铁路有砟轨道下沉及高低不平顺发展预测研究

论文摘要

随着铁路向高速、重载方向发展,有砟轨道在列车动荷载作用下承受的振动与冲击增加,轨道破坏速度加剧,线路养护维修工作量增加,而可供养护维修作业的时间越来越少,出现了运输和养护维修之间的矛盾。如何更好地处理这一矛盾,是现代铁路轨道养护维修管理亟待解决的问题。高（快）速行车条件下,及时了解和掌控轨道状态及其变化规律,合理制订一套能有效处理运输和养护维修之间矛盾的管理体系是时代发展的趋势和必然要求,而我国在轨道管理方面,无论是基础理论研究还是系统开发应用与国外铁路发达国家相比,都存在一定差距。因此,在我国高（快）速铁路大力发展之际,不失时机地开展轨道管理基础研究工作,具有重要意义。本文在简要概述国内外铁路轨道维修管理状况、轨道管理基础理论研究与应用系统开发以及车辆-轨道耦合动力学研究历史和现状基础上,针对铁路车辆、轨道、线路基础间的动态相互作用问题,提出将车辆-轨道耦合振动系统与轨道下沉变形相结合,以车辆动力学、轨道动力学、轨道下沉变形机理为基础,应用计算机数值仿真方法研究铁路轨道在车辆移动荷载作用下的下沉变形以及由此产生的轨道不平顺动态变化,预测轨道不平顺发展的研究思路。轨道累积下沉计算模型与车辆-轨道耦合振动模型是轨道累积下沉及不平顺发展仿真预测的基础。为此,本文总结分析了国内外现有轨道下沉模型及其特点,为选择合适的模型作为仿真分析之用奠定了基础。轨道不平顺发展是衡量轨道下沉破坏的重要指标之一。本文对轨道不平顺含义、分类及轨道不平顺有关特性阐述基础上,着重总结了轨道不平顺管理标准、不平顺发展预测两方面的研究状况及存在的问题。在对国内外轨道高低不平顺发展预测研究方法总结基础上,提出了基于轨道下沉和轨面高低不平顺发展间关系的高低不平顺发展预测模型。基于车辆-轨道耦合动力学理论思想,建立了具有二系悬挂的整车车辆-轨道垂向耦合动力学模型。模型中轨道采用三层弹性离散点支承梁模型,能充分反映道床的动力影响和模拟道床板结、轨枕空吊等局部动力性不平顺的影响。通过仿真算例,验证了车辆-轨道垂向耦合动力学模型和仿真程序的正确性。基于京广线K80+000～K160+000区间轨道不平顺动态检测数据,应用数理统计方法,对轨道动态不平顺进行了统计分析。以高低不平顺为例,研究了轨道不平顺的概率分布特征。分析了轨道不平顺区段最大值和区段标准差间相关关系以及不同单元区段划分长度对两者相关关系的影响。再现了实际轨道不平顺发展变化规律,分析了不同轨道结构条件、线路基础条件以及运营条件对轨道不平顺状态、概率分布及其发展变化的影响。在上述统计分析基础上,分析讨论了基于不平顺概率分布特征的不平顺发展统计预测方法,比较了几种统计预测模型的预测效果和预测精度,分析了状态转移概率矩阵法在不平顺发展预测方面的应用。根据轨道状态发展变化规律,建立了轨道状态长时性发展预测模型,通过算例,分析了预测模型的可行性。应用轨道动态下沉研究方法,通过将车辆-轨道垂向耦合动力学模型、轨道下沉模型和高低不平顺发展模型相联系开发仿真程序,分析了有砟轨道动态下沉特性,探讨了有砟轨道下沉主要影响参数,提出在有砟轨道结构设计中要考虑轨道下沉变形影响。轨道累积下沉和高低不平顺发展间存在一定关系。以既有线轨道结构参数、运营条件为仿真参数,利用仿真分析程序,分析了实际线路轨道不平顺发展状况和发展变化规律,并与实测状况进行了对照,验证了仿真预测方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外铁路轨道维修管理概况
• 1.3 轨道管理基础理论及应用系统研发状况
• 1.3.1 国内外轨道下沉破坏研究概况
• 1.3.2 轨道不平顺发展预测研究概况
• 1.3.3 轨道维修管理信息系统研发概况
• 1.4 车辆-轨道动态相互作用研究概况
• 1.5 本文研究目标和主要研究内容
• 第2章 有砟轨道结构特征与下沉破坏
