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序3

第一版序3

前言3

上篇 车辆—轨道耦合动力学理论体系3

第一章　车辆—轨道耦合动力学导论3

1.1　车辆—轨道耦合动力学的研究背景3

1.2　车辆—轨道耦合动力学的学术思想4

1.3　车辆—轨道耦合动力学的基本范畴6

1.4　车辆—轨道耦合动力学的研究方法8

参考文献11

第二章　车辆—轨道耦合动力学模型12

2.1　论车辆—轨道耦合系统的模型化12

2.1.1　轮轨动力分析模型的演进12

2.1.2　关于轨道结构的建模问题14

2.1.3　关于轮轨动力分析中机车车辆的模型化问题18

2.1.4　车辆—轨道耦合系统建模的一般原则19

2.2　车辆—轨道垂向系统统一模型20

2.2.1　物理模型20

2.2.2　数学模型26

2.3　车辆—轨道空间耦合系统动力学模型38

2.3.1　物理模型38

2.3.2　数学模型48

2.4　轮轨空间动态耦合模型71

2.4.1　轮轨系统坐标系及其变换71

2.4.2　轮轨空间动态耦合模型73

参考文献84

第三章　车辆—轨道耦合系统激励模型88

3.1　脉冲型激扰模型88

3.1.1　车轮扁疤冲击模型88

3.1.2　钢轨错牙接头模型91

3.1.3　轨道低接头模型93

3.1.4　道岔冲击模型93

3.1.5　其他脉冲激扰模型95

3.2　谐波型激扰模型96

3.2.1　谐波激扰位移输入函数97

3.2.2　轨道常见几何不平顺的输入模式100

3.2.3　周期性简谐力输入函数101

3.3　动力型轨道刚度不平顺模型102

3.3.1　轨道过渡段刚度不平顺102

3.3.2　道岔区轨道刚度不平顺104

3.3.3　轨下基础结构缺陷的模拟105

3.4　轨道随机不平顺激扰模型106

3.4.1　美国轨道谱106

3.4.2　德国高速轨道谱107

3.4.3　中国干线轨道谱108

3.4.4　几种典型轨道谱的比较110

3.4.5　轨道随机不平顺时域样本的数值模拟方法113

参考文献114

4.1　大型非线性动力学系统的数值求解问题116

第四章　车辆—轨道耦合动力学数值求解方法116

4.2　大系统动态分析的新型快速数值积分方法117

4.2.1　新型显式积分法117

4.2.2　新型预测—校正积分法122

4.2.3　非线性问题的数值积分形式124

4.2.4　新型数值积分方法的数值精度125

4.2.5　结论127

4.3　复杂非线性问题计算稳定性的数值试验方法128

4.3.1　引言128

4.3.2　数值试验方法128

4.4　新方法在车辆—轨道耦合动力学数值分析中的应用129

4.4.1　数值积分步长的确定130

4.4.2　轨道计算长度的确定131

4.4.3　钢轨模态阶数的确定132

参考文献132

5.1.1　VICT系统的结构134

5.1　车辆—轨道垂向相互作用仿真分析系统VICT134

第五章　车辆—轨道耦合动力学的计算机仿真134

5.1.2　VICT系统的仿真计算流程135

5.1.3　VICT系统的功能137

5.2 车辆—轨道空间耦合动力学仿真分析系统TTISIM137

5.2.1 TTISIM系统的结构137

5.2.2 TTISIM系统计算流程139

5.2.3 TTISIM系统的功能139

5.3　机车车辆在线路上动态运行行为的可视仿真141

参考文献144

第六章　车辆—轨道耦合动力学现场试验145

6.1　车辆—轨道耦合动力学现场试验方法145

6.1.1　车辆在线路上运行动力学现场试验方法145

6.1.2　车辆与轨道动态作用现场试验方法147

6.2　车辆在线路上动态运行行为的典型现场试验151

6.3　车辆与轨道动态作用的典型现场试验154

6.3.1　秦沈客运专线高速列车轮轨动态作用现场试验154

6.3.2　大秦重载铁路万吨列车对轨道动态作用现场试验158

6.3.3　山区铁路小半径曲线轮轨动态相互作用现场试验160

参考文献164

第七章　车辆—轨道耦合动力学模型的试验验证166

7.1　车辆—轨道垂向统一模型的试验验证166

7.1.1　车辆振动的理论分析结果与试验结果对照166

7.1.2　轨道结构振动的理论分析结果与试验结果对照167

7.1.3　轮轨动态作用力的理论分析结果与试验结果对照170

7.1.4　车辆—轨道垂向统一模型验证结论172

7.2　车辆—轨道空间耦合模型的试验验证172

7.2.1　京秦线时速200km提速试验验证173

7.2.2　秦沈客运专线高速试验验证176

7.2.3　货物列车直线段脱轨试验验证178

7.2.4　山区铁路小半径曲线轮轨动态作用试验验证179

7.2.5　车辆—轨道空间耦合模型验证结论181

参考文献181

8.1.1　车辆运动稳定性的数值计算方法182

第八章　车辆—轨道耦合模型与传统模型结果比较182

