高速鐵路車輛—道岔—橋梁耦合振動(dòng)理論及應(yīng)用研究.pdf

1、高速鐵路對線路的平順性要求嚴(yán)，高架橋、長大橋多為其主要特征，車站咽喉區(qū)位于橋梁上的可能性較普通鐵路大得多。作為限速關(guān)鍵設(shè)備的高速道岔鋪設(shè)于橋梁上，岔橋結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈的動(dòng)力相互作用，從而降低高速列車橋上過岔時(shí)的安全性與平穩(wěn)性。隨著我國客運(yùn)專線和高速鐵路的建設(shè)，快速及高速行車條件下車輛與橋上道岔的動(dòng)態(tài)相互作用問題成為亟需開展的基礎(chǔ)性課題之一。本文在參考國內(nèi)外車橋振動(dòng)理論與道岔動(dòng)力學(xué)研究資料的基礎(chǔ)上，將機(jī)車車輛、道岔區(qū)軌道與橋梁視為一個(gè)整體大系

2、統(tǒng)，以車輛動(dòng)力學(xué)、道岔動(dòng)力學(xué)、橋梁動(dòng)力有限元方法為基礎(chǔ)，以岔區(qū)輪軌關(guān)系、岔橋關(guān)系為聯(lián)系紐帶，應(yīng)用數(shù)值仿真的方法來研究高速行車條件下道岔區(qū)軌道及橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、行車的安全性和平穩(wěn)性，為高速鐵路橋上無縫道岔的設(shè)計(jì)方案評估和參數(shù)優(yōu)化提供理論支撐。主要研究工作如下：
　　 1.建立車輛-道岔-橋梁耦合振動(dòng)系統(tǒng)模型
　　 將機(jī)車車輛視為一個(gè)由懸掛彈簧和阻尼聯(lián)系起來的7剛體(1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對)振動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)剛體具有點(diǎn)

3、頭、搖頭、側(cè)滾、沉浮和橫移5個(gè)自由度，整個(gè)車輛系統(tǒng)共有35個(gè)自由度。在綜合高速道岔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立起包含轉(zhuǎn)轍器、連接部分和轍叉三部分的完整道岔動(dòng)力學(xué)模型，模型中考慮鋼軌截面型式變化、項(xiàng)鐵接觸傳力、間隔鐵高強(qiáng)聯(lián)結(jié)、滑床臺非線性支承等因素；將軌枕或支承塊視為剛體并考慮其垂向、橫向及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，無砟軌道板的垂向振動(dòng)按彈性地基上的等厚度矩形薄板考慮，而橫向視為剛體運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用動(dòng)力有限元方法將橋梁結(jié)構(gòu)離散化。
　　 2.詳細(xì)論述車輛-

4、道岔-橋梁動(dòng)態(tài)相互作用原理并建立相應(yīng)分析理論、編制通用計(jì)算程序DATTB
　　 綜合應(yīng)用道岔區(qū)多變的輪/岔接觸幾何關(guān)系、輪軌Hertz非線性彈性接觸理論、輪軌蠕滑理論、岔橋相互作用關(guān)系，詳細(xì)論述了車輛-道岔-橋梁動(dòng)態(tài)相互作用原理。以高速道岔結(jié)構(gòu)及狀態(tài)不平順作為系統(tǒng)的主要激振源，根據(jù)離散系統(tǒng)動(dòng)力問題的Hamilton變分原理和“對號入座”法則建立起車-岔-橋耦合振動(dòng)分析理論，并編制出相應(yīng)動(dòng)力學(xué)仿真通用程序DATTB。
　　

5、 3.高速鐵路岔橋結(jié)構(gòu)運(yùn)用安全性以及行車平穩(wěn)性評估標(biāo)準(zhǔn)探析
　　 提出以列車橋上過岔的安全性及平穩(wěn)性、道岔與橋梁的強(qiáng)度和穩(wěn)定性作為橋上道岔的動(dòng)力評估準(zhǔn)則，對國內(nèi)外有關(guān)機(jī)車車輛、道岔及橋梁的動(dòng)力學(xué)性能評價(jià)指標(biāo)，如輪軌垂、橫向力、輪軸橫向力、尖軌及心軌開口量、尖軌及心軌動(dòng)應(yīng)力、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體振動(dòng)加速度、平穩(wěn)性指標(biāo)、橋梁撓度、橋梁自振頻率、橋梁橫向振幅、橋梁振動(dòng)加速度等進(jìn)行了歸納整理。
　　 4.車-岔-橋耦合振動(dòng)

6、試驗(yàn)研究
　　 應(yīng)用DATTB對浙贛線湄池特大橋上200km/h提速改進(jìn)型60kg/m鋼軌12號有砟道岔進(jìn)行動(dòng)力學(xué)評估，通過仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比分析，驗(yàn)證了DATTB的可靠性。同時(shí)，橋上道岔與路基上道岔的動(dòng)測結(jié)果對比分析表明，橋上道岔區(qū)輪軌動(dòng)力相互作用遠(yuǎn)較普通路基上道岔區(qū)強(qiáng)烈。
　　 5.高速車輛與橋上道岔的動(dòng)態(tài)相互作用規(guī)律研究
　　 系統(tǒng)研究車輛、道岔和橋梁的各種可變因素對車-岔-橋耦合振動(dòng)的影響，揭示出高

7、速車輛與橋上道岔的動(dòng)態(tài)相互作用規(guī)律，并提出了高速鐵路橋上無縫道岔動(dòng)力設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。優(yōu)化的道岔區(qū)輪軌關(guān)系和軌道剛度、合理的橋梁豎向剛度和岔橋相對位置是保證高速列車橋上過岔安全性與平穩(wěn)性的關(guān)鍵。
　　 6.車輛-道岔-橋梁耦合振動(dòng)理論的工程應(yīng)用
　　 以鄭西客運(yùn)專線無砟軌道多種跨度布置連續(xù)梁橋上鋪設(shè)法國COGIFER時(shí)速350公里18號道岔和廈深客貨混跑鐵路有砟軌道(48+2×80+88+48)m連續(xù)梁橋上鋪設(shè)中國自主研發(fā)的