地震引起的货物列车脱轨全过程计算

为确保地震作用下货物列车在脱轨瞬间及时停车,建立地震作用下列车-轨道系统空间振动计算模型,并提出地震作用下列车脱轨全过程计算方法;以9~10级地震烈度下的强震为研究对象,分别计算货物列车以不同车速在直线和曲线线路上的脱轨全过程,分析轮轨几何接触状态及其相对位置.结果表明:地震烈度及车速对转向架与钢轨横向相对位移影响明显,而对转向架摇头角影响较小;曲线轨道对转向架与钢轨横向相对位移、转向架摇头角影响均较大;转向架与钢轨横向相对位移及转向架摇头角最大值分别为155 mm和4.6°.这些数据可为列车脱轨检测装置的研发提供参考.     

客运列车曲线超速引起的脱轨全过程计算

为研究客运列车因曲线超速引起的脱轨规律,基于列车-轨道系统空间振动计算模型,建立客运列车-曲线轨道系统空间振动计算模型。基于该模型,根据列车脱轨能量随机分析方法,提出客运列车曲线超速引起的脱轨全过程计算方法,计算不同曲线半径、外轨超高下列车超速引起的脱轨全过程,分析轮轨接触状态及其相对位置。研究结果表明:据脱轨系数和轮重减载率难以判定客运列车超速时是否脱轨;脱轨车辆位于编组前部,在脱轨前及时预警十分必要;随着曲线半径、外轨超高增大,列车脱轨速度随之增大,脱轨瞬间转向架与钢轨横向相对位移也随之增大;并考虑安全系数1.25,得到转向架与钢轨横向相对位移最大为60.2 mm,这可为研发客运列车曲线超速脱轨报警装置提供参考。     

曲线上货物列车超速引起的脱轨过程分析

针对货物列车在曲线上因超速引起的脱轨问题,根据列车-轨道系统空间振动计算模型及列车脱轨能量随机分析理论,采用轮轨位移衔接条件并考虑轮轨"游间"的影响,提出了货物列车超速条件下的脱轨过程计算方法.根据该方法,对不同曲线轨道形位等工况下的货物列车脱轨过程进行了计算,分析了列车脱轨过程中的轮轨接触状态、轮轨相对位置及几何尺寸.研究结果表明,随着曲线半径的增大,在列车脱轨瞬间,转向架摇头角及转向架与钢轨横向相对位移逐渐减小,最大值分别为5.82°和78.1 mm.该结果可为研发机械式的列车脱轨检测装置提供理论依据和基础数据,进而确保该检测装置能在列车脱轨掉道的第一时间检测到位,及时停车.     

横风作用下的列车-轨道系统空间振动响应分析

基于列车-轨道系统空间振动分析理论,考虑横风作用,建立横风-列车-轨道系统空间振动分析模型。根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则,建立此系统空间振动矩阵方程,并编制相应的计算机程序求解该方程。计算横风作用下的列车-轨道系统空间振动响应,研究不同类型铁路车辆振动响应及倾覆稳定性的差异,分析横风对此系统振动响应的影响规律。研究结果表明:罐车的稳定性最好,敞车次之,棚车最差;横风对车体横向位移、轮重减载率和倾覆系数有很大影响,对车体横向加速度、脱轨系数及横向平稳性指标影响不大。     

重载铁路桥上货物列车脱轨预防措施

针对重载铁路常见桥梁结构特点,建立货物列车-轨道-桥梁系统(简称"FTTB系统")空间振动计算模型;按照列车脱轨能量随机分析理论,提出重载铁路FTTB系统横向振动稳定性分析方法。通过算例,计算圆形墩加固前、后FTTB系统横向振动稳定性及其振动响应。研究结果表明:算例中圆形墩加固后FTTB系统抗脱轨能力可提高50%;圆形墩加固前、后FTTB系统横向振动失稳临界车速分别为134.45 km/h和156.99 km/h,容许极限车速分别为107.56 km/h和125.59 km/h;圆形墩加固后货物列车以80 km/h车速过桥时平稳性有保证;与加固前相比,桥梁跨中和墩顶横向位移分别减小54.5%和83.8%。该分析方法能够同时反映货物列车脱轨信息和FTTB系统空间振动特性,可为桥上货物列车脱轨预防措施提供更加全面、科学的评价。     