• 2.1 有砟轨道结构特征
• 2.1.1 散粒体道床特性
• 2.1.2 散粒体道床物理、力学性能
• 2.1.3 散粒体道床特性数值模拟
• 2.2 有砟轨道累积下沉研究方法与模型
• 2.2.1 轨道累积下沉研究方法
• 2.2.2 轨道累积下沉模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 轨道不平顺特征与发展预测方法
• 3.1 轨道不平顺分类及其描述
• 3.1.1 轨道不平顺分类
• 3.1.2 轨道不平顺特性
• 3.1.3 轨道不平顺管理标准
• 3.2 轨道不平顺发展预测模型研究
• 3.2.1 国内外轨道不平顺发展预测研究
• 3.2.2 基于轨道累积下沉的高低不平顺发展预测模型
• 3.3 本章小结
• 第4章 车辆/轨道垂向相互作用模型与仿真分析
• 4.1 车辆-轨道垂向耦合动力学建模
• 4.1.1 车辆-轨道垂向耦合系统建模原则
• 4.1.2 车辆-轨道垂向耦合动力学模型
• 4.2 车辆轨道振动微分方程
• 4.2.1 车辆振动微分方程
• 4.2.2 轨道振动微分方程
• 4.2.3 轮轨耦合关系
• 4.2.4 动力学统一方程及求解
• 4.3 车辆-轨道耦合振动计算机仿真
• 4.3.1 车辆-轨道垂向耦合振动仿真程序组成及计算流程
• 4.3.2 车辆-轨道垂向耦合振动仿真分析
• 4.3.3 道床振动参数影响分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 轨道不平顺统计分析与发展预测
• 5.1 轨道不平顺动态检测数据基本统计
• 5.1.1 不平顺动态检测数据样本
• 5.1.2 不平顺样本区段统计量
• 5.1.3 不平顺频率分布直方图
• 5.2 轨道不平顺概率分布函数研究
• 5.2.1 概率分布函数选取
• 5.2.2 分布函数拟合优度检验
• 5.3 轨道不平顺区段最大值和标准差关系分析
• 5.3.1 不同检测时间高低不平顺区段最大值和标准差关系
• 5.3.2 不同区间高低不平顺区段最大值和标准差关系
• 5.3.3 不同类型不平顺区段最大值和标准差关系
• 5.3.4 上下行线路轨道不平顺区段最大值和标准差关系
• 5.4 轨道不平顺发展变化实态
• 5.4.1 高低不平顺发展变化规律
• 5.4.2 不同结构和基础条件对不平顺状态及其发展的影响
• 5.4.3 不同提速区间不平顺状态及发展恶化状况
• 5.4.4 运输条件对不平顺发展的影响
• 5.5 轨道不平顺发展预测研究
• 5.5.1 基于概率分布函数的高低不平顺发展预测
• 5.5.2 不平顺发展统计预测方法比较
• 5.5.3 转移概率矩阵法在不平顺发展预测方面的应用
• 5.5.4 轨道不平顺长时性发展预测
• 5.6 本章小结
• 第6章 轨道累积下沉仿真分析
• 6.1 轨道累积下沉仿真分析
• 6.1.1 仿真计算模型
• 6.1.2 仿真计算条件
• 6.1.3 仿真计算结果与分析
• 6.2 轨道累积下沉参数影响分析
• 6.2.1 运输条件的影响
• 6.2.2 轨道结构参数的影响
• 6.3 考虑轨道下沉的有砟轨道新设计理论
• 6.4 本章小结
• 第7章 轨道不平顺发展变化的仿真预测与验证
• 7.1 线路运营条件和轨道结构条件
• 7.2 高低不平顺发展变化的仿真预测值与实测值比较
• 7.2.1 高低不平顺月平均发展预测值与实测值比较
• 7.2.2 高低不平顺3个月平均发展预测值与实测值比较
• 7.2.3 高低不平顺年平均发展预测值与实测值比较
• 7.3 不同轨道下沉模型对高低不平顺发展预测结果的影响
• 7.4 高低不平顺随时间变化规律
• 7.5 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的论文及参加的科研工作