完整的车辆—轨道系统动力学研究是铁路发展的迫切需要

针对铁路在提速和高速发展中碰到的车辆—轨道系统的结构磨损加剧、关键部件疲劳破坏和噪声等新问题 ,在总结分析大量有关技术文献的基础上 ,提出必须进行高中低频范围的车辆—轨道系统的动力学研究。如果只用传统的思路和方法 ,不对这些新问题的本质进行深入研究分析 ,问题不能得到合理解决。理论和试验结果表明 ,根据激扰的差异及其波长范围 ,应将车辆—轨道系统动力学划分为低频、中频和高频 3个范围。针对这 3个不同区域内存在问题的性质 ,所处的频率范围 ,建立符合研究要求的动力学模型 ,并采用合理的数学方法求解。这样 ,以车辆—轨道系统的频率特性为基础 ,进行完整的车辆—轨道系统动力学研究 ,开发完善的新模型 ,对铁路实现高速化具有重要意义     

完整的车辆-轨道系统动力学研究是铁路发展的迫切需要(1)

针对铁路在提速和高速发展中碰到的车辆一轨道系统的结构磨损加剧、关键部件疲劳破坏和噪声等新问题，在总结分析大量有关技术文献的基础上，提出必须进行高中低频范围的车辆一轨道系统的动力学研究。如果只用传统的思路和方法，不对这些新问题的本质进行深入研究分析，问题不能得到合理解决。理论和试验结果表明，根据激扰的差异及其波长范围，应将车辆一轨道系统动力学划分为低频、中频和高频3个范围。针对这3个不同区域内存在问题的性质，所处的频率范围，建立符合研究要求的动力学模型，并采用合理的数学方法求解。这样，以车辆一轨道系统的频率特性为基础，进行完整的车辆一轨道系统动力学研究，开发完善的新模型，对铁路实现高速化具有重要意义。     

车辆—轨道系统缩尺模型振动试验研究

通过车辆—轨道系统1:20缩尺模型振动试验,对系统的动力学性能进行研究.研制了1:20二系悬挂的缩尺铁道车辆和轨道系统模型;在对车辆和轨道系统模型进行参数测试和计算的基础上,进行了车辆模型的运行试验,了解系统的动力学响应.结果表明,缩尺模型与实际尺寸的车辆—轨道结构系统之间在动力学性能方面存在一些差距,但可以对系统作定性的和一定的定量研究.为我国进一步开展轮轨系统的缩尺动力模型试验提供参考.     

传统车辆模型与车辆-轨道耦合模型的垂向随机振动响应分析及比较

基于车辆－轨道耦合动力学原理，运用随机振动理论进行了轮轨系统中传统车辆模型与车辆－轨道耦合模型的垂向随机振动响应比较分析。结果表明，传统车辆模型仅适用于轮轨系统的低频振动分析，在研究高频振动时将产生大的误差；而车辆－轨道耦合模型则可适用于轮轨系统整个频率带的随机振动分析。     

轨道动力学层状梁模型与算法中的几个问题

研究目的:轨道结构层状梁模型由于模型简单,被广泛应用于轨道动力学及车辆-轨道耦合系统动力学分析中。简化的轨道结构层状梁模型能否反映半无限空间上实际轨道结构的变形规律和动态特性,运用轨道结构层状梁模型得到的车辆和轨道结构动力响应精度如何,这些问题还未见系统研究。本文通过建立车辆-轨道结构层状梁非线性耦合系统动力学模型,构建运用交叉迭代法分别独立求解车辆和轨道结构动力学方程的显示算法,对比分析轨道结构层状梁模型与轨道结构三维块体单元模型的计算结果,以及轨道结构层状梁模型与轨道结构半无限空间模型计算结果的差异,分析轨道结构层状梁模型在车辆-轨道耦合系统动力学分析中的适应性。同时,还对比分析交叉迭代法与传统的耦合方程算法在求解车辆-轨道耦合系统动力响应时的计算效率、计算精度和算法特点。研究结论:(1)采用层状梁轨道模型模拟轨道结构是可行的,计算结果具有良好的精度,能够满足工程问题的分析要求;(2)交叉迭代法相对于传统的耦合方程算法计算效率更高,精度更好,用时更省,程序设计更容易,不仅适用轮轨线性接触分析,而且适用轮轨非线性接触分析;(3)通过引入松弛因子对轮轨接触力进行修正,可加快交叉迭代算法...     