8.1　车辆运动稳定性计算结果的比较182

8.1.2　耦合模型与传统模型计算的临界速度结果比较184

8.1.3　小结185

8.2　车辆运行平稳性计算结果的比较185

8.3　车辆曲线通过性能计算结果的比较187

8.3.1 车辆低速通过小半径曲线时动力性能计算结果的比较187

8.3.2　车辆高速通过大半径曲线时动力性能计算结果的比较190

8.3.3　几点结论191

参考文献191

第九章　车辆—轨道耦合振动的基本特征192

9.1　车辆—轨道耦合系统的冲击响应192

9.1.1　垂向冲击振动响应192

9.1.2　横向冲击振动响应195

9.2　车辆—轨道耦合系统对谐波型激扰的振动响应197

9.2.1　垂向谐波振动响应197

9.2.2　横向谐波振动响应200

9.3　轨道动力型不平顺对车辆—轨道耦合振动的影响201

9.4　车辆—轨道耦合系统随机振动响应202

9.4.1　车辆—轨道耦合系统随机振动分析方法202

9.4.2　车辆—轨道耦合系统随机振动响应特征203

9.4.3　轨道随机不平顺对车辆—轨道耦合系统横向随机响应的影响208

参考文献211

第十章　车辆—轨道耦合系统动力学性能评价213

10.1　车辆—轨道耦合系统动力学性能评价指标体系213

10.1.1　关于车辆运行安全性的评价213

10.1.2　关于车辆运行平稳性的评价214

10.1.3　关于车辆与轨道动态作用性能的评价214

10.1.4　车辆—轨道耦合系统动力学性能评价指标体系216

10.2　车辆运行安全性评价标准217

10.2.1　脱轨系数217

10.2.2　轮重减载率217

10.3.1　车体振动加速度218

10.3　车辆运行平稳性评价标准218

10.2.3　倾覆系数218

10.3.2　平稳性指标220

10.3.3　车辆通过曲线时的舒适度标准222

10.4　车辆与轨道动态作用性能评价标准222

10.4.1　轮轨垂向力222

10.4.2　轮轨横向力223

10.4.3　轮轴横向力223

10.4.4　线路横向稳定性系数224

10.4.5　轮轨接触应力224

10.4.6　道床应力224

10.4.7　路基应力225

参考文献225

下篇　车辆—轨道耦合动力学工程应用229

第十一章　机车车辆与线路动态匹配设计原理和准则229

11.1　机车车辆与线路动态匹配设计理念229

11.2　机车车辆与线路动态匹配设计原理230

11.3　机车车辆与线路动态匹配设计方法231

11.3.1　基于匹配设计原理的机车车辆动态设计方法231

11.3.2　基于匹配设计原理的线路动态设计方法232

11.4　机车车辆与线路动态匹配设计基本准则233

11.4.1　机车车辆的低动力作用设计准则233

11.4.2　轨道结构的低动力作用设计准则236

参考文献240

第十二章　列车提速对线路的动力影响及其对策241

12.1　我国既有铁路列车提速概况及其意义241

12.2　既有铁路列车提速给线路带来的动力问题243

12.3　提速线路道岔处轮轨冲击作用问题及其对策244

12.4　提速线路钢轨焊接区不平顺的动力效应及其控制247

12.5　提速线路路桥连接段的动力问题及其对策249

12.6　提速列车车轮擦伤对线路的动力影响及其对策251

参考文献253

13.1　高速铁路及其在中国的发展254

第十三章　高速铁路车辆与轨道的动态相互作用254

13.2　高速铁路车辆与轨道垂向动态相互作用特征256

13.2.1　高速铁路轮轨冲击振动响应特征256

13.2.2　高速行车条件下偏心轮的动态效应258

13.2.3　高速列车车轮不圆引起的轮轨动力作用及其控制258

13.2.4　高速铁路钢轨波浪形磨耗引起的轮轨动力作用特征260

13.3　高速铁路车辆与轨道横向动态相互作用特征261

13.3.1　列车运行速度对轮轨横向动态作用性能的影响261

13.3.2 曲线参数对高速列车与轨道横向动态相互作用性能的影响263

13.4　高速铁道车辆簧下质量的动力学效应及控制265

13.5　高速列车与轨道过渡段的动态作用问题及技术对策269

13.5.1　高速铁路轨道过渡段常用技术方法270

13.5.2　高速铁路轨道过渡段结构设计方案272

13.5.3　高速铁路轨道过渡段长度的理论设计272

13.5.4　高速铁路轨道过渡段折角的控制标准273

参考文献275

14.1　关于我国重载铁路运输及货车大型化问题276

第十四章　重载铁路车辆与轨道的动态相互作用276

14.2　大型重载货车对线路的动力影响277

14.3　减轻大型重载货车对线路动力作用的基本途径280

14.3.1　减轻大型重载货车对线路动力作用的两种途径280

14.3.2　英国低动力作用重载货车LTF的成功经验281

14.4　我国新型重载货车设计及其轮轨动力性能评价282

14.4.1　新型低动力作用重载货车转向架方案282

