地震环境下高速列车最大安全运行速度分析

为研究地震环境对高速列车运行速度的影响,以某型动车组为研究对象,建立高速列车动力学模型。采用"金井清-田治见宏模型"对地震地面运动进行模拟,将模型中的地震动功率谱转换成位移功率谱,并求解出地震动的传递函数,将地震激励通过传递函数以位移的形式输入高速列车动力学模型中。以地震烈度7度为例,从脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等动力学性能指标对不同速度等级下的高速列车进行动力学分析,并得到一个高速列车最大安全运行速度的参考值。分析结果表明,在地震动作用下,高速列车运行速度的大小对其动力学性能有着不可忽视的影响,并且通过对比不同速度等级下高速列车的动力学性能指标,得出在地震烈度为7度时高速列车最大安全运行速度为50 km/h,对列车在突发地震时运行速度的调整具有一定的参考价值。     

地震作用下基于场地条件的高速列车行车安全性

针对地震作用下高速列车行车安全性问题,基于多体动力学理论,采用多体动力学软件SIMPACK建立高速铁路车辆模型。采用日本实测地震数据,以脱轨系数、动态轮重减载率、轮轴横向力作为安全性评价指标,从车辆动态行为角度分析不同场地条件下列车速度、横向加速度峰值、垂-横向峰值加速度比对列车行车安全性的影响。研究结果表明:地震作用下列车行驶速度、横向加速度峰值、场地条件对列车行车安全性有显著影响;列车在Ⅲ类场地上行车安全性最差,而在Ⅰ类场地上最好;垂-横向峰值加速度比超过0.67以后,垂向激励对列车行车安全性有显著影响。建议高速铁路地震报警阈值的选取应基于场地条件,且应考虑近场地震作用下垂向激励的影响。     

考虑轨道谱特征的高铁列车地震安全性评估

研究目的:轨道不平顺是高速列车运行过程中产生垂向振动的主要根源,利用轨道谱能从波长和幅值两方面描述轨道不平顺特征和规律。为分析不同轨道谱对我国高铁列车在地震作用下行车安全性的影响,本文建立高速铁路车-轨耦合分析模型,分别采用中国高速铁路轨道谱和德国低干扰谱数值模拟的轨道不平顺样本作为轨道系统激励,选取典型地震动作为外部激励,基于车轨耦合动力学原理,计算不同地震动强度下列车运行的安全性指标。研究结论:(1)采用德国低干扰谱进行高速铁路地震安全性评价相对于中国高速铁路轨道谱偏于保守,但两者的差异随地震动强度的增大而逐渐减小;(2)建议完善我国高速铁路轨道统计谱并应用于高铁列车地震安全性评估研究中,在保证安全的同时提升高铁运输效率;(3)本研究对评估我国高速铁路行车安全性以及合理确定我国高速铁路地震报警阈值具有借鉴意义。     

基于谱密度强度指标的高铁地震报警阈值计算方法

为了提高高铁地震紧急处置系统的可靠性,研究地震动谱密度强度作为地震报警阈值的计算方法。采用典型的车辆—轨道耦合动力学模型,通过选取不同频率的横向正弦波作为外部激励,对车辆的动力响应进行分析,得到车辆的动力响应随荷载幅值与频率变化的规律;在此基础上求解不同车速下列车脱轨和倾覆时正弦波的临界幅值和对应的速度反应谱,从而得到影响列车运行安全的地震动临界谱密度强度,将其作为高铁的地震报警阈值,将实时计算得到的地震动谱密度强度与临界谱密度强度进行比较,即可判定高铁列车的行车安全性以及是否应发布地震警报并采取紧急处置措施。     

高速列车与桥上板式轨道动力学仿真分析

运用轮轨关系,建立高速列车—板式轨道—桥梁系统空间耦合动力学模型。运用列车—线路—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM,分析高速列车以不同速度通过桥梁时,机车车辆、板式轨道及桥梁的动力特性。结果表明,桥上板式轨道能够保证行车的安全性、舒适性和桥梁结构的安全性。     

