跨座式单轨交通系统结构静动力行为研究

论文摘要

跨座式单轨交通具有爬坡能力强、能适应较小曲线半径的特点,特别适合地面起伏较大的山区城市。跨座式单轨交通技术已经在我国重庆得以应用,该交通系统明显区别于传统钢轮-钢轨制式的轨道交通系统。其轨道梁既是承重桥梁结构又是车辆运行轨道,在使用过程中要经历车轮疲劳循环荷载作用,因此轨道梁结构的耐疲劳性能和承载能力十分重要;跨座式单轨交通车辆转向架构造独特,其运行、导向机理和轮轨接触关系以及轨道梁表面不平度等均不同于其他轨道交通工具,因此其车桥动力相互作用具有独特之处,并影响着跨座式单轨车辆的乘坐舒适性:独特的车辆走行部结构决定了跨座式单轨车辆不存在传统意义上的脱轨现象,因此乘坐舒适性是唯一重要的车辆运行性能评定指标。本文在总结和吸取前人研究成果的基础上,针对我国首次引进的跨座式单轨交通技术,主要进行了以下几个方面的研究工作:1、国内首次对跨座式单轨交通系统22mPC轨道直梁、20mPC轨道曲梁及相应支座进行了系统的模拟试验研究,主要包括静力弯曲、扭转试验,300万次跨中弯曲疲劳试验,300万次梁端剪切疲劳试验,梁体开裂、重裂和破坏试验等;并在试验研究成果的基础上,针对后期工程提出了PC轨道梁系统相应的设计、施工建议。2、针对跨座式单轨交通车辆走行部结构特点,建立了15个自由度的跨座式单轨交通车辆动力学模型,并推导了相应的运动方程;建立了跨座式单轨交通车辆充气轮胎的线性力学模型,推导了跨座式单轨车辆各充气轮胎的侧偏角,并给出了跨座式单轨车辆走行轮、导向轮和稳定轮的径向力、侧偏力、回正力矩以及走行轮纵向滑转特性表达式:在此基础上,对跨座式单轨交通车辆转向架与轨道梁之间的轮轨相互作用关系进行了详细推导。3、对铁路轨道不平顺进行了概述,借鉴日本文献实测轨道梁表面不平度的功率谱密度函数和国内外公路路面不平整度模型,对跨座式单轨交通轨道梁表面不平度及其数学描述进行了研究:建立了跨座式单轨交通车桥耦合振动系统的运动方程,对其数值求解方法进行了比较与分析,并编制了车桥耦合振动计算程序。4、对比分析重庆跨座式单轨交通典型区段轨道梁的车桥动力响应计算和实测结果,对所建立的车桥耦合振动理论模型及自编计算程序进行了试验验证;以重庆跨座式单轨交通典型区段Z206-25轨道梁为标准梁体,运用所编制程序,对列车运行速度、轨道梁跨度、轨道梁梁体质量、轨道梁表面平整度状况、车辆载重、车辆悬挂系统以及车辆轮胎等参数变化对车桥动力响应的影响进行了研究,获得了一些规律性认识。5、对普通铁路、城市轨道交通等钢轮钢轨制式轨道交通系统的各种乘坐舒适性评价指标进行了总结与分析;在此基础上,对跨座式单轨交通车辆的乘坐舒适性评价指标进行了研究,采用舒适度和平稳性指标同时对跨座式单轨交通车辆的乘坐舒适性进行评价,并建立了相应的计算方法和评定等级;根据所建立的跨座式单轨列车乘坐舒适性评价标准,对重庆跨座式单轨交通车辆的乘坐舒适性进行了测试与评定,并对所采用的舒适度与平稳性两种指标进行了对比分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义及背景
• 1.2 跨座式单轨交通系统的模式、发展及特点
• 1.2.1 悬挂式单轨交通及其发展
• 1.2.2 跨座式单轨交通及其发展
• 1.2.3 跨座式单轨交通系统的特点
• 1.3 跨座式单轨交通系统结构静动力行为的研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 存在的问题
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 跨座式单轨交通PC轨道梁系统模拟试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 PC轨道梁静载试验
• 2.2.1 试验概况
• 2.2.2 静载试验结果与分析
• 2.3 PC轨道梁疲劳试验
• 2.3.1 试验概况
• 2.3.2 弯曲疲劳试验结果及分析
