关于列车轨道系统振动计算中存在的几个主要问题

在回顾国内外已有列车 轨道系统振动计算方法的基础上 ,指出了其中存在的几个主要问题 ,提出了解决这些问题的途径 ,同时还列出了部分计算结果 。

地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动的影响研究

随着磁浮交通线路的不断扩展,地震作用对磁浮交通系统的安全性构成了严重威胁。为探究地震作用对中速磁浮列车-轨道-桥梁系统振动响应特性的影响,基于考虑比例-积分-微分(PID)主动悬浮控制的磁浮车轨耦合关系,在绝对坐标系下建立磁浮列车-轨道-桥梁系统地震响应数值计算模型,其中将车辆简化为具有45个自由度的多刚体,轨道-桥梁结构采用有限元法建立。在此基础上,编制相应的仿真程序,计算只考虑车辆作用、只考虑地震作用以及同时考虑车辆和地震作用3种工况下系统的动力响应,并分析车速对系统地震响应的影响规律。研究结果表明:地震作用对磁浮列车-轨道-桥梁系统耦合振动影响明显,尤其是对横向耦合振动的影响;轨道-桥梁结构跨中竖向位移受车辆作用影响较大,跨中横向位移主要受地震作用影响;轨道-桥梁结构的频域响应与车辆荷载的特征频率及结构固有频率密切相关,地震作用会显著放大轨道-桥梁结构的1阶固有频率振动响应;同时考虑车辆作用和地震作用时,随着车速提高,车体加速度幅值与桥梁跨中竖向位移幅值并非单调变化,而桥梁跨中横向位移幅值呈现下降趋势。研究成果可为后续磁浮列车-轨道-桥梁耦合系统地震响应分析和轨道-桥梁结构设计提供理论支撑。

路基不均匀沉降下列车-有砟轨道-路基三维耦合系统动力响应分析

基于多体动力学与有限单元法建立列车-有砟轨道-路基三维耦合系统精细化数值模型,并提出一种新的迭代方法,将路基余弦型不均匀沉降作为位移边界条件,通过判断轨道结构与路基结构间的接触状态,研究路基不均匀沉降和列车荷载共同作用下的轨道结构伴随性变形,计算列车动力响应、轮轨接触力和轨枕与道砟间的接触力等,进而模拟分析不同波长和幅值的不均匀沉降对上述动力响应和轨枕空吊等病害的影响,揭示路基不均匀沉降与钢轨变形之间的映射关系。研究结果表明:轨道结构伴随性变形随路基沉降幅值的增大而增大,且在一定沉降范围内引发轨枕空吊等病害;耦合系统结构动力响应随路基沉降幅值的增大而增大;随沉降波长增大,轮重减载率和轮轨力减小,而车体竖向加速度呈现先增大后减小的变化趋势,并存在10 m左右的敏感波长使得车体竖向加速度最大;路基不均匀沉降可加剧轨枕和有砟道床间的相互作用,进而加剧沉降发展。

基于模糊逻辑的城市轨道交通列车牵引供电系统关键结构故障诊断研究

据数据统计,截止到2023年,我国共建成1083条城市轨道交通线路,共计18668个车站。城市轨道交通作为一种高效率、低成本、节能环保的交通运输方式,也受到了人们的重点关注。本文将以模糊逻辑为出发点,分析城市轨道交通列车牵引供电系统关键结构的高发故障,并且对故障诊断进行深入分析,希望能够为城市轨道交通列车牵引供电系统的高效运行提供支持。

列车-轨道系统竖向动力分析的车辆轨道单元模型

根据列车-轨道系统运动的特点,提出了适合该问题动力学分析的新型车辆单元和轨道单元,运用有限元方法和Lagrange方程,推导了两种单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵。整个列车-轨道系统只需离散成车辆单元和轨道单元,其中轨道系统离散成轨道单元,一节车辆离散成一个车辆单元。该模型具有程序编制容易、计算效率高的特点。作为应用实例,给出单轮通过和考虑轨道完全平顺和具有随机不平顺条件下整车通过时车辆和轨道动力响应分析的二个算例。

