重载铁路车-轨-桥动力特性分析

发布时间：2020-10-25 05:09

　　 重载铁路具有低成本、高效率、运量大及污染少等优点,一直是我国乃至全世界努力发展的目标。随着重载铁路列车的不断提速以及轴重的增大,不仅会使承受列车荷载的轨道结构和轨下桥梁结构振动响应加剧,更易产生疲劳损伤和变形,也会使车-轨-桥系统中的相互作用加剧,使列车在桥上运行过程中安全性有所降低,进而导致脱轨事故。因此,系统地分析车辆、轨道、桥梁动力响应是十分必要的。本文首先阐述了当前国内外重载铁路的发展现状,以及车桥耦合动力学的研究现状。并基于车-轨-桥系统耦合作用理论,推导出重载铁路有砟轨道桥梁的垂向及空间有限单元方程,随后选取了桥梁、轨道、车辆的参数,分别利用有限元软件ABAQUS建立简支梁桥实体模型,多体动力学软件UM建立柔性轨道及C80货车模型,并使用Matlab语言自编车-轨-桥单车垂向动力学模型与UM进行对比验证。在进行仿真之前,详细介绍了车-轨-桥耦合系统中轨道不平顺激励因素和车辆、桥梁振动性能以及轮轨接触的动态评价标准。介绍了有限元软件ABAQUS在建立有限元模型和多体动力学软件UM在分析车-轨-桥系统耦合动力学的关键步骤。在对车-轨-桥系统进行分析时,首先从列车的速度、轴重和编组三方面对系统的动力响应开始研究,总结出随着速度和轴重的增大,车-轨-桥系统响应也有不同程度的增大,空重混编的列车脱轨系数和轮重减载率最大,更易脱轨。其次分别研究了轨下扣件刚度和道床刚度变化给系统带来的影响,发现扣件刚度对车辆的安全性和稳定性有一定影响,对轨道结构影响显著,对桥梁结构影响甚微;道床刚度对车辆的安全性和稳定性有影响很小,对钢轨的响应影响有限,对轨枕及桥梁结构影响显著。最后研究了影响桥梁振动的阻尼比和轨道不平顺激励,发现阻尼比可以有效的减小桥梁的振动响应,尤其是在共振时速下,对车辆的振动加速度有一定影响;对比了不同轨道谱对车-轨-桥系统响应的影响,根据数据对比得出不平顺对系统的影响特点以及轨道谱质量的优劣。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U239.4;U441.7
【部分图文】：

为货物运输的主力军，尤其在大宗货物运输方面，有着不可替代的地位。了降低能耗以及从环保的角度出发进行可持续发展，发行了“蓝天保卫战载铁路运输比其他运输方式更加的节能、高效和环保，与我国当前的节能天保卫战”计划正相吻合，已在多个省市进行货物的公路转铁路运输方式此，“货运重载”必定会在原有的基础上继续发展。着车辆技术的不断发展，列车的轴重在原来的基础上不断提高，目前我国铁路通道等线路上已经实现了轴重由 25t 到 30t 的飞越（见下图）。国内对 32.5t 轴重的列车进行研究。列车轴重的增大会带来轮轨力的增大，进体的振动加剧，对行车安全造成影响；向下会加剧轨道及轨下基础（桥梁，使线路产生变形，增加铁路养护维修的工作量[1]。在现行设计中，轨道数的选取基本按照规范，随着列车运行速度以及轴重的增加，我们不能得线路是否能满足发展的需要。因此，分析重载铁路列车在桥梁上运行的不素影响下车辆、轨道、桥梁动力响应变化规律，以及各个部分的动力响应的规范要求是十分必要的。

（e）二轴列车模型过桥 （f）四轴列车模型过桥图 1.2 车桥动力学模型演变过程图早在 18 世纪 40 年代末，英国学者 Willis 便开始了对机车过桥的理论与试验的研究，并首次利用移动常力过桥模型计算出了桥梁的动力响应，最终推导出了移动常力作用下桥梁的振动方程，开创了对车桥耦合体系作用理论进行计算分析的先河[9]。后来，Stokes在 Willis 结果的基础上作了更加精确的分析，获得了 Willis 方程的近似解析解，这种方法没有考虑桥梁的质量，只考虑了单轮惯性力一个因素[10]。1887 年，Robinson 发表了一些荷载作用下桥梁振动的测试结果和初步的理论分析结果，[11]但是由于计算中模型忽略了桥梁质量，因此理论结果和实际还有较大的差距。1905 年，俄国学者 Kolousek 将机车各轮的冲击力视作沿桥梁移动的周期性力，首次应用振型叠加法求得了连续梁桥在移动常力下的竖向振动解，得到了铁路蒸汽机车在钢架、静不定连续以及拱桥上的响应[12]。6 年后，同样为俄国学者的 Timoshenko 和 Krylov 将机车动轮偏心对桥梁的冲击作用模拟为简谐荷载，并给出了移动简谐力作用下桥梁振动的原理[13—15]。之后于 1934 年，

转向架 z 轴转动惯量/(kg·m2) 1760轮对质量/kg 1257轮对 x 轴惯量/(kg·m2) 740轮对 z 轴惯量/(kg·m2) 740滚动圆半径/m 0.915转向架轴距之半/m 0.875车辆定距之半/m 4.35在建立仿真车辆模型时，车体，转向架、轮对均视为刚体，各个部件之间的连接采用铰和约束来定义。转向架上的弹簧、阻尼器等通过使用力元模型来进行定义，可以通过输入数值或函数来定义这些变量。在建立车辆模型过程中，对于车辆系统内部相似的结构，可以通过建立一个子结构系统，再将其复制成多个，并且主结构中的参数会随着子结构的改变而自动改变，这样可以省去大量的建模时间。在进行多节车辆仿真时，也同样可以通过这种思路将单车模型进行复制，并在车辆间设置车钩进行连接。
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本文编号：2855509