货物列车编组对列车-桥梁系统空间振动的影响

基于列车、桥梁空间振动分析模型,利用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立了列车-桥梁系统空间振动矩阵方程,采用Wilson-θ法求解。研究了5种不同货物列车编组对列车-桥梁系统空间振动响应的影响,得出了一些符合物理概念的桥梁振动响应时程曲线。研究结果表明:机车、车辆轴重是影响桥梁竖向振动位移的主因;空载货车作用下的车桥系统横向振动响应比重车的要大;全列空车编组及空重混编是影响列车-桥梁系统横向振动响应的不利编组,而全列空车编组更为不利;在进行桥上货物列车脱轨分析时,宜采用全列空车编组;通过改善列车编组的方法可以提高列车-桥梁系统振动性能。     

焦柳线酉水大桥上货物列车脱轨分析

结合自动控制理论，研究了桥上列车脱轨的力学机理，发现桥上列车脱轨是列车-桥梁时变系统横向振动丧失稳定的结果。根据桥上列车脱轨能量随机分析理论，对焦柳线酉水大桥上货物列车是否脱轨进行了计算和分析，并得到了列车脱轨时此系统振动响应的时程曲线；同时，提出了该桥在不采取加固措施的条件下预防列车脱轨的限速建议值，该值与该桥实车振动试验所确定的限速值一致。最后，指出我国《铁路桥梁钢结构设计规范》中制订连续钢桁梁桥横向刚度限值时存在的问题，论证了按列车脱轨能量随机分析理论重新制订桥梁横向刚度限值的必要性。     

有砟及无砟轨道结构对货物列车运行安全性的影响

基于列车-有砟及无砟轨道系统空间振动计算模型,采用列车脱轨能量随机分析方法,分别计算货物列车在有砟、无砟轨道上的脱轨全过程,得出2种车轨系统横向振动极限抗力作功及其动力响应,分析货物列车的运行安全性、2种车轨系统的空间振动特性。研究结果表明:与有砟轨道相比,无砟轨道的抗脱轨能力最大可提高45.9%,车速为90 km/h时无砟轨道上车体竖向Sperling平稳性指标、轮对横向力、轮轨竖向力分别减小73.5%,22.1%和27.3%;无砟轨道各部件横向位移、加速度均小于有砟轨道相应值,而钢轨竖向位移大于有砟轨道相应值,但由于无砟轨道竖向位移主要由扣件承担,导致钢轨传至道床板的竖向位移衰减75.3%;无砟轨道各部件竖向加速度均大于有砟轨道相应值,产生的振动、噪声对周围建筑影响更大。建议在重载铁路新线设计中优先采用无砟轨道,但应采取减振降噪措施。     

突破列车脱轨难题的能量随机分析道路

综述了列车脱轨的国内外研究现状；分析了脱轨研究中的主要问题为：各国制订的规范标准不能预防列车脱轨，未抓住主要矛盾，脱轨计算理论存在三个根本问题——列车轨道(或桥梁)时变系统振动方程组解的唯一性无保证，横向振动的激振源不清楚，该时变系统振动的随机分析问题未解决；提出了一条突破列车脱轨难题的能量随机分析道路、预防脱轨措施及抗脱轨安全系数的计算方法；计算了四个列车脱轨实例，计算结果均与实际发生的脱轨事故和脱轨试验测出的车辆振动响应符合。     

重载铁路轨道刚度对货物列车抗脱轨安全度的影响

为确定具有预防货物列车脱轨功能的轨道刚度合理值,基于列车轨道系统空间振动计算模型及列车脱轨能量随机分析方法,提出了货物列车-轨道(FTT)系统横向振动稳定性分析方法,分析多组扣件及道床横向刚度组合下FTT系统抗脱轨能力、FTT系统横向振动稳定性及其振动响应的影响.结果表明:FTT系统抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速随着扣件及道床横向刚度的增大均有大幅度提高,但当扣件和道床横向刚度分别增大至90和10 MN/m时,其提高幅度逐渐减小,且当扣件和道床横向刚度分别由120 MN/m增至150 MN/m、15 MN/m增至20 M N/m时FTT系统抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速仅提高了3.9%,1.8%和1.8%;另外,增大扣件和道床横向刚度有助于减小轨道横向位移.考虑日趋紧张的重载铁路市场竞争,建议扣件横向刚度取90~120 MN/m,道床横向刚度取10~15 MN/m.     

