高速道岔尖轨与心轨转换及控制研究

论文摘要

近几年的铁路大提速、客运专线及京沪高速铁路的修建标志着我国铁路将全面进入高速时代。作为高速铁路的关键设备,高速道岔最高过岔速度达到了350 km/h。为确保高速列车运行的平稳、舒适和安全,高速道岔国产化研究中的设计、制造及养护维修等一系列问题急待解决。本文就高速道岔设计及使用阶段的关键技术难点:可动尖轨与心轨的牵引转换及控制进行了全面系统的研究,包括力学模型、计算方法和程序等,并应用于我国高速道岔结构设计分析中,为客运专线18号、42号道岔转换设计提供了理论基础。此外,本文还分析了转换不平顺对道岔动力性能的影响。本文的主要工作如下:(1)在全面总结和分析国内外高速道岔的技术特点、牵引转换及道岔动力学研究现状的基础上,针对高速道岔长大尖轨与心轨转换控制问题,提出了以整组道岔为研究对象,以有限元方法为基础,以减小牵引点扳动力、不足位移及道岔动力性能为目标的研究思路。(2)通过分析尖轨与心轨特殊结构型式,提出了采用非线性回归分析法对尖轨与心轨截面特性进行二次多项式拟合,解决了尖轨、心轨截面非常复杂、梁面积及惯性矩不是线性变化带来的建模和计算问题,实现了用截面非线性变化梁单元来模拟尖轨及心轨,并建立了相应的梁单元刚度矩阵,为更准确模拟尖轨与心轨的转换提供了基础。(3)考虑道岔系统结构特点、受力特性和牵引转换机理建立了道岔转换分析模型,对转换中扣件、滑床板摩擦力、顶铁及密贴作用等因素进行了模拟,并编制了转换仿真程序,实现了道岔尖轨与心轨转换过程的动态仿真,并对转换仿真程序进行了验证。(4)将转换仿真程序应用于客运专线18号道岔和42号道岔尖轨转换初步设计中,对牵引点布置、牵引动程、转换时间差等因素对尖轨扳动力及不足位移的影响进行了计算分析,并对牵引方案进行了优化,为设计和试验提出了合理的建议及结构参数。(5)将转换仿真程序应用客运专线18号道岔单肢弹性可弯心轨和42号道岔双肢弹性可弯心轨转换初步设计中,对心轨结构型式、可动段长度、扣件扣压状态、牵引动程、转换时间差、夹异物等因素的影响进行了计算分析,并通过试验反馈和理论计算进一步优化了转换设计,得到了合理的转换方案。(6)总结分析了一机多点的牵引方式和工作原理,建立了一机多点牵引时转辙机电动力的计算方法,以法国Cogifer 18、41号高速道岔为例进行了转换仿真计算,对高速道岔一机多点和多机多点两种牵引方式进行了系统的比较,并提出了合理建议。(7)考虑轮轨接触特性及道岔结构中的线性、非线性因素,建立车辆—道岔耦合动力学计算模型,对理想状态和存在不足位移或夹异物情形下列车直、侧逆向过岔时动力响应进行了模拟分析,对轮缘力、车体加速度、减载率、脱轨系数等指标进行了比较。本文建立的高速道岔尖轨与心轨转换控制分析理论体系是比较完善的,计算模型、方法和程序正确的,仿真程序分析的结果是可信的,客运专线18号道岔和42号道岔研制成功并正式生产表明本文的工作对高速道岔结构设计具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 道岔概述
• 1.1.1 道岔的发展
• 1.1.2 道岔的分类
• 1.1.3 高速道岔设计理念
• 1.2 高速道岔的技术特点及难点
• 1.2.1 国外高速道岔的技术特点
• 1.2.2 我国高速道岔的技术特点
• 1.2.3 过岔速度的影响因素
• 1.2.4 高速道岔结构设计的技术难点
• 1.3 道岔转换控制研究的概况
• 1.3.1 国外的研究现状
• 1.3.2 国内的研究现状
• 1.4 道岔动力学研究的概况
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第2章 尖轨与心轨的截面特性模拟
• 2.1 尖轨与心轨的截面特性
• 2.1.1 特种断面钢轨的选型
• 2.1.2 尖轨截面特性
• 2.1.3 心轨截面特性
• 2.2 变截面梁单元刚度矩阵