14.4.2　SWJ转向架轮轨动力作用性能预测与评价285

14.4.3　我国25t轴重低动力作用货车转向架的研制286

参考文献290

第十五章　山区铁路小半径曲线轮轨动态相互作用291

15.1　我国山区铁路小半径曲线轨道动力问题291

15.2　山区铁路小半径曲线轮轨相互作用特征293

15.2.1　静态轮轨接触几何特征293

15.2.2　轮轨动态相互作用特征295

15.3　山区铁路小半径曲线安全改造对策及实践效果297

15.3.1　强化前后轮轨动力性能的理论分析298

15.3.2　强化前后轮轨动力性能的现场试验分析303

15.3.3　工程应用实践效果305

参考文献306

第十六章　车辆—轨道耦合动力学在行车安全研究中的应用307

16.1 车辆—轨道耦合动力学在线路不平顺安全限值研究中的应用307

16.1.1　轨道几何不平顺安全限值的理论分析方法308

16.1.2　轨道方向不平顺安全限值分析308

16.1.3　轨距不平顺安全限值分析309

16.1.4　轨道高低不平顺安全限值分析310

16.1.5　轨道水平不平顺安全限值分析310

16.1.6　轨道三角坑不平顺安全限值分析311

16.1.7　轨道复合不平顺安全限值分析312

16.2　车辆—轨道耦合动力学在列车通过道岔安全性评估中的应用315

16.2.1　机车车辆侧向通过12号提速道岔时运行安全性分析315

16.2.2　行车速度对机车车辆侧向通过道岔安全性的影响316

16.2.3　评估结论317

16.3　车辆—轨道耦合动力学在脱轨研究中的应用317

16.3.1　现行脱轨评判标准及其缺陷318

16.3.2　根据车轮抬升量判定车辆脱轨的原理322

16.3.3　单轮对脱轨仿真研究324

16.3.4　整车脱轨仿真研究330

16.3.5　评判车辆脱轨的新准则332

参考文献335

第十七章　车辆—轨道耦合动力学在机车车辆设计中的应用337

17.1　时速200km“天梭”号电力机车动力性能优化设计337

17.1.1　“天梭”号机车参数优化设计337

17.1.2　“天梭”号机车动力性能仿真预测与评价339

17.1.3　“天梭”号机车对线路动力作用分析评估342

17.1.4　“天梭”号机车实车运行试验结果343

17.2　提速客运机车SS7E动力性能改进设计345

17.2.1　SS7E原型机车横向异常振动现象的理论模拟345

17.2.2　改进SS7E机车横向振动性能技术方案研究347

17.2.3　改进设计后SS7E机车的实际效果及运用情况349

17.3.1 120km/h提速货运机车转向架结构方案及其特点351

17.3　时速120km提速货运机车轮轨动力性能分析设计351

17.3.2 120km/h提速货运机车与曲线轨道的动态相互作用分析评估352

17.3.3 120km/h提速货运机车与道岔的动态相互作用分析353

17.3.4　降低120km/h提速货运机车轮轨动力作用的参数研究354

参考文献354

第十八章　车辆—轨道耦合动力学在铁路线路设计中的应用356

18.1　秦沈客运专线新型无碴轨道建设工程应用实践356

18.1.1　秦沈客运专线及其桥上无碴轨道结构概况356

18.1.2　高速列车与桥上无碴轨道动态相互作用模型358

18.1.3　秦沈客运专线桥上无碴轨道动力特性及列车走行性能预测359

18.1.4　秦沈客运专线桥上无碴轨道动力特性及列车走行性能预评估362

18.1.5　秦沈客运专线桥上无碴轨道现场实际效果363

18.2　京秦线时速200km提速改造工程应用实践364

18.2.1　京秦线线路基本状况及提速改造初步方案364

18.2.2　京秦线提速试验列车及其参数366

18.2.3　试验区间轨道几何不平顺状态366

18.2.5　京秦线时速200km提速改造工程路基加固动力仿真计算结果368

18.2.4　列车与线路动力性能评定标准368

18.2.6　对京秦线时速200km提速改造工程路基加固方案的预评估与建议372

18.3　时速200km福厦客货共线铁路设计应用373

18.3.1　平面曲线关键参数对高低速行车动力性能的影响分析375

18.3.2　高低速客货共线铁路平纵面匹配设计377

18.3.3　高低速客货共线列车对轨道结构动力影响研究379

18.3.4　减轻高低速客货共线铁路货物列车对轨道动力作用的技术措施研究382

18.4　时速300km广深港客运专线平纵断面设计应用383

18.4.1　沙仔岛长隧方案与桥隧方案高速行车性能对比分析385

18.4.2　海鸥岛长隧方案与桥隧方案高速行车性能对比分析386

18.4.3　沙仔岛长隧方案与海鸥岛长隧方案比选387

参考文献388

附录1　轮轨接触椭圆参数表389

附录2　Kalker线性蠕滑理论之系数Cij391

附录3　常见铁道机车车辆基本参数392

附录4　常用轨道结构基本参数397