高铁桥梁震时行车安全性评价的梁端变位限值研究

地震时桥梁端部易产生变位,对桥上列车的行车安全构成威胁。为研究基于梁端变位对震时列车行车安全性进行评价的方法及相应限值标准,建立车轨耦合振动模型。将梁端变位对应的轨道变形曲线作为静态不平顺施加到轨道上,地震导致的轨底激励以正弦波的形式通过大质量法作用于轨底,分析给定梁端变位、轨底激励及运行车速对列车行车安全性的影响。研究结果表明：列车脱轨风险与三者均正相关,因此在确定地震时梁端变位限值时应同时考虑三者的影响。通过二分法搜索得到不同频率和幅值的正弦激励下、列车以不同车速运行时,脱轨系数和轮重减载率达到限值时对应的3种形式梁端变位的界限值,取97.5%保证率得到不同车速对应的梁端变位限值。以5跨高铁32 m标准跨简支梁桥为例,进行地震作用下车-轨-桥耦合振动分析,得到按动态方法确定的梁端变位临界值,通过与按静态变位加轨底激励计算得到的震时梁端变位限值进行对比,验证了所提出的变位限值的正确性。依据所提出的方法和梁端变位限值,可采用地震下桥梁动力分析代替车轨桥耦合振动分析对高铁列车震时行车安全做出快速评价。     

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力特性的影响

桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统的动力学特性具有重要的影响,直接关系到桥上列车的行车安全性和运行平稳性。基于列车—轨道—桥梁动力相互作用理论,以高速铁路常用的简支箱梁桥和双块式无砟轨道为研究对象,采用列车—轨道—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM2.0,研究桥梁结构刚度对高速列车—轨道—桥梁耦合系统动力性能的影响规律。结果表明:当桥梁梁体的刚度或者桥墩的横向刚度不足时,车辆和桥梁的相关动力性能指标将随着刚度的减少而急剧增大,严重影响列车过桥时的安全性和平稳性;当梁体垂向刚度不足时,有可能会引发车桥共振现象;当桥梁结构刚度满足设计规范要求时,车桥系统动力响应指标随刚度变化不明显,此时行车速度和轨道不平顺成为影响行车安全性和平稳性的主要因素。     

车轮磨耗对高速车辆侧向过岔动力学性能的影响

高速列车在长期运营过程中，车轮将发生随里程增加而不断增大的磨耗，为探究车轮磨耗对车辆侧向通过道岔时的动力学性能的影响，建立高速车辆-道岔耦合动力学模型，在综合考虑不同磨耗程度的车轮对转辙器区钢轨接触几何影响的基础上，研究具有不同磨耗程度车轮的高速车辆侧向通过道岔时对高速车辆动力学性能的影响。研究表明：随着车轮磨耗程度增加，高速车辆侧向过岔时的轮对运动姿态和车辆动力学性能发生较大变化，车轮运营里程达到20万km后，轮轨横向力较标准车轮型面减小了42%,车体横向振动加速度较标准车轮型面减小了16%,脱轨系数较标准车轮型面减小了38%;车轮发生磨耗后，车辆系统的动力学性能、行车安全性和舒适性均有一定程度改善。     

地震作用下车辆-轨道-桥梁系统振动台台阵试验与列车预警速度阈值研究

针对地震作用下高速铁路桥上行车的安全性问题,设计完成车辆-轨道-桥梁大型振动台台阵缩尺模型试验,制作了1∶10车辆、轨道及桥梁结构的模型,根据缩尺模型相似定理研究了不同地震强度下列车脱轨问题,并利用数值仿真方法建立了CRH380BL高速列车-轨道-桥梁空间耦合动力学模型,通过对比分析试验结果与数值仿真分析结果,验证了数值分析模型的可靠性。在此基础上,以行车安全性及舒适度指标作为评判标准,利用上述仿真分析模型计算得到了不同地震强度等级下各项评价指标所对应的列车运行速度临界值,并探讨了现行规范中的地震预警阈值选取问题。研究结果表明:对于静止状态下的车体模型,在地震动峰值加速度为0.25g的ALS地震波作用下,车体将会发生脱轨。随着输入地震动峰值加速度的增大,舒适度指标最先超出限值,车辆的行车安全性指标次之,脱轨系数和舒适度指标控制的速度阈值逐渐减小,轮重减载率和横向轮轨力控制的速度阈值基本不变,舒适度指标对地震激励最为敏感,脱轨系数次之,轮重减载率和横向轮轨力最不敏感。在输入地震波的峰值加速度≤50gal时,车辆运行速度临界值取决于列车舒适度指标,速度阈值为160km/h;当输入地震波的峰值加速度达到60gal时,速度阈值降为140km/h;当输入地震波的峰值加速度达到80gal时,速度阈值降至140km/h以下,出于安全考虑建议此时采取紧急停车措施。     