关于列车-轨道(桥梁)时变系统空间振动方程的建立及其求解

分析了国内外在列车-轨道(桥梁)时变系统空间振动方程的建立及其求解过程中存在的根本问题。基于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(它不是一般的有限元分析中的计算机编码法和刚度集成法),可以很好地克服这一根本问题,同时还可以简便有效地建立并求解此时变系统空间振动方程,在直线轨道及桥梁上货物列车脱轨计算中取得了良好效果。对2座桥上列车走行安全性、平稳性及舒适性进行了分析,分析结果已被有关铁路局采用。

轨枕悬空条件下的列车-轨道系统竖向振动响应研究

针对道床作为散体结构本身具有弹、塑性,在列车荷载的反复作用下会发生沉降,沉降的不均匀导致轨枕悬空的情况,基于列车—轨道系统竖向振动分析方法,研究1根和几根轨枕悬空时列车—轨道系统的竖向动力响应。计算结果表明,当列车通过悬空轨枕时轮轨相互作用增大,其中轨枕的竖向位移及加速度增长最明显,且随着悬空轨枕的根数增加,动力响应增长越明显;即使毗邻轨枕的支承良好,也受到悬空轨枕的影响,轨枕位移及加速度增长显著;轨枕悬空会加速轨道结构的破坏,甚至危及行车安全。

层状饱和地基-轨道-列车耦合系统轨道不平顺引起的振动分析

采用半解析方法研究了层状饱和地基-轨道-列车耦合系统的动力响应问题。层状饱和地基由任意水平饱和土层和下卧饱和半空间组成,轨道采用以无限长欧拉梁模拟的钢轨、连续质量块模拟的轨枕和Cosserat模型模拟的道砟组成的三层系统,列车模拟为弹簧和阻尼元件连接的多刚体系统。振动输入由钢轨的竖向不平顺提供。通过地基表面轨道中心处竖向位移与道砟位移相等实现层状饱和地基和轨道的耦合,通过在车轮与钢轨间引入Hertizian接触弹簧来实现轨道与列车的耦合,首先求得频率-波数域内解答,然后通过Fourier逆变换求得时间-空间域内振动响应。文中验证了方法的正确性,并进行了数值计算分析,研究表明钢轨不平顺引起的列车动荷载振动频率较低时,随着列车运行速度的增大地基表面位移幅值逐渐增大;振动频率较高时,列车运行速度对位移幅值峰值的影响不明显,但列车驶过后地基的振动明显增大,振动时间变长。

基于分离迭代和耦合时变的列车—轨道—桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车—轨道—桥梁耦合系统动力分析的计算效率,基于耦合时变法及分离迭代法,提出了1种混合算法。该算法将列车—轨道—桥梁耦合系统分解为车辆—轨道子系统和桥梁子系统。其中,车辆—轨道子系统在每一时间步需根据车辆位置对系统刚度系数矩阵进行更新,具有时变的特性;桥梁子系统的系统动力系数矩阵在整个动力分析过程中保持不变;车辆—轨道子系统与桥梁子系统通过钢轨与桥梁间作用力的平衡迭代实现耦合。利用朔黄重载铁路32m简支梁桥现场试验数据与由混合算法计算得到的分析结果进行对比,验证了混合算法的可行性。采用耦合时变法和混合算法分别计算列车通过蒙华重载铁路黄河龙门大桥的动力响应,结果表明:采用相同的时间积分步长时,2种方法拥有相同的计算精度,但混合算法比耦合时变法具有更高的计算效率,求解耗时降低了75%。

