高速道岔轨道刚度理论及应用研究

论文摘要

高速道岔的轨道刚度是影响列车过岔舒适性,道岔振动强度的重要参数,需要进行合理设置。本文针对高速道岔轨道刚度所涉及的几个主要问题,在参考国内外研究情况的基础上,进行了理论和部分试验研究,并得到了相应的研究结论。论文主要研究工作分为以下几个方面:（1）轨道刚度对高速车辆-道岔空间耦合振动的影响分析建立了完整的高速车辆-道岔空间耦合振动模型,在高速道岔模型中,首次将扣件刚度、道床刚度考虑成纵向可变,以便分析高速道岔轨道刚度纵向不均匀分布对高速车辆-道岔耦合振动性能的影响。运用所建立的高速车辆-道岔空间耦合振动模型,分析了轨道刚度对车辆和道岔振动性能的影响,结果表明:轨道刚度变化对高速车辆走行部分、车体及道岔的振动具有明显影响。（2）高速道岔轨道动刚度特性及其影响因素分析首次建立了高速道岔轨道动刚度计算模型和求解方法,并对高速道岔轨道动刚度特性及其影响因素进行了分析,结果表明:有砟道岔各部分钢轨在0～250HZ的频段上出现3个共振峰;无砟道岔各部分钢轨在0～300HZ的频段上只出现1个同相共振峰;扣件刚度和阻尼对道岔动刚度的影响较大,道床刚度的影响较小。（3）高速道岔轨道刚度合理取值和部件刚度合理匹配研究详细分析了高速道岔轨道刚度的组成及相关计算方法,提出了高速道岔轨道刚度合理取值的5个评判准则:列车运行品质、道岔振动强度、应力水平、变形大小、部件刚度匹配关系。并建立了以高速车辆-道岔耦合动力计算及动态轨距扩大分析为核心技术的高速道岔轨道刚度合理取值的确定方法。最后采用本文提出的高速道岔合理取值评判准则及确定方法对我国客专道岔轨道刚度合理取值及部件刚度合理匹配进行了研究,所得结论可指导我国客专道岔的扣件刚度设计。（4）高速道岔轨道刚度分布规律及影响因素分析运用有限单元法,在考虑钢轨类型、扣件、道床、间隔铁和滑床台等刚度影响因素的基础上,首次建立了完整的高速道岔轨道刚度计算模型,并编制了相应的计算程序。运用本文建立的道岔轨道刚度计算方法,分析了我国客专道岔轨道刚度的分布规律,并对滑床台联结、尖轨刨切、间隔铁传力、扣件刚度、道床刚度等因素对道岔轨道整体刚度的影响进行了详细的分析,为高速道岔轨道刚度均匀化工作提供了理论依据。（5）高速道岔轨道刚度均匀化研究从刚度取值、轨道变形、工程可行性等方面首次提出了高速道岔轨道刚度均匀化准则,并分析了合理设置板下胶垫刚度均匀轨道刚度的方法。详细分析了超弹性有限元理论在胶垫刚度计算中的应用,为板下胶垫刚度设计提供了理论基础;运用本文所提出的高速道岔轨道刚度均匀化准则及方法,对我国客专道岔轨道刚度均匀化进行了研究,提出了相应的工程方案;最后对道岔轨道刚度进行了现场测试,结果不仅证明了本文提出的高速道岔轨道刚度均匀化方法合理、有效,同时还证明了本文建立的高速道岔轨道刚度计算理论的准确性。（6）高速道岔前后过渡段刚度合理设置研究在分析高速道岔路岔过渡段结构特性的基础上,建立了高速车辆-道岔过渡段动力分析方法,并提出了高速道岔过渡段刚度合理设置的基本原则和评价指标,运用本文所建立的高速道岔过渡段分析方法,对高速道岔过渡段的动力特性进行了深入分析,并研究了过渡段刚度差、行车方向和行车速度等影响因素对过渡段动力性能的影响,最后对我国客专线道岔前后过渡段刚度合理设置进行了研究,所得结论可用于指导我国客专道岔前后过渡段的刚度设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外高速道岔的发展现状
• 1.2.1 国内情况
• 1.2.2 国外情况
• 1.3 国内外道岔动力学研究现状
• 1.4 国内外道岔刚度研究现状
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第2章 高速车辆-道岔空间耦合振动理论
• 2.1 高速道岔结构特点在动力学中的考虑
• 2.2 高速车辆-道岔空间耦合振动模型
• 2.2.1 高速车辆振动模型
• 2.2.2 高速道岔振动模型
• 2.3 车辆与道岔接触耦合关系
• 2.3.1 车辆与道岔的轮轨接触方式
• 2.3.2 车辆与道岔的垂向耦合关系
• 2.3.3 车辆与道岔的横向耦合关系
• 2.4 高速车辆-道岔空间耦合振动激励
• 2.4.1 道岔支承刚度不平顺
• 2.4.2 道岔结构不平顺
• 2.5 模型求解方法
• 2.5.1 坐标系及变量符号说明
• 2.5.2 车辆系统方程建立
• 2.5.3 道岔系统方程建立
• 2.5.4 车辆-道岔耦合振动系统方程建立及求解
• 2.6 高速车辆-道岔空间耦合动力模型计算参数选取
• 2.6.1 车辆计算参数
• 2.6.2 道岔计算参数
