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.     

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。     

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。     

新郑大桥改建新桥横向刚度分析

针对新郑大桥改建后提速列车通过时，墩顶横向振幅超过《铁路桥梁检定规范》规定的通常值，建立列车一桥梁系统振动计算模型，运用列车脱轨能量随机分析理论，对该桥上列车走行安全性进行计算分析；在列车不脱轨的条件下，对桥上列车正常运行的平稳性进行研究；对墩顶横向振幅超《铁路桥梁检定规范》规定的通常值与行车安全的关系进行分析。研究结果表明：在车速不超过80km／h时，列车可以安全运行，平稳性也基本满足要求；将墩顶横向振幅通常值当成行车安全限值是不合理的。     

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。     

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.     

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.     

提速条件下重载铁路小半径曲线32m简支T梁动力性能试验研究

通过对不同轴重、不同速度情况下朔黄铁路芦沟特大桥32m跨度简支T梁进行运营性能试验,测试桥梁结构动力响应,研究提速状态下桥梁结构的动力响应规律。研究结果表明:在30～70km/h时速重载列车作用下,32m简支T梁的横向自振频率、跨中横向振幅、横向加速度、动力系数以及墩顶横向振幅和桥墩横向自振频率均符合《铁路桥梁检定规范》相关要求;随着列车速度提高,桥跨结构横向振动和竖向振动明显增大,墩顶横向振动也有逐渐增大趋势;随列车轴重增加,桥跨结构跨中动挠度逐渐增大,而其他动力性能参数变化规律不明显。     

地铁列车作用下不同无砟轨道结构振动响应

建立了单趾弹簧扣件、弹性支承块式、橡胶浮置板式3种无砟轨道的空间振动分析模型和地铁列车-无砟轨道系统空间振动分析方程.分别计算了3种无砟轨道在地铁列车荷载作用下的空间振动响应,并比较了系统响应随无砟轨道类型及车速的变化规律.结果表明,系统振动响应随车速的提高而增大;在车速相同的条件下,无砟轨道类型对钢轨竖向位移、轨道板竖向位移、轨道板竖向加速度、轮轨竖向力、脱轨系数及轮重减载率等响应影响较大,对其他振动响应的影响不甚明显;橡胶浮置板式轨道的竖向位移、横向位移与轨距扩大值最大;单趾弹簧扣件轨道轮轨作用力最大,橡胶浮置板轨道轮轨作用力最小;支承块和浮置板振动加速度明显小于钢轨振动加速度;在3种轨道行驶条件下,随着车速提高列车脱轨系数和轮重减载率均增大,竖向振动加速度最大值、横向振动加速度最大值、Sperling竖向舒适度指标和Sperling横向舒适度指标大致呈现先增大后减小趋势.当地铁列车在80km/h以下的运行速度通过这3种轨道结构时,列车的安全性和舒适性均能得到保证.     

龙卷风作用下大跨度桥梁车-轨-桥耦合振动及行车安全性

为研究龙卷风作用下大跨度桥梁车-轨-桥系统动力响应及行车安全性,首先以Kou-wen三维模型模拟龙卷风速度场,基于准定常理论确定了移动龙卷风作用下车辆和桥梁风荷载时程. 然后,分别采用多体系统动力学和有限元理论建立列车和轨道-桥梁子系统动力方程,基于轮轨空间非线性接触建立风-车-轨-桥系统动力方程,并采用分离迭代法求解系统动力响应. 数值算例中,以某公路铁路两用斜拉桥为研究对象,通过风洞试验和CFD数值模拟确定车辆和桥梁气动力系数,分析了龙卷风移动路径、强度等级和行车速度对车-桥系统动力响应及列车行车安全性的影响. 结果表明：桥梁竖向振动响应比横向显著,且龙卷风竖向风速对桥梁竖向位移起控制作用 . 当车辆经过风荷载最大位置时,车辆的横向和竖向振动响应均达到最大值,且车辆动力响应受龙卷风荷载和桥梁动力响应共同影响. EF1级和EF1.3级龙卷风作用下,列车安全通过的车速阈值分别为180 km/h和114 km/h.     