带新型护轨的曲线轨道-列车系统振动分析

为了从理论上验证新型护轨在小半径曲线上的防脱、增稳和减磨作用,以列车-曲线轨道系统空间振动分析模型为基础,考虑新型护轨的结构特点及其与车轮、钢轨之间相互作用,建立带新型护轨装置的曲线轨道-列车系统空间振动分析模型.采用Fortran语言编制相应计算程序,利用现场试验结果验证本方法及程序的可靠性;分析新型护轨对系统空间振动响应的影响规律.计算结果表明:计算得出的护轨力分摊曲线外轨轮缘力比例达38.81%,与通过试验得到的新型护轨能够分摊33.3%~40.0%的曲线外轨轮缘力的结论相符;在试验工况及参数条件下,新型护轨可使车体、轮对及曲线外轨的横向位移分别减少28.62%,37.67%及14.64%,明显改善货物列车运行的平稳性.     

高速铁路钢桁架刚性拱桥车桥耦合振动分析

以1座跨径布置为99 242 99m的钢桁刚性拱桥设计方案为研究对象,将列车-钢桁刚性拱桥视为一个耦合的整体系统,应用动力学势能驻值原理及形成矩阵的"对号入座"法则,建立列车-钢桁刚性拱桥时变系统的整体振动方程,采用直接积分法计算了高速列车通过该桥时的桥上列车振动响应全过程,着重研究了列车速度变化时对桥梁的挠度、车辆乘坐舒适度及脱轨安全度的影响,并对列车运行走行性进行了评价。     

列车-轨道-地道桥时变系统振动分析

建立了列车 轨道 地道桥振动分析模型,其中车辆(包括机车)表示成19个自由度的多刚体系统模型,直线轨道离散成30个自由度的空间轨道单元,地道桥划分为46个自由度的空间框架单元;运用弹性系统动力学总势能不变值原理和"对号入座"法则形成空间耦合时变系统的振动方程;根据振动能量随机分析理论,以人工构架蛇行波和轨道竖向不平顺为激振源,对该系统的各种响应进行分析.计算结果与实测结果比较接近,表明所建立的车轨桥模型和采用分析方法用于地道桥车振分析切实可行.     

城市轨道交通列车-浮置板式轨道系统竖向振动模型

针对浮置板式轨道结构特点,取相邻2个扣件之间的轨道为1个轨段单元,钢轨视为连续弹性点支承Euler梁,浮置板视为弹性薄板,扣件系统及橡胶支座均模拟为线性弹簧及粘滞阻尼器,建立浮置板式轨道振动模型;将城轨列车中的车辆均离散为多刚体系统,各刚体之间通过线性弹簧及粘滞阻尼器相连,建立列车振动模型;将浮置板式轨道及列车振动势能叠加,得到系统竖向振动总势能：基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则,建立此系统竖向振动矩阵方程;采用Wilson-θ逐步积分法求解此矩阵方程,得出此系统竖向振动响应。研究结果表明：采用浮置板式轨道振动模型计算的钢轨竖向位移为4．18mm。浮置板竖向位移为0．69mm,与已有研究结果吻合良好：城轨列车以速度60km／h在浮置板式轨道上运行时的系统竖向振动响应波形图符合物理概念,响应的量值反映了系统竖向振动的通常幅值。     

列车-上承式桁梁桥横向动力分析

将列车-上承式桁梁桥作为一个耦合的整体系统进行研究，上承式桁梁桥采用桁段有限元单元模拟，列车采用具有21个自由度的2系弹簧车辆空间振动模型，应用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成矩阵的“对号入座”法则，建立列车一桥梁时变系统的整体横向振动方程，使用机车车辆轮对或转向架实测蛇行波为激振源，计算了一列货物列车以5种不同速度通过桐模甸上承式钢桁梁桥时的列车-桥梁系统的横向动力响应，计算结果表明：采用本文方法计算列车-桥梁系统的横向振动是切实可行的，这为研究上承式桁梁桥的横向刚度及研究高速列车-桥梁振动提供一种方法。     

辅助钢梁加固重载铁路桥梁的动力响应分析

既有重载铁路混凝土简支双T桥梁已不能满足现在重载运输的要求,故对既有重载铁路桥梁提出一种加固方法——辅助钢梁加固法.采用列车-轨道-桥梁系统的时变动力分析理论,建立列车-轨道-桥梁系统的空间振动分析模型.本文计算了桥梁加固前后的动力响应和加固后不同速度条件下桥梁的动力响应,将计算结果与现场实车试验作了对比.计算及试验结果表明,采用辅助钢梁加固法能同时显著提高混凝土双T梁的横向和竖向刚度.因此该加固方法是合理可行的.     