• 2.7 模型及求解方法的验证
• 2.7.1 与其它文献的验证
• 2.7.2 与实验结果的验证
• 第3章 刚度对高速车辆-道岔空间耦合振动的影响
• 3.1 直向过岔车辆-道岔空间耦合振动特性
• 3.1.1 轮轨力特性
• 3.1.2 车辆振动特性
• 3.1.3 道岔振动特性
• 3.2 侧向过岔车辆-道岔空间耦合振动特性
• 3.3 轨道刚度对高速车辆-道岔空间耦合振动的影响
• 3.2.1 对轮轨力的影响
• 3.2.2 对车辆振动特性的影响
• 3.2.3 对道岔振动特性的影响
• 第4章 高速道岔轨道动刚度的特性
• 4.1 高速道岔动刚度计算方法
• 4.2 有砟道岔轨道动刚度特性及其影响因素分析
• 4.2.1 转辙器部分轨道动刚度特性
• 4.2.2 连接部分轨道动刚度特性
• 4.2.3 辙叉部分轨道动刚度特性
• 4.2.4 扣件刚度的影响
• 4.2.5 道床刚度的影响
• 4.2.6 阻尼的影响
• 4.2.7 分析小结
• 4.3 无砟道岔轨道动刚度特性及其影响因素分析
• 4.3.1 转辙器部分轨道动刚度特性
• 4.3.2 连接部分轨道动刚度特性
• 4.3.3 辙叉部分轨道动刚度特性
• 4.3.4 扣件刚度的影响
• 4.3.5 阻尼的影响
• 4.3.6 分析小结
• 第5章 高速道岔轨道刚度及部件刚度的合理取值
• 5.1 高速道岔轨道刚度的组成及计算
• 5.1.1 扣件系统刚度
• 5.1.2 轨下基础刚度
• 5.1.3 道岔钢轨支点刚度
• 5.1.4 道岔轨道整体刚度
• 5.2 国外高速道岔轨道刚度的特点
• 5.2.1 德国道岔刚度设置特点
• 5.2.3 法国道岔刚度设置特点
• 5.2.3 德法两国道岔刚度设置的优缺点
• 5.2.4 对我国道岔刚度设置的启发
• 5.3 高速道岔轨道刚度及部件刚度合理取值的评判准则
• 5.3.1 舒适性评判准则
• 5.3.2 变形评判准则
• 5.3.3 振动强度评判准则
• 5.3.4 应力评判准则
• 5.3.5 部件刚度匹配合理准则
• 5.4 高速道岔轨道刚度及部件刚度合理取值的确定方法
• 5.5 250km/h客专道岔的合理轨道刚度及部件刚度匹配
• 5.5.1 有砟道岔
• 5.5.2 无砟道岔
• 5.6 350km/h客专道岔的合理轨道刚度及部件刚度匹配
• 第6章 高速道岔轨道刚度的分布规律
• 6.1 高速道岔轨道刚度计算理论
• 6.1.1 计算模型
• 6.1.2 求解方法
• 6.1.3 参数取值
• 6.2 高速道岔轨道刚度分布规律
• 6.2.1 关键参数取值
• 6.2.2 有砟道岔
• 6.2.3 无砟道岔
• 6.3 高速道岔轨道刚度影响因素分析
• 6.3.1 间隔铁的影响
• 6.3.2 滑床台的影响
• 6.3.3 心轨和尖轨刨切影响
• 6.3.4 扣件刚度的影响
• 6.3.5 道床刚度的影响
• 第7章 高速道岔轨道刚度均匀化
• 7.1 均匀化准则及方法
• 7.1.1 均匀化准则
• 7.1.2 均匀化方法
• 7.2 超弹性有限元理论在胶垫刚度设计中的运用
• 7.2.1 高速道岔中胶垫材料的力学特性
• 7.2.2 超弹性有限元法计算胶垫刚度
• 7.3 250km/h客专道岔轨道刚度均匀化分析
• 7.3.1 均匀方案分析
• 7.3.2 动态轨距扩大分析
• 7.3.3 轨下胶垫结构设计
• 7.4 350km/h客专道岔轨道刚度均匀化分析
• 7.4.1 均匀方案分析
• 7.4.2 动态轨距扩大分析
• 7.4.3 板下胶垫刚度设计
• 7.5 高速道岔刚度计算理论及均匀化效果的试验验证
• 第8章 高速道岔过渡段刚度的合理设置
• 8.1 高速道岔过渡段刚度合理设置分析方法
• 8.1.1 结构特殊性
• 8.1.2 分析模型及求解方法
• 8.1.3 需解决的关键技术问题
• 8.1.4 合理设置评价指标
• 8.2 刚度对车辆-道岔过渡段动力性能的影响
• 8.2.1 刚度差的影响
• 8.2.2 行车方向的影响
• 8.2.3 行车速度的影响
• 8.3 250km/h客专道岔过渡段刚度合理设置研究
• 8.3.1 刚度合理分级
• 8.3.2 合理长度
• 8.3.3 结构方案
• 8.4 350km/h客专道岔过渡段刚度合理设置研究
• 8.4.1 刚度合理分级
• 8.4.2 合理长度
• 8.4.3 结构方案
• 第9章 结论及展望
• 9.1 结论
• 9.2 有待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间的科研成果