车辆—轨道系统横向耦合动力学的研究

本文基于车辆－轨道系统耦合动力学的基本思想，对横向耦合动力学进行了分析研究，从车辆，轨道、轮轨接触整体系统的角度，建立了车辆－轨道系统横向耦合模型，并编制了相应的计算机仿真实施软件包，用以分析高速、重载运输条件下车辆和轨道的横向相互作用，为车辆和轨道的轨道的最佳设计，最佳管理提供科学依据。     

车辆作用下板式轨道动力分析模型及验证

基于车辆-轨道耦合动力学理论;采用多刚体动力学理论建立车辆系统动力学方程;以梁-板-板有限元模型模拟板式轨道;通过轮轨关系将车辆系统和板式轨道系统联系在一起;建立车辆-板式轨道耦合动力学模型。采用德国高速低干扰谱作为轮轨激励进行板式轨道动力学仿真分析。车辆参数按200 km/h动车组选取;轨道参数参照遂渝线板式轨道结构选取;计算多种车辆运行速度下板式轨道的动力响应;并与遂渝线无砟轨道综合试验段动力学测试结果对比。仿真计算结果与试验数据吻合较好,表明该模型正确可靠,可用于研究车辆荷载作用下板式轨道的动力学问题。     

不同减振轨道上地铁车辆动力学性能对比分析

为研究地铁车辆在不同减振轨道结构上的动力学性能,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑不同类型减振轨道的地铁车辆-减振轨道耦合动力学模型.基于动力学仿真,对比分析地铁车辆在4种常用减振轨道上的横向稳定性,以及直线和曲线段的轮轨动力学性能.结果 表明:减振轨道结构参数对地铁车辆横向稳定性有很大影响,弹性扣件减振轨道上车辆的轮轨安全性指标略小于其他3种减振轨道.     

高速机车车辆动力学模拟中的轮轨接触模型

为解决铁路实现高速化后严重加剧的车辆和线路状态恶化问题,必须从加强车辆—轨道系统动力学的 研究着手。迄今所发展的传统滚动接触理论仅适用于低频车辆动力学,且仅限于小蠕滑的情况。为适应高频车 辆—轨道系统动力学和大蠕滑的驱动动力学研究的需要,必须研究发展新的轮轨滚动接触力学。本文在对传统 滚动接触理论的发展作简要评述后,主要介绍并讨论了近期为配合铁路实现高速化而发展起来的新轮轨滚动接 触理论:高频非稳态滚动接触,非Hertz接触,有限元法,宏观滑动区域的接触模型及钢轨疲劳损坏机理等方 面问题。这些问题对铁路实现高速化的意义都是非常重大的。     

车辆-轨道耦合动力学研究的新进展

车辆－轨道耦合动力学是在传统的车辆动力学和轨道动力学基础上发展起来的一个新的学科领域，近10年来发展迅速，并取得重要进展，已形成独特的理论体系，本文首先简要回顾了车辆－轨道耦合动力学的研究历史，并对国内外形研究进展作了概要介绍，在此基础上着重介绍了作者及其课题组近期开展的研究工作及主要研究结果，包括理论模型，计算机仿真，试验验证，参数确定及应用实践等方面的具体进展，最后指出了机车车辆与轨道系统动力学领域今后拟进一步研究的问题。     

