列車脫軌機(jī)理及運(yùn)行安全性研究.pdf

1、安全問題是鐵路交通運(yùn)輸?shù)挠篮阒黝}，高速和重載鐵路的飛速發(fā)展對列車運(yùn)行安全提出了新的挑戰(zhàn)。一方面，高速和重載列車一旦脫軌將引起更大危害，尤其是高速列車脫軌有可能造成毀滅性的災(zāi)難。另一方面，高速列車的運(yùn)行規(guī)律、性能以及運(yùn)行環(huán)境等本質(zhì)上有別于低速列車。然而，由于脫軌問題的復(fù)雜性，對于脫軌機(jī)理的認(rèn)識(shí)目前仍停留在初級(jí)階段，即使對于準(zhǔn)靜態(tài)脫軌仍未有統(tǒng)一的準(zhǔn)確判別標(biāo)準(zhǔn)，源于1896年Nadal脫軌判別準(zhǔn)則以及后來的修正準(zhǔn)則是目前判別脫軌安全的基本準(zhǔn)則

2、，由于其建立基礎(chǔ)為車輪準(zhǔn)靜態(tài)爬軌時(shí)的最保守力平衡條件，對于準(zhǔn)靜態(tài)滑軌、碰撞跳軌以及復(fù)雜因素引起的動(dòng)態(tài)脫軌行為有相當(dāng)?shù)木窒扌?。因此，基于深刻理解脫軌機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出具有廣泛適用性的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)是列車運(yùn)行安全研究的首要問題。
　　 本文針對列車脫軌機(jī)理以及運(yùn)行安全評(píng)價(jià)，以輪軌相互作用為核心，對以下方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究：
　　 (1)從輪軌接觸約束特點(diǎn)和型面外形出發(fā)，對輪軌幾何約束以及多點(diǎn)接觸問題進(jìn)行了深入研究，指出輪軌型面

3、的軌向接觸線曲率決定了兩點(diǎn)或多點(diǎn)接觸的可能性，而輪軌動(dòng)態(tài)平衡條件決定了輪軌接觸約束的存在條件，建立了考慮多點(diǎn)接觸以及接觸脫離的輪軌約束模型，分析了輪軌接觸的不連續(xù)特性以及由此引起的接觸沖擊。輪軌型面曲率半徑?jīng)Q定了輪緣接觸時(shí)可能存在Hertz接觸無效區(qū)域，給出了Hertz理論有效接觸條件。建立了精確的輪軌單面約束動(dòng)態(tài)模型，可考慮多點(diǎn)接觸及接觸脫離等引起的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，并應(yīng)用IAVSD基準(zhǔn)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 (2)開展了單輪

4、對準(zhǔn)靜態(tài)脫軌機(jī)理研究，分析了車輪脫軌臨界狀態(tài)時(shí)橫向蠕滑力和法向力比值與沖角的變化規(guī)律，提出了考慮沖角影響的脫軌判別公式。改進(jìn)的脫軌判別公式既保持了Nadal脫軌判別準(zhǔn)則簡單易用的優(yōu)點(diǎn)，又能夠考慮沖角、摩擦系數(shù)、輪緣角的影響，可統(tǒng)一判別準(zhǔn)靜態(tài)爬軌、滑軌脫軌，通過與JNR和TTCI試驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證了改進(jìn)準(zhǔn)則的正確性。
　　 (3)建立了輪軌橫向碰撞動(dòng)力學(xué)模型，對輪軌橫向碰撞的跳軌脫軌機(jī)理進(jìn)行了探索性研究，同時(shí)對車輪跳軌脫軌的影響參

5、數(shù)進(jìn)行了詳盡分析。研究發(fā)現(xiàn)，輪重、摩擦系數(shù)及橫向碰撞速度對車輪跳軌影響顯著。
　　 (4)以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)角度闡釋了列車脫軌機(jī)理，提出了以輪軌相對橫移函數(shù)為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)脫軌評(píng)價(jià)方法，可用于準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及跳軌脫軌的判別。動(dòng)態(tài)脫軌準(zhǔn)則包括脫軌危險(xiǎn)系數(shù)及其一、二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)，其中脫軌危險(xiǎn)系數(shù)可直接判別脫軌危險(xiǎn)程度，而脫軌危險(xiǎn)系數(shù)的一、二階時(shí)間導(dǎo)數(shù)反映了車輪相對鋼軌的運(yùn)動(dòng)速度及加速度。分別通過兩種輪軌型面配合的接觸幾何學(xué)以及單輪對動(dòng)態(tài)脫軌仿真對

6、動(dòng)態(tài)脫軌準(zhǔn)則的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 (5)研究了單輪對動(dòng)態(tài)脫軌行為，包括外載荷作用下具有搖頭剛度的輪對動(dòng)態(tài)脫軌過程以及自由輪對的蛇行脫軌機(jī)理。對前者的研究表明，車輪以正沖角脫軌所需的橫向力要遠(yuǎn)小于負(fù)沖角時(shí)。通過對單輪對蛇行脫軌機(jī)理的研究表明，輪軌系統(tǒng)存在脫軌臨界速度，最大蛇行穩(wěn)定極限環(huán)對應(yīng)于脫軌臨界速度，當(dāng)運(yùn)行速度超過脫軌臨界速度時(shí)，任何微弱激擾將可能導(dǎo)致脫軌。同時(shí)，通過單輪對動(dòng)態(tài)脫軌仿真，對比分析了動(dòng)態(tài)脫軌評(píng)價(jià)方法和傳統(tǒng)評(píng)

7、價(jià)指標(biāo)在評(píng)價(jià)脫軌時(shí)的效果。動(dòng)態(tài)脫軌評(píng)價(jià)準(zhǔn)則準(zhǔn)確地判別了所有的工況，而脫軌系數(shù)及輪重減載率僅在一定程度上反映了脫軌危險(xiǎn)，而進(jìn)行準(zhǔn)確判別時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤判。
　　 (6)從輪軌接觸幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和力平衡角度論述了車輪的脫軌條件。系統(tǒng)地分析了傳統(tǒng)脫軌評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了脫軌系數(shù)與輪重減載率的上下限及其與脫軌的關(guān)系，解釋了脫軌系數(shù)以及輪重減載率超標(biāo)而未必脫軌的現(xiàn)象。介紹了應(yīng)用本文提出的考慮沖角影響準(zhǔn)靜態(tài)脫軌準(zhǔn)則、輪軌碰撞跳軌準(zhǔn)則以及動(dòng)態(tài)脫軌準(zhǔn)則的