• 2.3.3 梁体动力特性疲劳试验结果及分析
• 2.3.4 梁端及支座疲劳试验结果及分析
• 2.4 PC轨道梁开裂、重裂及破坏试验
• 2.4.1 试验概况
• 2.4.2 静载开裂、重裂、破坏试验结果与分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 跨座式单轨车辆、轨道梁动力有限元模型
• 3.1 引言
• 3.2 跨座式单轨交通车辆动力学模型及运动方程的建立
• 3.2.1 走行部结构
• 3.2.2 系统自由度、符号与基本假设
• 3.2.3 跨座式单轨交通车辆空间动力学模型
• 3.2.4 跨座式单轨交通车辆动力学方程
• 3.3 轨道梁动力分析的有限元模型
• 3.3.1 离散系统的Hamilton原理
• 3.3.2 桥梁动力分析的有限元法
• 3.3.3 单元力学特性矩阵
• 3.3.4 坐标转换
• 3.3.5 桥梁结构振动的特征值问题
• 3.4 本章小结
• 第4章 充气轮胎模型及轮轨接触关系
• 4.1 引言
• 4.2 充气轮胎及其力学模型
• 4.2.1 充气轮胎功能、结构及应用
• 4.2.2 充气轮胎模型及其发展
• 4.2.3 轮胎标准坐标系
• 4.2.4 充气轮胎的滚动与振动力学特性
• 4.2.5 跨座式单轨交通车辆的充气轮胎力学模型
• 4.3 轮胎力与力矩
• 4.3.1 走行轮轮胎力与力矩
• 4.3.2 导向轮轮胎力与力矩
• 4.3.3 稳定轮轮胎力与力矩
• 4.4 虚拟轮轨相互作用力
• 4.4.1 作用在转向架上的轮轨作用力
• 4.4.2 作用在轨道梁的轮轨作用力及空间梁单元的等效节点力
• 4.5 本章小结
• 第5章 激励源及车桥系统方程的建立与求解
• 5.1 引言
• 5.2 轨道梁表面不平度
• 5.2.1 铁路轨道不平顺
• 5.2.2 跨座式单轨交通轨道梁表面不平度及其数学描述
• 5.2.3 公路路（桥）面不平度及其数学描述
• 5.2.4 轨道梁表面不平度的数值模拟
• 5.3 车桥耦合振动系统方程的建立及求解
• 5.3.1 车桥耦合振动方程的数值解法
• 5.3.2 车桥系统耦合振动分析的程序实现
• 5.4 本章小结
• 第6章 车桥耦合振动理论试验验证及影响因素分析
• 6.1 引言
• 6.2 车桥耦合振动分析理论试验验证
• 6.2.1 重庆跨座式单轨交通典型区段轨道梁及试验概况
• 6.2.2 典型区段轨道梁（Z206-25）自振特性分析
• 6.2.3 典型区段轨道梁（Z206-25）车桥耦合振动响应试验验证
• 6.3 跨座式单轨交通车桥耦合振动影响因素分析
• 6.3.1 列车运行速度的影响
• 6.3.2 轨道梁跨度的影响
• 6.3.3 轨道梁质量的影响
• 6.3.4 轨道梁垂向表面不平度的影响
• 6.3.5 车辆模型参数的影响
• 6.3.6 车辆载重的影响
• 6.3.7 轮胎侧偏特性的影响
• 6.3.8 不同车速下侧偏角、侧偏力和径向力等轮胎特性变化规律
• 6.3.9 PC轨道梁动力系数探讨
• 6.4 本章小结
• 第7章 跨座式单轨交通车辆乘坐舒适性研究
• 7.1 引言
• 7.2 乘坐舒适性及其评价指标
• 7.2.1 旅客乘坐舒适性
• 7.2.2 乘坐舒适性评价指标
• 7.3 重庆跨座式单轨交通车辆乘坐舒适性评价指标
• 7.3.1 乘坐舒适度计算方法和评定等级
• 7.3.2 平稳性指标计算方法和评定等级
• 7.4 重庆跨座式单轨交通车辆乘坐舒适性测试与评估
• 7.4.1 试验概况
• 7.4.2 试验结果及分析
• 7.5 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1:附图2-1～2-12
• 附录2:车辆参数及其物理意义
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 参加的科研项目与工程实践