客运专线无碴轨道高速列车走行安全性分析理论与应用研究

【摘要】： 无碴轨道是高速铁路轨道结构的发展方向,我国正在大力兴建以成区段铺设无碴轨道为主的客运专线。虽然我国针对无碴轨道进行了大量的理论和试验研究,但客运专线无碴轨道建设仍缺乏成熟经验,主要依靠引进国外无碴轨道技术。如何理解、消化和吸收国外无碴轨道技术,并对其进行再创新,最终实现洋为中用就成了当务之急。尤其重要的是,如何从理论上确保高速列车在客运专线无碴轨道上走行时有较高的安全度,如何通过理论分析得到的结论来指导无碴轨道的设计、施工和运营。因此,通过理论研究解决上述问题将具有重要的理论价值和社会、经济意义。本论文取得了如下主要研究成果： 1.提出了高速列车—无碴轨道时变系统空间振动分析理论,其主要内容包括： (1)基于横向有限条与板段单元法,建立了无碴轨道结构空间振动分析模型,推导了无碴轨道空间振动总势能； (2)将高速列车及无碴轨道视为一个整体系统,考虑车轮悬浮、轮轨位移衔接条件及轮轨“游间”的影响,采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,建立了高速列车—无碴轨道时变系统空间振动方程； (3)以高速列车构架蛇行波为此系统横向振动激振源,以轨道竖向不平顺为此系统竖向振动激振源,利用Wilson-θ数值积分法求解方程； (4)基于Fortran PowerStation 4.0平台,采用Fortran语言编制了相应的计算机程序。 2.计算了高速列车—无碴轨道时变系统空间振动响应,通过与实测结果的比较,以及对计算得到的系统振动响应波形图及量值的分析,证明了本文所建立的无碴轨道结构空间振动分析模型及程序的正确性与可靠性。 3.通过大量分析系统动力学参数对高速列车—无碴轨道时变系统空间振动响应的影响规律,提出了无碴轨道结构设计参数建议取值范围。其中,提出了水泥沥青砂浆应具有较高强度、较低弹性模量的新观点,为我国板式无碴轨道结构用水泥沥青砂浆的研发指出了技术方向。根据本文提出的参数值,由中南大学研发的水泥沥青砂浆材料已成功应用于武广客运专线5 km长的板式无碴轨道试验段。 4.基于列车脱轨能量随机分析理论,进行了高速列车在无碴轨道上的脱轨全过程计算机仿真,首次算出了高速列车脱轨全过程振动响应,并确定了高速列车—无碴轨道时变系统横向振动极限抗力作功σc与车速V的关系；针对我国客运专线典型无碴轨道结构,分析了高速列车在设计车速以内在无碴轨道上的走行安全性,并计算了其安全度。 5.基于列车脱轨能量随机分析理论,提出了列车—轨道系统横向振动失稳临界车速概念及其计算方法,并首次计算了车轨系统横向振动失稳临界车速和具有安全系数K的车轨系统容许极限车速。 6.建立了横风—列车—轨道时变系统空间振动分析方法,研究了横风对高速列车—无碴轨道时变系统空间振动响应的影响规律,分析了横风作用对高速列车在无碴轨道上走行安全性的影响,模拟了横风作用下高速列车的脱轨全过程,得出了控制高速列车脱轨的临界风速值。