有砟轨道与无砟轨道动刚度特性差异研究

轨道动刚度是不同激振频率的荷载作用下,轨道抵抗变形的能力,由于有砟轨道与无砟轨道两种轨道的组成差异造成两者间存在较大动刚度差异。随着行车速度的提高、中高频段激振荷载的增加,有砟轨道与无砟轨道间的动刚度差异逐渐增大,这对于行车平顺性与结构耐久性会造成较大影响,但目前缺乏轨道动刚度的相关研究。为研究有砟轨道与无砟轨道间的动刚度差异,根据两种轨道的结构特点,建立相应的ANSYS有限元模型,通过对比分析,得出两种轨道的轨道动刚度在中低频段存在较大差异,轨下动刚度在全频段存在较大差异。为保证有砟-无砟轨道过渡段的行车平稳性与结构耐久性,需要考虑两种轨道间的动刚度过渡设计。此外,轨道动刚度特性分析可以指导高速铁路高低不平顺控制,从而保证行车平顺性。     

高速铁路板式轨道动力特性研究

板式轨道是现代高速铁路轨道的结构形式之一。本文动用车辆－轨道耦合动力学理论，通过建立高速车辆与板式轨道相互作用的动力学模型，采用计算机仿真手段，研究了高速铁路板式轨道动力特性，并探讨了板式轨道ＣＡ砂桨垫层弹性与阻尼对系统轮轨动力性能的影响规律。     

高速磁浮梁轨分离式桥梁与轨道设计和创新

常导高速磁浮交通正在向600 km/h运行速度迈进,可以填补高铁和航空运输之间的速度空白,但是常导高速磁浮交通现有技术采用梁?轨一体化的轨道梁结构,存在施工工艺复杂、轨道线形调整困难、经济成本高等诸多问题,难以满足600 km/h高速运行要求。通过借鉴高速铁路桥梁技术和中低速磁浮轨道技术的设计理念并进行系统创新,在国内外首次提出纵横梁式钢结构轨道板、纵横梁式混凝土轨道板、钢?混组合结构轨道板等3种不同形式的高速磁浮轨道结构,将轨道功能件从梁?轨一体的桥梁结构中分离出来形成可精调的轨道结构,并通过锚杆式扣件系统安装于预制架设整孔箱梁上,形成新型高速磁浮梁?轨分离式桥梁与轨道结构系统。该新型结构系统的强度、刚度、动力性能分析结果表明,可满足高速磁浮600 km/h运行速度要求。本研究对于常导高速磁浮的技术提升及推广应用具有借鉴意义。     

明线上与隧道内高速列车流场结构及气动噪声源

基于成熟的明线上高速列车气动噪声计算模型和可压缩大涡模型,考虑声学无反射边界条件,利用计算流体力学软件Fluent建立无限长隧道内高速列车气动噪声计算模型,对比分析高速列车在明线上与隧道内运行时的流场组织结构和气动噪声源。结果表明:高速列车在明线上与隧道内运行时具有类似的流场结构和气动噪声源分布规律,但隧道内的流场结构尺度与强度、气动噪声源强度均比明线上大;车速为350 km·h-1时,隧道内头车排障器尖点扰动区的速度幅值约为明线上的1.2倍,列车尾流区长度约为明线上的1.7倍,整车、1位转向架、头车流线型车底及中间车上部的等效声源声功率分别约为明线上的3.2倍、1.6倍、2.7倍和4.2倍;隧道内活塞效应并不是在全频率范围增加等效声源声功率,而是在包含峰值频率较狭窄的频率范围显著地增加等效声源声功率。     

