基于车体加速度的超大跨度桥上线路纵断面优化方法

合理的线路纵断面是高速列车安全平稳通行的必要条件。超大跨度铁路桥梁成桥线形较设计线形易出现较大偏差,由于线路调整能力有限,桥上线路纵断面难以达到设计高程,故需在成桥线形基础上变更线路纵断面设计。在满足道床厚度要求的前提下,变更后的纵断面线形难以满足线路设计规范要求,严重影响了工程验收及列车达速运营。为此,以实测桥梁线形为基准,充分考虑道床厚度及线路衔接,依据傅里叶级数原理建立线路线形频域特征与车体加速度的关联关系,进而构建纵断面目标优化模型,提出一种适用于超大跨度铁路桥上线路纵断面的优化方法。以某超大跨度悬索桥为例,研究结果表明：该方法可使线路纵断面的最小波长远离车体加速度敏感波长,降低车体振动加速度;优化后的线路纵断面车体加速度响应最大值为0.15 m/s²,优于工程实际中所采用的多坡段纵断面;优化后的线路纵断面具有良好的平顺性及适应性。本方法可直观反映优化后线路纵断面的频域特性,并从波长的角度实现了纵断面优化与高速列车行车性能的关联,可用于指导桥上线路纵断面设计及优化。     

基于点云信息的既有线整正方法研究

为适应列车提速后高平顺性与高舒适性的需要,利用激光扫描技术获取的连续数据点云信息,通过曲率梳分析对轨道几何形位进行了描述,从曲率变化率入手,找出传统测量模式与提速行驶后现场新标准养护作业的盲区所在,并提出既有铁路曲线曲率变化率整正方法,从原有的面向过程的纯线形管理模式下的几何形位拟合思路转换为面向对象的车轨一体化线形养护新思路,使养护的线路几何形位与列车运动特性相吻合。     

超大跨度协作体系桥上轨道几何状态分析

为分析评估超大跨度斜拉-悬索协作体系桥上线路空间线形和轨道几何形位特征,以某超大跨度协作体系跨海大桥为例,通过数值分析从线形参数、虚拟中点弦测和列车动力学评价等角度对桥上轨道几何状态进行分析。研究结论如下：(1)对设计状态各工况下的梁面变形进行拟合和线路参数分析,均满足相关规范要求,且温度变化引起的桥梁竖向位移较为显著,整体降温工况下跨中轨面高程增加,跨中纵断面竖曲线曲率增加;(2)40 m中点弦测法计算得到轨向弦测幅值较小,高低最大弦测幅值为21.93 mm,对应垂向加速度为0.199g,仍留有一定的安全余量;(3)列车行为动力学评估得到未被平衡离心加速度满足舒适度控制标准及相关规范,且离心加速度最大值主要集中在边跨桥墩附近,同时,桥塔附近也存在离心加速度极大值,运维部门需关注;(4)需加强轨道不平顺对列车运行的影响研究,提出适合高速铁路大跨度桥梁的轨道静态平顺性能控制指标。     

基于曲率变化特征的既有线路整正算法设计

铁路曲线运营过程不可避免会产生几何形位变化,运行速度的提升需要现代化的检测手段,相应的曲线整正算法设计是列车安全、舒适运营的重要保障。采用某线路轨检小车实测5 m间隔数据,以现场实测数据为基础,从曲率和曲率变化率的角度分析不同间隔条件下的轨道几何形位特征,采用基于正交最小二乘和三次样条的平面拟合方法,利用线路的曲率特征进行线路初始参数获取,设计相应的平面曲线线形优化重构算法。编程实现算法在具体线路的应用,以拨道量改正数最小为目标函数,采用5、10 m不同测点间隔的计算结果分析并结合现场实际,取得了较好的计算结果。通过现场实例表明,该方法具有理论简单、计算准确,与现代高速行车检测方法适应好等特点。     

纵断面线路参数对直线电机列车的动力影响

研究目的:为了确定纵断面线路参数取值对LIM列车运行舒适性和安全性的影响规律,基于首都机场线LIM地铁系统参数建立列车-线路三维耦合动力学模型,分析在纵断面线路参数和车速影响下,LIM地铁系统动力响应特性,拟合得到车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率与竖曲线类型、竖曲线半径、列车行驶速度之间的关系公式。研究结论:(1)凹形竖曲线会增大列车垂向加速度和轮轨垂向力,减小轮重减载率;(2)凸形竖曲线会减小列车垂向加速度和轮轨垂向力,增大轮重减载率;(3)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与曲线半径的倒数相关;(4)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与车速的平方相关;(5)本研究成果可为LIM地铁系统纵断面线路参数优化提供理论依据。     