• 2.2.1 等截面梁单元刚度矩阵
• 2.2.2 变截面梁单元刚度矩阵
• 2.3 截面特性的数值拟合
• 2.3.1 非线性回归分析
• 2.3.2 截面取值比较
• 2.4 客运专线18号道岔截面参数
• 2.4.1 尖轨截面模拟
• 2.4.2 心轨截面模拟
• 2.5 客运专线42号道岔截面参数
• 2.5.1 尖轨截面模拟
• 2.5.2 拼结式双肢心轨截面模拟
• 2.5.3 锻造式双肢心轨截面模拟
• 第3章 道岔转换计算理论
• 3.1 道岔牵引转换机理
• 3.2 转换模型及计算原理
• 3.2.1 转换分析模型
• 3.2.2 转换计算原理
• 3.3 转换仿真计算程序的实现
• 3.3.1 程序中的关键方法
• 3.3.2 计算程序流程及功能
• 3.4 计算参数选取及试验验证
• 3.4.1 滑床板及滚轮摩擦系数的测试
• 3.4.2 转换中非线性参数的选取
• 3.4.3 计算程序的验证
• 第4章 高速道岔尖轨转换设计
• 4.1 尖轨可动段长度的确定
• 4.2 牵引点布置对转换的影响
• 4.2.1 客运专线18号道岔
• 4.2.2 客运专线42号道岔
• 4.3 摩擦力对尖轨转换的影响
• 4.3.1 设置普通滑床板
• 4.3.2 设置滚轮滑床板
• 4.4 跟端结构对转换的影响
• 4.4.1 扣件横向支撑刚度的影响
• 4.4.2 设置间隔铁结构的影响
• 4.4.3 扣件扣压状态的影响
• 4.5 设置反变形减小不足位移
• 4.6 其它因素对尖轨转换的影响
• 4.6.1 夹异物对尖轨转换的影响
• 4.6.2 动程偏差对尖轨转换的影响
• 4.6.3 转换时间差对尖轨转换的影响
• 4.7 尖轨牵引转换试验
• 4.7.1 客运专线18号道岔转换试验
• 4.7.2 客运专线42号道岔转换试验
• 4.8 小结
• 第5章 高速道岔心轨转换设计
• 5.1 单肢弹性可弯心轨转换
• 5.1.1 牵引点间距的影响
• 5.1.2 滑床板摩擦力的影响
• 5.1.3 扣件扣压状态的影响
• 5.2 拼结式双肢心轨转换
• 5.2.1 滑床板摩擦力的影响
• 5.2.2 跟端横向刚度的影响
• 5.2.3 牵引转换优化设计
• 5.3 整体锻造式双肢心轨转换
• 5.3.1 滑床板摩擦力的影响
• 5.3.2 增加可动段长度
• 5.3.3 调整牵引点动程
• 5.4 其它因素对心轨转换的影响
• 5.4.1 夹异物对心轨转换的影响
• 5.4.2 动程偏差对心轨转换的影响
• 5.4.3 转换时间差对心轨转换的影响
• 5.5 小结
• 第6章 高速道岔牵引方式的研究
• 6.1 高速道岔牵引方式比较
• 6.1.1 高速道岔的牵引方式
• 6.1.2 一机多点的计算原理
• 6.2 Cogifer高速道岔转换分析
• 6.2.1 18号高速道岔转换计算
• 6.2.2 41号高速道岔转换计算
• 6.3 转辙机电动力增大因素分析
• 6.3.1 动程偏差的影响
• 6.3.2 转换时间差的影响
• 6.3.3 滚轮及滑床板状态不佳的影响
• 6.4 小结
• 第7章 转换不到位对道岔动力响应的影响
• 7.1 转换不到位与道岔平顺性
• 7.1.1 不足位移导致的不平顺
• 7.1.2 夹异物导致的不平顺
• 7.2 车岔耦合计算模型及评价指标
• 7.2.1 车—岔耦合动力学模型
• 7.2.2 动力学计算相关参数
• 7.2.3 动力学性能评价指标
• 7.3 不足位移对高速道岔动力响应影响
• 7.3.1 不足位移对直向过岔的影响
• 7.3.2 不足位移对侧向过岔的影响
• 7.4 夹异物对高速道岔动力响应影响
• 7.4.1 夹异物对直向过岔的影响
• 7.4.2 夹异物对侧向过岔的影响
• 7.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 参加的科研项目