不同线路条件及运行速度下高速列车振动性能分析

高速列车的振动特性直接影响旅客乘坐的舒适性和列车运行的安全性.为了分析不同线路条件和运行速度对高速列车振动特性的影响,建立了车辆-轨道耦合系统模型,并以德国高速轨道谱和我国干线轨道谱产生的轨道随机不平顺作为耦合系统的激励,通过Newmark数值积分和Matlab仿真,计算了高速车辆在高速线路和提速干线条件下车体、构架、轮对等车辆各部件和轨道部件的振动响应.研究结果表明,随着列车运行速度的提高,高速车辆各部件振动响应均显著增大;线路条件对高速列车轮对及轨道系统振动的影响较对车体系统振动的影响明显.     

弹性支承块式轨道在高速列车作用下的动力响应分析

为研究高速列车-弹性支承块式无碴轨道系统的动力学性能,提出一种竖向振动分析方法。其原理是:将高速列车的动车和拖车模拟为具有二系悬挂的多刚体系统;将弹性支承块式无碴轨道模拟为具有24个自由度的轨段单元的集合;基于弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则,建立此系统竖向振动矩阵方程,并采用Wilson-θ数值积分法求解,计算速度为200km/h时此系统竖向动力响应,研究轨道刚度对此系统竖向振动响应的影响规律。研究结果表明:钢轨竖向位移最大为1.125mm,支承块竖向位移最大值为0.522mm,并且计算波形图可以反映列车编组;钢轨扣件竖向刚度的合理取值范围为60~80kN/mm,块下垫层的竖向刚度宜大于80kN/mm。     

转向架轮对轮径与平行度测量

为了实现准确、快速地测量列车转向架轮径与平行度,构建了列车转向架关键尺寸测量系统.对所述测量系统采用的GA-BP网络曲线拟合算法、约束整体最小二乘法、基准直线拟合算法、平行度测量算法等算法进行研究.首先,根据被测对象的特征介绍了基于GA-BP网络的车轮踏面曲线拟合算法,利用数控加工曲线训练出因传感器特性无法采集处的数据;然后,分析轮径特点,根据弦长定理求出列车转向架轮径,同时,利用全局标定技术将传感器采集数据转换至一个坐标系下,并提出了基于约束的整体最小二乘法,用于获取对应转向架轮对踏面截面上的空间圆圆心;接着,提出了基于蝙蝠算法的空间基准直线拟合方法,即通过踏面截面所处位置的列车转向架踏面截面空间圆的圆心坐标拟合列车转向架轮对轴线;最后,利用基准空间直线与测量点运算,求出列车转向架平行度,将测量数据与激光跟踪仪数据进行对比.实验结果表明:列车转向架轮径与平行度测量精度为0.1 mm.能够满足列车转向架轮径与平行度测量的高精度、高稳定性及测量重复性等要求.     

基于货物列车抗脱轨安全度的重载铁路轨道结构强化措施评价

根据重载铁路货物列车-轨道系统(FTT系统)横向振动稳定性分析方法,提出基于货物列车抗脱轨安全度的重载铁路轨道结构强化措施评价方法,分析并量化提高钢轨等级、采用III型轨枕、强化扣件及道床等轨道强化措施对货物列车抗脱轨安全度的影响。研究结果表明:与提高钢轨等级相比,采用III型轨枕对列车抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速的影响更大;强化扣件或道床均可大幅度提高列车抗脱轨能力、临界车速及容许极限车速,但当扣件和道床的横向刚度分别大于120 MN/m和15 MN/m时,货物列车抗脱轨安全度提升幅度较小;上述轨道强化措施均能改善行车平稳性,但强化道床对行车平稳性影响较小。轨道强化措施具有提高货物列车抗脱轨安全度的功能,且本文提出的评价方法能够反映列车抗脱轨信息,可为轨道强化措施的评价和制定提供参考。