高速与重载列车3个牵引计算参数的界定值

我国高速铁路与重载铁路发展迅速,尤其高速铁路与高速列车的数量与品质已居世界前列,所以界定高速列车与重载列车一些有歧见的牵引计算参数非常重要。依据分析与研讨结果,3个相关的牵引计算参数(回转质量系数、牵引力使用系数及保有加速度)的界定值已经得出并予以推荐:(1)我国高速列车(含空货物列车)的回转质量系数应取定为0.10,重载列车的回转质量系数仍维持0.06,相关的列车运行时间和距离的计算公式见表3;(2)对于高速与重载列车而言,牵引力使用系数完全没有必要;(3)高速列车与重载列车以及其他列车保有加速度可按表6选用,对于最高速度360 km/h及其以上的高速与超高速列车保有加速度(计入回转质量系数)可降至0.04 m/s2左右,而重载列车的保有加速度至少要选用0.01 m/s2。     

基于舒适度的高速铁路线路设计与优化

研究目的:为了进一步提升高速列车旅客乘坐舒适度,在加快改进高速列车性能的同时,更要注重高速铁路线路的设计与优化。为此,针对高速铁路线路参数与舒适度关系进行系统的分析和研究。研究结论:(1)建立了基于线路参数的舒适度评价模型,并确立了相应的评价区间;(2)根据《高速铁路设计规范(试行)》(TB 10621—2009)进行线路参数设计时,既要考虑线路的实际地形及工况,同时还要兼顾旅客舒适度的要求,选择合理的平、竖面曲线参数,才能设计出相对比较合理和旅客满意的线路;(3)通过对基于旅客舒适度的平面曲线半径设计与优化理论的分析和研究,得出了不同设计速度下的平面曲线半径最小推荐值;(4)该研究成果可为今后高速铁路线路设计与优化提供指导。     

基于车桥耦合模型的高温超导磁浮车辆悬浮架结构对比分析

高温超导磁悬浮(High Temperature Superconducting, HTS)列车因其自悬浮导向自稳定特性被认为是未来超高速交通运输中较为理想的运行方式之一。作为高温超导磁悬浮列车最重要的部件之一,悬浮架的结构至关重要。因此有必要对不同方案的悬浮架结构建立车桥耦合模型,从运行平稳性、舒适度、振动传递率等方面对不同结构设计的悬浮架进行对比。研究结果表明：3种结构的悬浮架在动力学性能方面存在一定共性,双层悬浮架结构下车辆平稳性与舒适度指标更好,双层结构受空簧刚度影响最大。垂向减振器阻尼对3种结构的振动传递率影响均为阻尼越大,低频传递率越低,高频传递率越高。在车辆动态载荷作用下,桥梁跨中垂向位移的变化均为先略有上翘再下挠,而后呈现较大幅度的上翘与下挠,最后恢复正常。双层结构的悬浮架引起的桥梁跨中垂向加速度变化最为平顺。单层结构的悬浮架产生的跨中垂向加速度明显大于其余2种结构。桥梁的上挠随着车辆运行速度的增加呈现增大趋势,桥梁的下挠则是速度越大垂向位移越小。所得的结果是在特定的结构参数、负载条件下的仿真分析结果,可以为高温超导磁悬浮列车悬浮架结构的设计与选择提供一定的参考。     

高速磁浮列车二次系的运动学建模与分析

满足运动学要求是车辆结构设计的基本要求。对于磁浮列车而言,车辆与线路之间的运动解耦功能主要由车辆的二次系完成。高速磁浮列车的二次系主要由摇枕、防滚橡胶件、空气弹簧、摆杆和Z向支座等构成,其运动同时受线路线形和刚性车厢的约束。本文利用多刚体运动学建模方法——Denavit-Hartenberg变换方法,建立高速磁浮列车二次系的运动学模型。结合线路线形的特征参数,通过求解运动学模型的逆解,计算当车辆通过曲线时二次系各构件的运动情况。本文的建模方法和结果对高速磁浮列车的设计和分析具有参考价值。     