重载列车提载对简支T梁桥动力响应的影响

为研究重载列车提载对既有铁路简支T梁结构动力响应的影响,以常用跨度16、20、24和32 m预应力混凝土简支T梁为例,建立重载列车-轨道-桥梁三维耦合精细化有限元模型;选取朔黄铁路线上一座典型预应力混凝土简支T梁桥进行了现场试验,验证了有限元模型的准确性。计算重载列车作用下车桥系统的动力响应,探讨重载列车提载对桥梁结构动力响应的影响规律,并对既有铁路典型桥梁进行列车提载适应性分析。结果表明:采用同种货物列车车型时,各跨度桥梁的位移响应随列车轴重的提高呈近似线性增加关系,加速度响应随列车轴重的提高有所增大;采用不同货物列车车型时,各跨度桥梁的动力响应随列车轴重的提高波动较大,其变化与轴重提高的相关性不明显;列车车体长度和车辆定距对跨度较大的桥梁影响较大,当桥梁跨度很小(小于8 m)时,重载列车对桥梁所产生的动力响应仅与轴距有关。当列车轴重提至30 t及以上时,既有铁路典型桥梁横向动力响应偏大,应进行横向加固。     

三线铁路预应力连续梁桥列车-桥梁时变系统空间振动分析

在列车-桥梁时变系统横向振动能量随机分析理论的基础上,采用26个自由度的列车空间振动模型,以考虑箱梁翘曲影响的空间梁单元模拟桥梁结构,建立多线铁路箱梁桥列车-桥梁时变系统空间振动分析模型,分别以构架人工蛇行波及前苏联规律性的竖向不平顺函数为横向及蛏向激振源,计算列车以不同车速通过桥梁的空间振动响应,并对该大桥的竖向横向刚度做出评价。研究结果表明：在各种不同列车、不同行车情况下,列车走行舒适性均在“良好”标准以上;该桥具有足够的横向（横向位移为6．36mm）和竖向刚度（竖向位移为131．25mm）。     

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。     

制动工况关门车位置对全列空车安全性影响

在既有线货物列车提速背景下,为研究关门车(关闭制动支管截断塞门从而不起制动作用的车辆)编组位置对全空货物列车安全性的影响,根据车辆系统动力学理论和车辆-轨道耦合动力学理论,建立了列车-轨道耦合系统动力学模型,分析了制动初速从80 km/h提到90 km/h时,关门车编组在全空货物列车的前、中、后三部分时,货物列车的轮轴横向力、脱轨系数、轮重减载率等安全性指标,并与无关门车时的动力学安全性指标进行了对比,结果表明:在常用制动工况下列车中有无关门车时,安全性相差不大,且均满足《机车车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB/T 5599—2019)标准要求;关门车的安全性能与正常车辆相比,差异不明显;关门车位于列车头部时,轮轴横向力和脱轨系数略大于位于其他部位时的情况;关门车位于列车中部、后部时,动力学性能相差不大.     

高速列车构架蛇行波实测统计分析

为完善运营速度290和300 km/h的高速列车轨道(桥梁)时变系统横向激振源的基础资料,基于实测的高速列车构架蛇行波资料,运用工程概率数值分析方法,对高速列车构架蛇行波标准差σ进行了统计,并运用三角级数模型及Monte-Carlo法随机模拟出高速列车人工构架蛇行波.研究结果表明,随着速度由290 km/h上升到300 km/h,高速列车构架蛇行波标准差σ_p(p=99%)由0.238 3g上升到0.245 1g,且高速列车人工构架蛇行波峰值分别为0.843g,0.883g,与实测构架蛇行波峰值接近,初步验证了构架蛇行波标准差σ_p的合理性,从而为高速列车轨道(桥梁)系统横向振动分析提供了良好的激振源.     