基于模态叠加法和直接刚度法的列车-轨道-桥梁耦合系统高效动力分析混合算法

为提高列车-轨道-桥梁耦合系统(Train-Track-BridgeCoupledSystem,TTBS)动力分析的计算效率,该文基于作者之前提出的TTBS动力分析混合模型,结合模态叠加法和直接刚度法,提出了一种改进的混合方法(Improved Hybrid Method,IHM)。该方法中,列车动力方程通过多刚体动力学方法建立;轨道结构动力方程通过直接刚度法建立以准确求解其高频局部振动响应,桥梁结构动力方程通过模态叠加法建立以降低其自由度数目。列车和轨道结构通过轮轨线性Hertzian接触关系耦合为列车-轨道耦合时变子系统,轨道与桥梁间通过轨-桥相互作用力的平衡迭代实现耦合。首先以朔黄重载铁路32 m简支梁桥现场试验数据验证了该文方法的正确性。然后,以CRH2型高速动车组通过万宁系杆拱桥为例,探究了桥梁振型数量对动力响应指标计算精度的影响规律,最后,对比三种不同的列车-轨道-桥梁耦合系统动力分析方法的计算结果及耗时,结果表明:同样的计算精度下,该文方法具有更高的计算效率。

拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响

为探讨结构拟静力分量对地震作用下高速铁路桥上列车行车安全性的影响,考虑路基和桥梁地震力边界条件,分别采用相对运动法和大质量法,在相对坐标系和绝对坐标系下处理地震力边界条件,建立了不同坐标系下的列车-轨道-桥梁系统地震响应分析模型.以跨度48 m+5×80 m+48 m的刚构-连续组合梁桥为例,分析了结构单向和三向拟静力分量对列车-轨道-桥梁系统地震响应的影响.结果表明:结构横向拟静力分量将显著增大桥梁横向位移、钢轨横向位移、列车脱轨系数和轮重减载率,而纵向、竖向拟静力分量的影响甚微;同时考虑结构的三向拟静力分量时,列车脱轨系数和轮重减载率均显著增大,且其相对误差随列车速度提高而增大,最大达30.5%和22.2%.因此,不考虑结构拟静力分量在列车速度较高时将严重低估车辆的动力响应,对桥上列车的行车安全性造成误判.

地震作用下高速铁路列车—无砟轨道—桥梁系统动力响应及列车走行安全研究

在总结和吸收既有研究成果的基础上，以铺设CRTSⅡ板式无砟轨道的高速铁路简支梁桥为工程背景，对地震作用下高速铁路列车一无砟轨道一桥梁的动力响应及列车走行安全性进行系统研究，提出地震时不同条件下高速列车在桥上安全运行限速的建议值。本文的主要研究内容如下。

高速列车—轨道系统地震波激励下计算机仿真研究

本文在列车—轨道三维耦合动力学模型的基础上,对地震波激励下高速列车—轨道系统的响应及防灾进行了计算机仿真研究,得出了初步结论。

列车-轨道-地道桥时变系统振动分析

建立了列车 轨道 地道桥振动分析模型,其中车辆(包括机车)表示成19个自由度的多刚体系统模型,直线轨道离散成30个自由度的空间轨道单元,地道桥划分为46个自由度的空间框架单元;运用弹性系统动力学总势能不变值原理和"对号入座"法则形成空间耦合时变系统的振动方程;根据振动能量随机分析理论,以人工构架蛇行波和轨道竖向不平顺为激振源,对该系统的各种响应进行分析.计算结果与实测结果比较接近,表明所建立的车轨桥模型和采用分析方法用于地道桥车振分析切实可行.

地铁列车-宽枕板式减振轨道系统竖向振动分析及减振效果评价

针对地铁轨道结构设计中不可避免地面临活动断裂带与轨道减振降噪地段重合的情形,建立了列车-宽枕板式减振轨道系统竖向振动分析模型,探讨了不同减振轨道结构的动力特性及减振性能。结果表明:以压缩型减振扣件替换普通扣件的轨道结构的减振效果值可达5.24 dB,满足中等减振轨道的需求,同时满足行车要求;宽枕板下黏贴减振垫可适用于高等减振地段,建议高等减振地段减振垫刚度≥0.030 N/mm^(3);道床底部铺设减振垫可适用于特殊减振地段,建议特殊减振地段减振垫刚度取值可放宽至0.018 N/mm^(3)。