基于成桥施工偏差的大跨度铁路桥梁线路纵断面设计适应性分析

大跨度铁路桥梁成桥线形与设计线形易产生偏差，通常需根据成桥线形变更线路纵断面；同时，大跨度铁路桥梁受荷载作用呈现明显的动态大变形特征，导致桥梁服役期间线路纵断面仍难以与设计纵断面匹配，影响其后续的线路养护维修。结合某大跨度公铁两用桥梁，介绍现有考虑成桥施工偏差的线路纵断面设计方法，并考虑温度、列车载重等常规荷载激励，开展基于中点弦测法的轨道几何形位评估和基于动力仿真的列车舒适性评价，以分析服役期间不同线路设计纵断面对桥梁线形变化的适应性。结果表明：降温导致跨中等效竖曲线半径减小，拟合调整大跨度桥梁线路纵断面时，应重点关注降温荷载对车辆运行平稳性的影响；桥梁结构整体受力变形所引起的车体垂向振动加速度变化不超过0.05 m/s²,线形平顺性主要由线路设计纵断面本身控制；相比多坡段纵断面，多项式拟合设计的线路纵断面消除了变坡点和竖曲线，从而减小线路纵断面引起的列车车体振动响应。     

单列高速列车运行仿真模型与算法

根据高速铁路线路特性,构建线路的3层节点网络模型.第1层描述车站和区间,第2层描述车站中心点、车站与区间的分界点和线路限速变化点及连接这些点的线路,第3层描述线路实际属性变化点及连接这些点的线路.鉴于高速动车组具有动力分散、质量均衡分布的特点,将动车组视为质量均匀且具有动力的绳体,创建高速动车组绳体模型.以动车组通过变坡点和变曲率点为例,分析动车组的受力状态,推导出对应的列车加速度计算公式.提出一种基于预推演的高速列车运行仿真算法.依据建立的线路模型、列车模型和仿真算法,开发了单列高速列车运行仿真系统.通过实例仿真验证了仿真模型与算法的准确性和实用性.     

大风环境下高速列车加速运行气动特性研究

基于三维非定常不可压雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用滑移网格对大风环境下高速列车从静止匀加速到200km/h的非定常气动性能进行模拟。将列车匀速运行的非定常气动力系数的均方根值与风洞试验结果对比,两者规律吻合,幅值差小于10%。结果表明:在15 m/s的横风下,列车匀加速的不同时刻,头、尾车和车辆连接处压力波动明显,当列车运行速度与风速大小相等时,压力波动最大;气动力系数的变化率随车速与风速比值的增大而迅速减小;列车以不同的加速度运行时,相同车速受到的气动载荷相等,但随加速度的增加,侧向力、阻力、倾覆力矩的变化率不断增大,将导致短时间内高速列车气动载荷的变化增大。     

高速铁路线路轨面坡度及竖曲线半径动态测量方法及应用研究

为揭示高速铁路线路纵断面参数变化,以及和轨道不平顺、路基大桥沉降关系,针对国内尚无轨道纵断面参数动态检测装备,提出基于惯组的轨面坡度及竖曲线半径动态测量方法。首先,建立转向架构架及惯性坐标系,并以重力加速度、水平加速度极小相关性为基准对齐两坐标系;其次,基于转向架构架纵向加速度解算轨面坡度,并补偿列车俯仰运动及与轨道平面纵向倾角误差;然后,以坡度测量值为基础解算竖曲线半径;最后,以高速综合检测列车为平台,在国内某新建高速铁路实车试验。结果表明：坡度和竖曲线曲率重复性偏差绝对均值分别为0.07‰、0.71×10^-3 rad/km,极差分别为0.22‰、0.005 rad/km。     

徐变上拱对桥上纵连无砟轨道线路动力影响

研究目的:高速铁路预应力桥梁会出现徐变上拱,而高速铁路对线路平顺性要求高,预应力桥梁徐变上拱引起的不平顺对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统有何影响,是工程界十分关注的问题。本文基于列车-轨道耦合动力学理论,建立考虑无砟轨道-桥梁系统各部件间接触状态非线性的高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维有限元耦合动力学模型并进行相应验证,运用所建模型,对列车在桥上纵连板式无砟轨道线路桥梁徐变上拱地段高速行驶时耦合系统的动力特性进行研究,旨在探讨其影响规律。研究结论:(1)桥梁徐变上拱对车体振动加速度影响非常显著,对桥梁振动加速度虽有影响,但不太显著;(2)桥梁徐变上拱对最大轮轨力、钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力均有一定的影响,但影响规律不一,对最大轮轨力影响比较小,而对钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力影响则比较大;(3)桥梁徐变上拱引起的无砟轨道-桥梁间局部脱空对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统动力特性有显著影响;(4)本研究成果可为高速铁路桥上纵连板式无砟轨道线路徐变上拱大小控制提供理论依据。     

