城市軌道交通列車軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力相互作用研究.pdf

1、隨著我國城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，迫切需要開展基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)的研究，在技術(shù)上制定相應(yīng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的車輛和軌道結(jié)構(gòu)型式及參數(shù)。另外，為了減少振動和噪音，可采用新型鋼套橡膠輪與鋼軌接觸的運(yùn)行模式，提高列車的平穩(wěn)性和舒適性。但是，對于這一新型輕軌列車，目前尚缺乏理論研究和工程實踐。本文基于國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，通過理論分析、模型試驗和數(shù)值模擬等方法，對這一新型輕軌列車以及傳統(tǒng)的城市地鐵和輕軌列車與軌道結(jié)構(gòu)的動力相互作用問題進(jìn)行了深入的

2、探討。主要研究工作為： (1)進(jìn)行了新型輕軌車輛鋼套橡膠輪輪緣的大變形分析?；诖笞冃螚l件下橡膠增量本構(gòu)關(guān)系和鋼套橡膠輪輪緣與鋼輪及鋼軌之間接觸的分析，構(gòu)造了一個能較好反映輪緣幾何大變形特征的8節(jié)點(diǎn)T.L.列式的曲殼塊體單元。根據(jù)Hertz彈性接觸理論計算出橡膠輪鋼軌接觸時接觸橢圓的長、短半軸和接觸面應(yīng)力分布，然后進(jìn)行了輪緣的大變形分析，得到輪緣的最大徑向位移、應(yīng)力和應(yīng)變與軸向荷載的關(guān)系，進(jìn)而得到鋼套橡膠輪輪軌大變形接觸時的徑向

3、等效剛度，為新型鋼套橡膠輪輕軌列車軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力相互作用方程的建立奠定了基礎(chǔ)。 (2)采用三角級數(shù)法，得到軌道高低和方向不平順隨軌道長度變化的樣本；由Kalker滾動接觸理論，詳細(xì)推導(dǎo)了自由輪對沿直線軌道的運(yùn)動方程，得到自由輪對的蛇行運(yùn)動表達(dá)式，和軌道的方向不平順一起，得到列車軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力相互作用方程的橫向激振源。 (3)對國內(nèi)外有關(guān)對列車軌道振動系統(tǒng)的動力學(xué)性能評價指標(biāo)，如脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體振動加速度、平

4、穩(wěn)性指標(biāo)、輪軌豎向力、輪軸橫向力和輪軌橫向力等進(jìn)行了歸納和分析，并給出了新型鋼套橡膠輪輕軌列車爬軌側(cè)脫軌系數(shù)的安全指標(biāo)。 (4)采用彈性系統(tǒng)動力學(xué)總勢能不變值原理和形成矩陣的“對號入座”法則，建立了比較完善的列車與有碴軌道和多種無碴軌道結(jié)構(gòu)的動力相互作用模型。模型中將每一車輛視為由車體、轉(zhuǎn)向架及輪對組成的多剛體，考慮車體和前、后轉(zhuǎn)向架的橫向、豎向、側(cè)滾、搖頭、點(diǎn)頭自由度，每一輪對的橫向、豎向、側(cè)滾、搖頭自由度。針對有碴軌道、枕式

5、無碴軌道、彈性支承塊式軌道、浮置板式軌道，分別建立了相應(yīng)的組合單元動力學(xué)計算模型。模型中將鋼軌模擬成離散粘彈性點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的Euler梁(浮置板式軌道為連續(xù)粘彈性支承)，軌枕、道碴道床和混凝土支承塊視為剛性質(zhì)量塊，浮置板的豎向視為離散粘彈性支承基礎(chǔ)上的等厚度矩形薄板，用有限元法中的縱橫向有限條帶單元進(jìn)行離散，橫向也視為離散粘彈性支點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的Euler梁。并對建立的列車-軌道時變系統(tǒng)動力相互作用方程，應(yīng)用Newmark-β數(shù)值積分法，

6、用VisualFortran95語言編制了可用于分析列車在任意編組條件下的車輛和軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的計算程序。 (5)研制了一小比例的鐵道車輛軌道系統(tǒng)振動試驗?zāi)Ｐ停辉趯囕v和軌道系統(tǒng)模型主要參數(shù)測試和分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鋼套橡膠輪對和鋼輪對兩種車輛模型多種車速的振動試驗，并對車輛和軌道系統(tǒng)的動力響應(yīng)作了對比；通過對理論計算結(jié)果和試驗結(jié)果的比較，驗證了本文所建立的列車軌道系統(tǒng)動力相互作用模型和編制程序的有效性。 (6)按照一

7、選定的整體道床軌道結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)行了鋼套橡膠輪對輕軌列車和鋼輪對輕軌列車的計算對比，首次得到這一新型城市輕軌列車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體振動加速度等評價指標(biāo)。 (7)應(yīng)用建立的列車-軌道系統(tǒng)動力相互作用模型和編制的計算程序，對有碴軌道和廣州市地鐵二號線所采用的單趾彈簧扣件軌道、彈性支承塊式軌道、橡膠浮置板式軌道及其浮置板式軌道過渡段進(jìn)行了列車軌道耦合系統(tǒng)的動力學(xué)性能評估。最后，本文還研究了橡膠浮置板式軌道的動力特性，提出了浮置