高速铁路无砟轨道桥梁基础变形对行车的影响

研究目的:针对高速铁路无砟轨道桥梁基础(桥墩)变形引起桥上轨道附加不平顺,进而对列车运行产生影响的问题,本文以单元板式无砟轨道系统为对象,分别建立轨道-桥梁上部结构-支座-桥墩数值仿真子模型,以及车辆-轨道耦合动力作用子模型,计算并分析桥墩不同变形模式和量值对高速铁路行车的影响。研究结论:(1)桥墩变形对行车的影响与列车速度有关,列车速度越高,其影响越大;(2)桥墩横向变形对行车的影响大于桥墩沉降所产生的影响,桥墩同时发生沉降和横向变形情况下,行车安全性主要受横向变形的影响;(3)桥梁跨径减小,各行车评价指标增大,尤其当桥墩横向变形大于10 mm的情况下;(4)对于32 m标准跨径桥梁,桥墩沉降不超过20 mm,行车安全性和舒适性指标均未超过限值,但是当桥墩横向变形达到15 mm时,列车高速运行下行车安全性指标已超过限值;(5)该研究结论对高速铁路桥梁基础变形的管理与控制具有一定的指导意义。     

基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响.首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性.然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧.最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考.     

不足位移对高速道岔动力特性的影响

为揭示道岔不足位移对高速行车的影响,根据高速道岔、列车的结构特点、力学特性和相互作用关系,建立车辆-道岔耦合动力学模型,并以高速列车直向350km/h、侧向80km/h通过350km/h客运专线18号无砟道岔为例,分析不同不足位移情形下车辆和道岔的动力学特性。结果表明:尖轨、心轨不足位移对列车动轮载、钢轨动应力影响较小,对轮缘力、车体横向加速度、轮重减载率、脱轨系数影响较大;不足位移会严重影响高速列车直、侧向过岔的舒适性及安全性,影响高速道岔正常工作状态;牵引转换设计时,应严格控制道岔尖轨、心轨不足位移。     

基于SIMPACK的缓和曲线段高速行车动力响应分析

高速铁路列车运行时的安全性、舒适度以及轮轨动力特性与缓和曲线的线型、长度具有较高的相关度。采用动力学分析软件SIMPACK建立高速铁路车线系统模型,在考虑高速铁路存在轨面不平顺的情况下,引入低干扰谱,研究缓和曲线线型及长度对高速列车运行时各主要评价指标的影响。研究表明,对于300 km/h以上的高速列车,当曲线半径达到7 000 m及以上,缓和曲线达到一定长度时,采用三次抛物线型缓和曲线与半波正弦型相比差别不大,均能满足行车安全需求。     

横风下高速列车通过挡风墙动力学性能

基于列车空气动力学和列车系统动力学数值模拟横风下高速列车通过挡风墙的动力学性能。以运行速度为350km/h的高速列车通过一类挡风墙为例,分析高速列车通过挡风墙的气动力和动力学响应。当高速列车进入和离开挡风墙时,列车的安全性和舒适性指标明显变差。当横风速度为9.56m/s时,车体横向振动加速度最大值达到2.5m/s2;当横风速度为15.0m/s时,列车的脱轨系数超过0.7且轮重减载率超过0.8。在此基础上提出一类具有缓冲装置的挡风墙,使高速列车通过挡风墙时的安全性和舒适性明显改善。     