高速行车条件下轨道几何不平顺敏感波长研究

应用车辆-轨道耦合动力学理论及分析软件TTISIM,研究轨道几何不平顺波长变化对高速车辆系统动力响应影响,探讨高速行车条件下轨道几何不平顺敏感波长问题。结果表明:在250～400km/h行车速度域,高速列车系统动力响应指标随轨道不平顺波长变化存在一个幅值相对较大区间;轨道不平顺类型和行车速度不同,敏感区间对应轨道不平顺波长范围亦不相同。综合对比发现:在250～400km/h行车速度域,轨道高低、方向和水平不平顺在长波段敏感波长范围分别约为80～160m、40～120m和50～160m;在相同行车速度条件下,轨道扭曲不平顺在长波段敏感波长范围约为40～100m。     

轮/轨接触几何参数对高速客车动力学性能的影响

为研究轮轨关系对高速铁路车辆动力学性能的影响,选择中国车轮踏面LMA与钢轨断面CHN60、日本新干线圆弧车轮踏面JP-ARC与钢轨断面JIS60和欧洲标准车轮踏面S1002与钢轨断面UIC60,应用AD-AMS/Rail软件,考虑轮对内侧距从1 353 mm变化到1 360 mm的情况,计算分析高速客车的临界速度、脱轨系数、车辆运行平稳性以及车辆稳态曲线通过的轮轨磨耗指数。车辆动力学仿真计算中均采用基于先锋号客车基本参数建立的车辆动力学模型。分析轮轨几何参数对高速车辆运行平稳性和稳定性的影响,结果表明:增大轮对内侧距可以改善舒适性,减小磨耗,提高临界速度。     

大兴国际机场线列车运行安全性及平稳性分析

北京大兴国际机场线的设计速度高达160 km/h,采用CRH6型市域列车,相较于传统的地铁线路,对轨道结构的力学稳定性要求更高。介绍了新机场线轨道设计方案及特点,认为应通过轨道结构动力学、车体动力学及行车安全性三大类指标对列车运行的安全性及平稳性进行预测;提出了相关车辆和轨道结构动力学参数的选取原则及具体限值要求,并通过建立车辆、轨道及下部基础的动力学耦合有限元模型,分别计算桥梁和隧道及路基地段(列车速度在120~180 km/h情况下)钢轨与道床的纵横向加速度、位移,轮轨力、车辆的水平及垂向加速度,以及脱轨系数、轮重减载率等数据。研究表明,采用了特殊设计后,轨道结构各动力学指标均位于安全限值之内且安全余量较大。     

轨下支承失效对车辆系统动态响应及乘坐舒适度的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对车辆乘坐舒适度的影响。钢轨被视为弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统垂向支承刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态。推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式。利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论分别计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力。采用移动轨下支承模型分析离散的轨枕支承对系统动力响应的影响。利用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程。乘坐舒适度评价采用Sperling指标,通过数值分析,得到直线轨道连续从0到6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。结果表明,轨下支承失效对车辆系统位移、加速度有显著的影响,随着轨下支承失效个数的增加,轮轨力和车辆系统的位移、加速度将会急剧增大,乘坐质量和乘坐舒适度指标呈线性增大,但数值很小。     

有砟轨道与无砟轨道垂向振动纵向传递特性差异研究

有砟轨道-无砟轨道过渡段存在大量的轨道病害问题,静力学分析与时域内的动力学分析未发现两种轨道间的差异与轨道病害间的关系。根据建立的两种轨道力学模型对比分析两种轨道结构各频段的垂向振动纵向传递特性,得出:轨道垂向振动纵向传播距离与所受荷载激振频段有关。低频段(100 Hz以下),有砟轨道的振动传播距离小于无砟轨道。中频段(100~1 500 Hz),两种轨道的振动传播距离均大幅增加,且有砟轨道的传播距离小于无砟轨道。高频段(高于1 500 Hz),两种轨道纵向传播距离随激振频率增加迅速减小,且有砟轨道的振动传播距离大于无砟轨道。为更好地实现有砟轨道与无砟轨道间动力特性过渡,建议在过渡段设计中减小轨道各部件间的差异,线路养护维修中根据线路设计速度区别控制过渡段两侧轨道几何不平顺。