴轨道时变系统空间振动响应,通过与实测结果的比较,以及对计算得到的系统振动响应波形图及量值的分析,证明了本文所建立的无碴轨道结构空间振动分析模型及程序的正确性与可靠性。3.通过大量分析系统动力学参数对高速列车—无碴轨道时变系统空间振动响应的影响规律,提出了无碴轨道结构设计参数建议取值范围。其中,提出了水泥沥青砂浆应具有较高强度、较低弹性模量的新观点,为我国板式无碴轨道结构用水泥沥青砂浆的研发指出了技术方向。根据本文提出的参数值,由中南大学研发的水泥沥青砂浆材料已成功应用于武广客运专线5 km长的板式无碴轨道试验段。4.基于列车脱轨能量随机分析理论,进行了高速列车在无碴轨道上的脱轨全过程计算机仿真,首次算出了高速列车脱轨全过程振动响应,并确定了高速列车—无碴轨道时变系统横向振动极限抗力作功σc与车速V的关系；针对我国客运专线典型无碴轨道结构,分析了高速列车在设计车速以内在无碴轨道上的走行安全性,并计算了其安全度。5.基于列车脱轨能量随机分析理论,提出了列车—轨道系统横向振动失稳临界车速概念及其计算方法,并首次计算了车轨系统横向振动失稳临界车速和具有安全系数K的车轨系统容许极限车速。6.建立了横风—列车—轨道时变系统空间振动分析方法,研究了横风对高速列车—无碴轨道时变系统空间振动响应的影响规律,分析了横风作用对高速列车在无碴轨道上走行安全性的影响,模拟了横风作用下高速列车的脱轨全过程,得出了控制高速列车脱轨的临界风速值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文的研究背景与意义
• 1.2 本课题的历史与现状
• 1.2.1 国内外无碴轨道结构研究及应用概况
• 1.2.2 列车（车辆）—轨道系统振动研究概况
• 1.2.3 国内外列车脱轨研究概况
• 1.3 国内外研究中存在的主要问题及本文宗旨
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 高速列车—无碴轨道时变系统空间振动分析理论研究
• 2.1 概述
• 2.2 无碴轨道空间振动分析模型的建立
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 钢轨位移插值
• 2.2.3 轨道板位移插值
• 2.2.4 底座位移插值
• 2.3 无碴轨道空间振动总势能的导引
• 2.3.1 钢轨的弹性变形能
• 2.3.2 钢轨的惯性力势能
• 2.3.3 轨道板的弹性变形能
• 2.3.4 轨道板的惯性力势能
• 2.3.5 混凝土底座的弹性变形能
• 2.3.6 混凝土底座的惯性力势能
• 2.3.7 钢轨与轨道板之间的弹簧变形能及阻尼力势能
• 2.3.8 轨道板与混凝土底座之间的弹簧变形能及阻尼力势能
• 2.3.9 路基表层的弹簧变形能及阻尼力势能
• 2.4 高速列车空间振动分析模型的建立
• 2.5 高速列车—无碴轨道时变系统空间振动总势能的导引
• 2.6 形成系统矩阵的"对号入座"法则简介
• 2.7 高速列车—无碴轨道时变系统空间振动矩阵方程的建立与求解
• 2.7.1 此系统空间振动矩阵方程的建立
• 2.7.2 此系统空间振动激振源的确定
• 2.7.3 此系统空间振动矩阵方程的求解
• 2.8 高速列车—无碴轨道时变系统空间振动分析模型的程序验证
• 2.9 小结
• 第三章 高速列车—无碴轨道时变系统空间振动响应分析
• 3.1 高速列车—双块式无碴轨道时变系统振动响应计算结果与分析
• 3.2 高速列车—板式无碴轨道时变系统振动响应计算结果与分析
• 3.3 小结
• 第四章 系统动力学参数合理值分析
• 4.1 轨道参数对高速列车—双块式无碴轨道时变系统振动响应的影响
• 4.1.1 扣件横向刚度的影响
• 4.1.2 扣件竖向刚度的影响
• 4.1.3 路基表层竖向刚度的影响
• 4.1.4 道床板厚度的影响
• 4.2 轨道、车辆参数对高速列车—板式无碴轨道时变系统振动响应的影响
• 4.2.1 扣件横向刚度的影响
• 4.2.2 扣件竖向刚度的影响
• 4.2.3 路基表层竖向刚度的影响
• 4.2.4 轨道板厚度的影响
• 4.2.5 CAM弹性模量的影响
• 4.2.6 钢轨扣件竖向刚度与CAM弹性模量的匹配关系
• 4.2.7 钢轨质量的影响
• 4.2.8 车辆参数的影响
• 4.3 小结
• 第五章 设计车速下高速列车在无碴轨道上的走行安全性评估
• 5.1 概述
• 5.2 列车脱轨能量随机分析理论简介
• 5.3 双块式无碴轨道上高速列车走行安全性评估
• 5.4 板式无碴轨道上高速列车走行安全性评估
• 5.5 小结
• 第六章 列车—轨道系统横向振动失稳临界车速分析
• 6.1 车—轨系统横向振动失稳临界车速概念与分析方法
• 6.2 高速列车—双块式无碴轨道系统横向振动失稳临界车速计算
• 6.3 高速列车—板式无碴轨道系统横向振动失稳临界车速计算
• 6.4 小结
• 第七章 横风作用下高速列车脱轨与倾覆控制研究
• 7.1 概述
• 7.2 横风作用下的高速列车—无碴轨道时变系统空间振动分析方法
• 7.3 风速对高速列车—无碴轨道时变系统空间振动响应的影响
• 7.4 横风作用下高速列车脱轨或倾覆全过程的计算机仿真
• 7.5 控制高速列车脱轨或倾覆的临界风速研究
• 7.6 小结
• 第八章 结论及展望
• 8.1 本文的主要工作与结论
• 8.2 本文的主要创新点
• 8.3 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果