行车作用下盾构隧道下穿框架桥梁耦合动力学特征

为分析行车作用下盾构隧道下穿既有铁路框架桥梁结构的耦合动力学影响,基于铁路大系统动力学与有限元理论,建立列车-有砟轨道-框架桥梁-土体-盾构隧道耦合动力学模型,研究不加固地层和加固地层开挖完成后所引起的既有铁路框架桥梁结构的沉降变形规律,引入ABAQUS^?-MATLAB^?联合仿真、时变耦合和多步长动力迭代求解策略,对盾构隧道下穿和行车作用耦合效应下既有铁路结构的动力响应进行数值仿真,分析和评估耦合效应下的列车动力学行为和行车性能。研究结果表明：相对框架桥梁不对称下穿,盾构隧道导致结构沉降变形呈不对称分布,左线先行开挖引起的沉降大于右线的沉降;加固地层能够减小盾构开挖引起的沉降变形和车致振动位移,但会增大车致振动加速度及框架桥梁应力;盾构开挖对列车运行造成附加影响,系统动力响应、车辆运行安全性和平稳性指标都与运行速度呈正相关,速度超过120 km/h后有跳轨风险;在速度为160 km/h时,车体振动附加影响增幅可达到136.03%。在施工过程中,应注意加固开挖造成的车致振动加速度增大现象,同时应当考虑降速通过盾构隧道下穿区段。     

洪涝灾害引起的货物列车脱轨全过程分析

基于列车-轨道系统空间振动分析理论,考虑洪涝灾害的影响,建立洪涝灾害条件下列车-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。运用列车脱轨能量随机分析理论,提出洪涝灾害条件下列车脱轨全过程计算方法,分别对该条件下直线和曲线路段列车脱轨全过程进行计算和分析。研究结果表明:洪涝灾害引起的货物列车在直线和曲线路段脱轨时转向架摇头角分别为0.20°和0.27°,转向架与钢轨之间的横向相对位移分别为52.8 mm和48.1 mm,相比直线路段,列车在曲线路段更易脱轨。这些研究结果可为研发机械式的列车脱轨报警器提供重要的理论依据和技术参数,进而确保该报警器能在列车脱轨时立即发出报警,使列车及时停车。     

提速后既有线混凝土桥梁存在问题及原因分析

随着我国第六次大提速的实施,提速后列车对桥梁设备的冲击明显增大,既有线桥梁的运营状态恶化,尤其是既有线上已服役多年的桥梁,曾多次发生因桥梁振动过大影响列车安全运行的事故,为此如何使既有线混凝土桥梁适应列车提速的需要,减小列车提速后列车对混凝土桥梁的影响,有针对性的采取一定的对策,是我们必须面对和需要解决的问题。本文分析了当既有线的旅客列车和货物列车速度分别提高到160km/h和90km/h时混凝土桥梁产生的横向振幅过大、耐久性问题突出等普遍和急待解决的问题,分析了病害产生的原因。     

预应力混凝土T形梁桥横向振幅行车安全限值分析

运用列车脱轨能量随机分析理论计算5座横向振幅超限桥梁列车走行安全性.基于脱轨分析理论,提出新的铁路桥梁横向振幅行车安全限值分析方法.具体步骤为:建立考虑一定误差系数的预防脱轨条件,确定桥梁横向刚度行车安全判别参数,确定预防脱轨的临界梁墩系统,计算梁墩系统横向振幅行车安全限值.运用此方法,计算提速线预应力混凝土T形梁桥横向振幅行车安全限值.研究结果表明:现有的桥梁横向振幅行车安全限值过于严格;提速线跨度为32 m和24 m的预应力混凝土T形梁桥横向振幅行车安全限值分别为L/3 980和L/4 411(L为桥梁跨度);取L/4 500作为提速线预应力混凝土T形梁桥横向振幅行车安全限值建议值.