路基不均匀沉降对列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性的影响

基于列车—轨道耦合动力学理论,建立能够考虑无砟轨道-路基系统各部件间接触状态非线性的列车-路基上板式无砟轨道三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维非线性有限元耦合动力学模型进行相应的程序验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上无砟轨道线路上高速行驶时,在路基不均匀沉降作用下,列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:(1)路基不均匀沉降对车体振动加速度影响极大,路基不均匀沉降对车体振动加速度的影响与无砟轨道类型关系不大;(2)路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性有一定的影响,影响小于对车体振动加速度的影响,路基不均匀沉降对无砟轨道各部件动力特性的影响与无砟轨道类型有一定的关系,总体来讲,路基不均匀沉降对I型板式无砟轨道动力特性的影响要大于对双块式及Ⅱ型板式无砟轨道的影响。     

基于CATIA CAA软件平台的高速列车转向架三维骨架设计

随着高速列车的多样化发展,需要调整转向架结构以适应新的需求。基于自顶向下的设计思想,针对如何实现转向架参数变更的有效合理传递问题,提出了一种高速列车转向架三维骨架设计方法,以解决零部件之间的参数变更影响。首先,分析现有高速列车转向架的功能模块变更;然后在CATIACAA软件平台上以顶层基本骨架(TBS)为设计核心,建立三维参数化骨架模型;最后以某轴箱弹簧参数化设计为例,验证了设计方法的可行性和骨架模型的正确性。     

基于灰色预测模糊PID控制的列车ATO系统优化

对列车目标运行曲线的精确追踪是列车自动驾驶系统实现列车安全、准时、节能及舒适运行的核心。针对列车运行过程的大滞后、非线性问题,设计以灰色预测模糊PID算法为核心的列车自动驾驶控制器,以此达到优化列车ATO控制系统的目的。灰色预测控制设置在反馈回路中,其预测值与给定输入值的偏差及偏差变化率作为模糊控制器的输入。模糊控制系统对PID控制的参数进行自动校正,参数可调的PID算法完成对系统的控制。选取相关线路和车型并做仿真试验,验证了经控制器作用后的输出曲线与列车运行的输入曲线之间的追随误差小,加速度的变化在合理的范围内。因此,设计的控制器可以取得良好的ATO控制效果。     

回转质量系数对高速列车牵引电算的影响

高速铁路电动车组在列车编组方式、牵引及制动性能、列车运行控制模式等方面与普速铁路旅客列车有着较大区别。本文以高速动车组列车牵引计算特点分析为基础,从回转质量系数因素阐述了高速列车牵引计算指标参数的影响,并推导了基于回转质量系数的高速列车加速度、运行时分、加速距离及制动距离等指标国际单位制表达式,最后以CRH3型动车组及京津城际铁路线路纵断面为依据,进行模拟计算分析得出回转质量系数对牵引计算指标的影响规律。     

数字轨道地图平面线形特征提取方法研究

数字轨道地图是卫星定位技术应用到铁路运输行业的基础,根据铁路线路设计时三种平面线形——直线、缓和曲线和圆曲线的不同特征,采用基于方位角的曲率方法进行平面线形的初步识别,再以横向误差为约束条件迭代确定满足要求的线形分段,进而采用整体最小二乘的方法对三种线形进行拟合,实现数字轨道地图的平面线形特征提取。青藏线实测数据结果表明,该算法是可行且有效的,不仅能识别拟合线路的平面线形,用少数关键点和相关参数就能表达出整体的几何特征;而且拟合后线路的横向误差和纵向累积误差都较小,满足高精度应用的要求。     

基于Revit的铁路线路三维信息平台开发

智能高铁是我国高速铁路发展的趋势,BIM技术融合智能化、信息化等手段,可实现铁路项目的全生命周期管理,提高管理水平和工作效率。根据BIM技术特点,基于Autodesk Revit建立铁路线路三维信息平台,为铁路项目信息化管理提供参考。首先,利用PowerCivil并根据线路平、纵断面等资料,生成线路中心线三维线形,为后续线路三维信息模型建立提供基础条件;随后,将线路中心线三维线形导入Revit平台,利用二维构筑物图纸创建各种构筑物族,再通过Dynamo编写命令将各种构筑物族沿线路里程布置,从而完成线路三维信息平台的构建。研究发现:三维信息平台可满足铁路线路模型三维可视化要求,并将铁路线路设计、施工、运维各阶段的信息进行融合,为铁路项目信息化管理搭建可操作的平台基础。