列车脱轨机理与脱轨分析理论研究

论文摘要

国内外列车脱轨时有发生，将造成铁路运输中断，甚至车毁人亡。脱轨研究从来都是各国轨道交通领域的重大课题。轨道交通运输安全研究已经纳入中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中的重点领域及优先主题。我国铁路自提速以来，货物列车脱轨呈上升趋势，脱轨在铁路行车重大、大事故中的比例高达70％左右；随着我国高速客运专线建设的广泛展开，保证列车安全运行更为重要。国内外学者对脱轨问题研究了一百多年，取得了很多很好的成果。不过，至今未弄清列车脱轨机理，在列车脱轨分析理论中尚存在三个主要问题。因此，弄清列车脱轨机理，解决三大问题，建立新的列车脱轨分析理论，将具有十分重要的理论价值、经济与社会效益。本论文取得了如下主要研究成果：1．在大量分析国内外脱轨研究现状的基础上，深刻总结出脱轨研究中存在的三个主要问题，并提出了解决这些主要问题的方法。2．首次提出了列车脱轨机理是列车—轨道（桥梁）时变系统（以下简称此系统）横向振动丧失稳定。3．提出了此系统横向振动失稳及列车脱轨的条件为：此系统横向振动极限抗力作功σc等于此系统横向振动最大输入能量σp，max；此系统横向振动稳定及列车不脱轨的条件为：σc＞σp，max。4．创立了一套新的列车脱轨能量随机分析理论，其主要内容包括：（1）考虑轮轨位移衔接条件及轮轨“游间”影响，建立了能计算列车车轮脱轨全过程的此系统空间振动矩阵方程；（2）建立了列车车轮脱轨几何准则；（3）提出了列车脱轨全过程的计算方法；（4）首次算出了列车车轮脱轨全过程振动响应及此系统横向振动极限抗力作功σc与车速V的关系曲线，并建立了σc的增量Δσc的表示式；（5）提出了此系统横向振动最大输入能量σp，max的增量Δσp，max的计算方法；（6）首次建立了此系统横向振动稳定性及列车是否脱轨的能量增量判别准则。（7）提出了预防脱轨措施及预防脱轨标准的制订方法。5．针对非正常行车条件下的列车脱轨，发明了一种列车脱轨报警器，以防脱轨后的事故进一步扩大，并获得了国家实用新型专利1项（专利号：ZL 2004 20068176.2）；针对正常行车条件下的列车脱轨（不明原因脱轨），提出了列车脱轨预警系统的技术原理，为研制列车脱轨预警系统提供了理论依据。6．在北京至通化线路上现场实测了货物列车构架蛇行波，首次得出了空载货车构架蛇行波标准差σp与车速V的关系曲线，为货物列车脱轨分析奠定了实践基础；在秦皇岛至沈阳客运专线上现场实测了高速列车构架蛇行波，首次得出了高速列车构架蛇行波标准差σp与车速V的关系曲线，为高速列车脱轨分析奠定了实践基础。7．基于列车脱轨能量随机分析理论，研发了一套具有自主知识产权的列车脱轨分析软件TDAS v1.0。首次算出了21例（9例脱轨，12例不脱轨）长大列车是否脱轨结果，计算结果均与实际情况符合，突破了列车脱轨理论分析这一世界百年难题。8．分析了长春至图们干线上33117次货物列车重大脱轨事故的原因为列车—轨道时变系统横向振动丧失稳定，分析结果得到了铁道部安检司采用。9．分析了南京长江大桥等6座横向振幅超限桥梁上的列车走行安全性，计算结果为在设计车速以内这些桥梁上的列车不会脱轨，与长期振幅超限下行车未发生脱轨的实际情况符合，分别得到上海、沈阳、郑州等铁路局的肯定及采纳，避免了桥梁换梁和加固，取得直接经效益达8400万元。解决了横向振幅超限桥梁上的列车走行安全性的分析问题。10．论证了进行桥上列车脱轨控制分析的必要性，作了武广客运专线天兴洲公铁两用大桥、胡家湾大桥及衡阳湘江特大桥上列车脱轨控制分析，分别得到中铁大桥局集团有限公司、铁道第四勘察设计院的肯定及采纳，为这些特大桥梁的设计提供了重要的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外列车脱轨研究概况
• 1.2 国内外列车脱轨研究中的主要问题及解决这些主要问题的方法
• 1.3 本文宗旨及研究思路
• 第二章 列车脱轨机理
• 2.1 反馈控制系统设计理论的启发
• 2.2 悬索桥风致自激振动失稳破坏的特性
• 2.3 列车振动的自激特性与脱轨掉道的自激失稳表现
• 2.4 列车脱轨机理
• 2.5 本章小结
• 第三章 静、动力系统稳定性分析理论综述
• 3.1 现有运动稳定性理论不能直接用于列车─轨道（桥梁）系统横向振动稳定性分析
• 3.2 系统稳定性分析理论综述
• 3.3 本章小结
• 第四章 列车脱轨能量随机分析理论
• 4.1 引言
• 4.2 列车脱轨几何准则及脱轨条件
• 4.3 列车─轨道（桥梁）系统横向振动能量随机分析理论
• 4.4 轮轨接触状态及列车脱轨全过程计算
• 4.5 列车─轨道（桥梁）系统横向振动最大输入能量与车速关系曲线及其增量的确定
• 4.6 评判列车是否脱轨的抗力作功增量与输入能量增量准则的建立
• 4.7 预防列车脱轨措施及预防脱轨标准的制订方法
• 4.8 本章小结
• 第五章 列车构架蛇形波的测试
• 5.1 测试计划
• 5.2 列车构架蛇行波标准差统计分析方法
• 5.3 京通线机车、货车构架蛇形波测试结果及其分析
• 5.4 秦沈客运专线高速动车及拖车构架蛇形波测试结果及其分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 线路上列车脱轨实例分析
• 6.1 机车、车辆空间振动分析模型
• 6.2 曲（直）线轨道空间振动分析模型
• 6.3 列车─轨道时变系统空间振动方程的建立
• 6.4 列车─轨道时变系统空间振动方程的求解及激振源
• 6.5 线路上列车脱轨实例分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 桥上列车脱轨实例分析
• 7.1 车桥时变系统空间振动方程的建立及其求解思路
• 7.2 京山线滦河老桥上列车脱轨分析
• 7.3 焦柳线酉水桥上列车脱轨分析
• 7.4 京广线黄河桥上列车脱轨分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 横向振幅超限桥梁上的列车走行性分析
• 8.1 南京长江大桥 128m 下承简支钢桁梁上列车走行性分析
• 8.2 京通线烟囱沟桥及东沟桥上列车走行性分析
• 8.3 芜湖长江大桥 32米 T 梁引桥上列车走行性分析
• 8.4 京广线颖河桥上列车走行性分析
• 8.5 京广线新郑大桥改建新桥上列车走行性分析
• 8.6 本章小结
• 第九章 武广客运专线特殊桥梁上的高速列车脱轨控制分析
• 9.1 引言
• 9.2 桥梁概况
• 9.3 桥梁空间振动分析模型
• 9.4 桥上列车脱轨控制分析方法
• 9.5 桥上列车是否脱轨计算结果及分析
• 9.6 不脱轨条件下高速列车走行舒适性计算结果及分析
• 9.7 本章小结
• 第十章 结论与今后工作
• 10.1 本文主要工作与结论
• 10.2 本文主要创新点
• 10.3 今后工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要研究成果