关键词：
地铁曲线
线路动力学
轮轨接触几何
型面优化
钢轨磨耗
多点近似优化
摘要：
地铁作为城市轨道交通中占比最大的交通工具,在缓解城市交通拥堵问题方面,起到了极其重要的作用。随着运营时间的增加,轮轨材料劣化、伤损、磨耗加剧等一系列影响轮轨匹配的问题逐渐暴露出来。轮轨磨耗会导致轮轨接触几何发生变化,而地铁轮轨动力相互作用对轮轨接触关系变化非常敏感,对运营安全和养护维修产生很大影响。地铁线路由于地理条件的限制,通常存在较高比例的曲线线路,而车辆在曲线区段运行时的轮轨接触关系更为复杂,轮轨匹配不良导致的轮轨界面伤损病害问题会进一步加剧。因此,开展运营条件下地铁曲线区段轮轨匹配关系研究具有重要理论和应用价值。运营实践表明,地铁列车运行速度提高到80km/h以上后,部分区段车辆行车性能明显降低,容易出现异常抖车晃车现象,危及运营安全,轨道结构服役性能劣化,容易诱发轨道结构病害。根据统计数据,地铁线路中曲线占比较大,不考虑站端加减速区段,地铁车辆高速通过的曲线区段曲线半径大多为600-2000m,通常该半径范围内的曲线养护维修工作量相对较大。鉴于此,本文结合北京地铁6号线运营实际,以常见的半径650m高速通过曲线区段为研究背景,建立了曲线区段地铁车辆与轨道动力学模型,结合钢轨型面非对称优化模型和磨耗分析,形成了曲线区段钢轨型面非对称优化方法,分析了欠过超高及速度变化对钢轨磨耗演变特征的影响规律,提出了运营条件下曲线区段钢轨型面个性化优化方案以解决轮轨匹配不良问题,以期为地铁养护维修提供参考。本文主要工作及成果如下:(1)基于曲线区段轮轨测试型面开展了轮轨空间接触几何特性研究对北京地铁6号线半径650m曲线区段实测轮轨型面进行了统计处理,确定了磨耗轮轨型面,根据磨耗轮轨型面研究了地铁曲线区段轮轨型面的磨耗特征。建立了考虑摇头角参数影响的轮轨空间接触模型,编制了相应计算程序,并与商业软件SIMPACK计算结果进行对比验证程序的准确性。基于轮轨空间接触模型,分析了摇头角、轨底坡及轮轨型面磨耗对轮轨接触几何特性的影响,为曲线区段车轨动力相互作用模型的建立奠定了基础。(2)建立了曲线区段地铁车辆与轨道动力相互作用模型,并采用新型两步数值积分方法实现了动力响应求解充分考虑曲线特征基础上,综合运用多刚体动力学、结构振动理论建立了地铁车辆与轨道动力学模型,以考虑摇头角参数影响的轮轨空间接触模型为纽带,形成了曲线区段车辆与轨道动力相互作用模型。车辆与轨道动力相互作用模型求解采用新型两步数值积分方法实现,该数值积分方法在采用较大的积分步长时依然能保持较好的计算稳定性和计算精度,显著提高了计算效率。同时在计算时配合滑动窗口算法,解决了由于曲线线路长度较长导致的计算量剧增问题。基于上述车辆与轨道动力相互作用模型和求解方法,编制了相应计算程序,并通过商业软件SIMPACK验证了本研究提出模型的计算准确性,为后续曲线区段轮轨匹配关系研究和钢轨型面优化提供了手段。(3)开展了曲线区段钢轨型面非对称设计优化方法研究考虑曲线区段内外轨接触点分布不对称特点,运用多点近似优化理论建立了以滚动圆半径差曲线为目标函数的曲线区段钢轨型面非对称设计优化模型,模型中采用B样条函数构造钢轨型面,通过轮轨接触算法和回归分析法迭代求解优化型面,并编写相应计算程序。通过调整优化方案得到多组与磨耗车轮型面相匹配的钢轨型面,从而改善不良的轮轨匹配关系,并为下一步钢轨型面比选提供基础。(4)基于曲线区段钢轨磨耗分析的钢轨型面优选研究利用车辆与轨道动力相互作用理论、基于虚拟渗透的非Hertz滚动接触理论以及Archard磨耗模型,建立了一种可计算沿轨道纵向和钢轨横向三维分布的钢轨磨耗预测模型,并编写相应计算程序。基于该磨耗预测模型对不同优化钢轨型面在半径650m曲线区段的磨耗深度分布情况以及磨耗对轮轨匹配关系的影响进行了分析,根据分析结果优选得到了仿真曲线区段最优钢轨型面,将钢轨服役状态融入到型面优化之中。(5)开展了考虑欠过超高和非均匀速度分布影响的曲线区段钢轨型面磨耗演变特征研究基于钢轨磨耗预测模型,采用特定的采样叠加和平滑更新策略计算了不同钢轨横截面的磨耗分布情况。基于该方法验证了仿真曲线区段上最优钢轨型面的优化效果,探讨了欠过超高和基于三角概率密度函数的非均匀速度分布对磨耗钢轨型面和最优钢轨型面的磨耗演变特征及其对车轨系统动力学的影响。结果表明:钢轨磨耗光带沿轨道纵向基本平直,圆曲线上的钢轨磨耗大于曲线其他位置;由于轨道随机不平顺的存在,钢轨磨耗沿轨道纵向分布不均匀;欠超高状态比过超高状态更有助于减小钢轨磨耗,降低钢轨磨耗速率;与单一速度通过相比,非均匀速度通过显著提高了钢轨磨耗沿轨道纵向的均匀性,增加了车辆通过曲线时的运行稳定性;钢轨磨耗会对轮轨接触几何产生显著影响,钢轨磨耗导致磨耗钢轨型面轮轨匹配不良问题加剧,而最优钢轨型面轮轨接触特性仍然保持良好;随着钢轨型面更新次数
