【博士】高速鐵路車輛—道岔—橋梁耦合振動(dòng)理論及應(yīng)用研究【2009】

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　　學(xué)科專業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：東南大學(xué)　　學(xué)位年度： 2009年　　高速鐵路對(duì)線路的平順性要求嚴(yán)，高架橋、長(zhǎng)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(guò)岔時(shí)的安全性與平穩(wěn)性。隨著我國(guó)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(wèn)題成為亟需開展的基礎(chǔ)性課題之一。本文在參考國(guó)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(lái)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(wú)縫道岔的設(shè)計(jì)方案評(píng)估和參數(shù)優(yōu)化提供理論支撐。主要研究工作如下：　　1．建立車輛一道岔一橋梁耦合振動(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(lái)的7剛體(1個(gè)車體、2個(gè)構(gòu)架、4個(gè)輪對(duì))振動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)剛體具有點(diǎn)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--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(tái)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(wú)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?！　?．詳細(xì)論述車輛一道岔一橋梁動(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(wèn)題的Hamilton變分原理和“對(duì)號(hào)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)仿真通片j程序DATTB?！　?．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(píng)估標(biāo)準(zhǔn)探析?！　√岢鲆粤熊嚇蛏线^(guò)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(píng)估準(zhǔn)則，對(duì)國(guó)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(píng)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?！　?．車一岔一橋耦合振動(dòng)試驗(yàn)研究　　應(yīng)用DATTB對(duì)浙贛線湄池特大橋上200km／h提速改進(jìn)型60kg／m鋼軌12號(hào)有砟道岔進(jìn)行動(dòng)力學(xué)評(píng)估，通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)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(cè)結(jié)果對(duì)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?！　?．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(duì)車．岔．橋耦合振動(dòng)的影響，揭示出高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(wú)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(duì)位置是保證高速列車橋上過(guò)岔安全性與平穩(wěn)性的關(guān)鍵?！　?．車輛一道岔一橋梁耦合振動(dòng)理論的工程應(yīng)用以鄭西客運(yùn)專線無(wú)砟軌道多種跨度布置連續(xù)梁橋上鋪設(shè)法國(guó)COGIFER時(shí)速350公里18號(hào)道岔和廈深客貨混跑鐵路有砟軌道(48+2X80+88+48)m連續(xù)梁橋上鋪設(shè)中國(guó)自主研發(fā)的時(shí)速250公里30號(hào)道岔的動(dòng)力學(xué)評(píng)估為例闡述了車輛-道岔-橋梁耦合振動(dòng)理論的實(shí)際應(yīng)用?！　?

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