提高列车交会的安全性设计及仿真分析

以CRH2—300型高速动车组为例,建立了流固耦合模型,分析了列车交会过程中车间减振器和空气弹簧横向跨距对行车安全性的影响。研究结果表明,增加车间减振器和增大空气弹簧横向跨距对改善列车交会过程中的安全性有比较明显的效果。为了保证高速列车的行车安全,安装车间耦合减振器和适当增加二系侧滚角刚度是很有必要的。     

曲线上轨道缺陷对高速列车安全性的影响

应用多刚体动力学软件建立列车-轨道耦合动力学模型,研究8辆编组的CRH380B型高速列车通过有轨道缺陷存在的S形曲线时的安全性。分析工况为在缓和曲线区段、圆曲线区段和夹直线区段设置轨距突变、三角坑以及两者组合缺陷。研究结果表明:轨道缺陷的类型及其所在的位置对高速列车通过曲线时的安全性有影响;缓和曲线和圆曲线区段的轨距突变和三角坑缺陷幅值为5 mm时,高速列车以最高限速通过轨道缺陷位置时,脱轨系数和轮重减载率均超限。     

地震作用下445 m上承式高速铁路拱桥行车安全分析

为研究地震对高速铁路超大跨上承式拱桥行车安全性的影响,采用自主研发的列车-轨道-桥梁-地震分析系统程序TTBSAS,以一座445 m上承式钢筋混凝土拱桥为例,通过相对运动法输入3条实测地震波进行仿真计算,探讨不同地震波输入对计算结果的影响,以及有/无震下不同编号车辆动力响应的幅值分布规律,给出地震时CRH3高速列车通过该桥时的地震动阈值。结果表明:地震波的选择对计算结果的影响显著;无震时,车辆动力响应与车辆参数关系密切,可采用第1辆车(动车)和第2辆车(拖车)的动力响应来评判整列车的行车安全性与乘坐舒适性,有震时,地震动的非平稳性成控制因素,需综合考虑所有编号车辆的动力响应;地震动阈值随车速的增加而减小,当车速为300 km/h时,445 m上承式钢筋混凝土拱桥的地震动阈值为0. 15g。     

地震激励下高速列车动态响应与运行安全边界研究

为研究地震对高速列车动态响应与运行安全的影响,建立地震激励下车辆-轨道耦合动力学模型,地震波被简化为周期性的横向正弦波加入车辆轨道仿真模型中。基于仿真计算,对地震作用下高速列车的动态响应、脱轨机理及运行安全边界进行详细地分析和讨论,给出地震下高速列车安全运行及脱轨边界。分析结果表明:地震所引起的轨道结构大幅横向振动对高速列车的安全运行影响极大;横向地震波激励下,车轮与钢轨频繁地发生分离、车轮的大幅度抬升和车辆激烈的横向滚摆运动是造成高速列车脱轨的主要原因。     

高速列车通过隧道气动效应仿真分析

为深入研究分析高速列车通过隧道时的空气动力学效应特点,以CRH2型高速列车为研究对象,运用流体仿真软件Fluent建立高速列车通过隧道时的列车-隧道空气动力学仿真模型,模拟高速列车通过隧道时的气动效应,得到高速列车通过隧道时不同工况和时刻的车体流场附近的压力云图和车体壁面空气压力散点连续图。仿真结果符合列车通过隧道时的实际情况,验证了仿真模型的正确性。     

强侧风对高速列车运行安全性影响研究

在列车空气动力学和系统动力学相结合的基础上完成了相关研究工作。论文首先在研究列车受侧向风力的气动力特性基础上,利用流体力学计算软件FLUENT进行数值计算,得到不同侧风风速和列车车速下作用于车体的侧风载荷值;接着,利用所建立的高速列车动力学模型,将得到的风载荷值作为外加载荷作用于列车,研究了侧向风速对直线运行列车运行安全性的影响特性;最后,参照高速列车运行安全性相关限定标准,提出不同侧风风速下高速列车的最高安全运行速度,为特殊风环境下我国时速200 km/h及以上动车组安全运行提供理论依据。