基于结构参数不确定的列车-轨道-路基系统耦合振动概率分析

列车荷载作用下有砟轨道-路基耦合系统结构参数的不确定性引起的随机振动对行车安全的影响不可忽略。本文提出了一种基于概率密度演化理论的三维列车-有砟轨道-路基耦合系统随机振动概率仿真分析模型,该模型可同时考虑轨道随机不平顺、道砟层和路基层随机刚度、随机阻尼等耦合效应,为列车-轨道-路基系统随机振动分析提供了一种全新的计算分析方法。采用数论方法对多维随机参数进行代表性离散数组点设计。结果表明,与蒙特卡罗模拟方法相比,概率密度演化模型开展随机振动分析更为准确、高效。基于算例开展了多维随机参数的敏感性分析,系统地评估了不确定结构随机参数的相对重要性,并在此基础上探讨了列车-轨道-路基系统的随机概率演化机制。

PLB教学法在轨道交通类专业教学中的应用研究——以城市轨道交通列车制动系统课程为例

本文以城市轨道交通列车制动系统课程为例,论述PL B教学法在轨道交通类专业教学中的应用,从PL B教学法具有较强的实践性、能够多角度多层面呈现知识内容、可以提高学生的专业素质等三个方面分析PLB教学的优势;从明确教学方向、设计课堂问题、以小组为单位展开学习等方面设计PLB应用于轨道交通专业的教学流程;最后从学生能力、教学思想、评估体系三个方面对PLB在轨道交通专业的应用加以反思。

轨道交通列车运行控制系统课程教学改革探究

为了提升学生学习的积极性,文章对轨道交通列车运行控制系统课程教学改革进行了探究,从优化课程体系、组织与优化课程教学内容、探索教学方法、改革考核方式四方面进行了论述,最后总结分析了教学实践效果。

轨道交通环境振动半解析预测方法

准确预测列车引起的环境振动对轨道交通减振降噪具有重要作用。建立点源冲击荷载作用下的轨道-半无限区域大地模型,推导预测列车在轨道上运行时引起大地振动加速度的解析公式。根据该公式,提出基于模型计算列车荷载密度和现场实测大地线源振动传递导纳的轨道交通环境振动半解析预测方法。为验证预测方法的正确性,选择昌九城际铁路某轨道区域实测大地线源振动传递导纳和地面测点振动加速度响应。根据试验区域的轨道结构类型和开行的列车类型,建立列车-轨道非线性耦合系统动力学模型,运用交叉迭代算法求解列车-轨道耦合系统动力学方程和计算列车荷载密度。运用预测公式得到地面各测点振动加速度级。预测结果与实测数据吻合良好,地面各测点加速度幅值及在频域中的分布规律具有很好的一致性,说明了预测方法的正确性。该方法具有预测精度高,容易实施的特点。

一种基于Simpack和OpenSees联合仿真的地震下列车-轨道-桥梁耦合作用分析方法

列车-轨道-桥梁耦合振动系统在强地震作用下,桥墩和支座容易发生破坏,桥梁结构容易进入弹塑性状态。考虑到强震作用下车-轨-桥耦合振动系统的复杂性和桥梁结构的非线性,单一软件难以满足耦合振动分析的要求。因此,本文首先基于Client-Server架构,提出了一种将多体动力学软件Simpack和地震仿真开源软件OpenSees相结合的车-轨-桥耦合振动分析方法,该方法充分利用了Simpack强大的轮轨分析能力和OpenSees完善的非线性分析功能。继而,采用联合仿真和有限元整体建模仿真两种不同的仿真思路对单跨简支梁桥进行时程分析,验证了基于Simpack与OpenSees联合仿真思路的正确性和准确性。最后,采用本文提出的基于Simpack与OpenSees联合仿真的车-轨-桥空间耦合振动分析方法对地震作用下多跨桥梁的仿真进行了进一步的分析。结果表明:使用本文提出的新的车-轨-桥空间耦合振动分析方法进行地震下高速列车-轨道-桥梁耦合振动分析研究具有通用性强、准确性高等优点,可以很好地进行地震下车-轨-桥耦合振动研究。