轨道不平顺激励下车辆—轨道空间耦合系统动力学响应分析

【摘要】：轨道不平顺是引起车辆-轨道耦合系统动力学响应的主要原因。随着我国高速、重载铁路的迅速发展,列车运行速度的大幅度提高,使得轮轨之间的相互作用大大增强,轨道不平顺对轮轨系统相互作用的影响日趋显著。研究轨道不平顺作用下车辆-轨道空间耦合系统的振动响应对于确保铁路车辆运营中的平稳性,安全性具有重要的理论和现实意义。 本文基于车辆-轨道系统耦合动力学原理,建立了车辆-轨道空间耦合动力学模型,并以轨道随机不平顺作为耦合模型的输入激励。通过求解轮轨空间动态耦合关系得到轮轨相互作用力；采用数值积分方法求解车辆-轨道空间耦合动力学方程,得到车辆-轨道空间耦合系统的动力学响应。 在确立系统研究方案的基础上,论文首先建立了车辆-轨道空间耦合动力学模型,根据达朗贝尔原理,详细地推导了车辆、钢轨以及轨下各部分参振质量的振动方程。采用逆傅里叶变换的方法对轨道不平顺功率谱进行数值仿真,得到不平顺时域样本,从而建立线路的激励模型。针对轮轨相互作用力的求解,通过建立轮轨空间动态耦合模型,计算轮轨动态接触几何关系,从而得到轮轨相对运动时的接触几何参数。代入车辆-轨道运动参数,采用Herz非线性弹性接触理论可得到轮轨法向力；利用Kalker线性蠕滑理论计算出轮轨蠕滑率及蠕滑力,然后采用Shen-Hedrick-Elkins理论对蠕滑力进行非线性修正。 对于车辆-轨道空间耦合动力学方程这一大型强非线性动力学方程的求解,采用了将Newmark隐式法与新型数值积分法结合的Newmark预测-校正积分法。利用增量方程的形式进行数值积分,从而得到车路系统的动态响应。该方法结合了隐式法和显式法的优点,能在保持计算精度的前提下加快运算速度。 本文使用MATLAB编写计算程序对耦合系统进行动力学仿真。仿真结果表明,在不同的轨道不平顺状态与车辆参数的情况下,车辆-轨道耦合系统的动力学响应存在较大的差距；随着车辆运行速度的提高,车辆-轨道系统大部分部件的垂向、横向振动响应均明显加强。