【摘 要】
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山地城市的轨道交通发展迅猛,形式多元,跨座式单轨交通作为城市轨道交通的典型之一,适合运用在地理环境特殊的山地城市。在山地城市建立跨座式单轨交通,一方面与平原城市的轨道交通相比,需要横跨江河的山地城市采取高架桥的形式满足才能轨道线路的需要,因此更易遭遇到自然风的侵害,从而引起单轨列车-轨道梁桥系统的振动响应;另一方面,与直线轨道梁相比,曲线轨道梁在横风激扰下动力学响应更为强烈和复杂,导致单轨列车运行
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山地城市的轨道交通发展迅猛,形式多元,跨座式单轨交通作为城市轨道交通的典型之一,适合运用在地理环境特殊的山地城市。在山地城市建立跨座式单轨交通,一方面与平原城市的轨道交通相比,需要横跨江河的山地城市采取高架桥的形式满足才能轨道线路的需要,因此更易遭遇到自然风的侵害,从而引起单轨列车-轨道梁桥系统的振动响应;另一方面,与直线轨道梁相比,曲线轨道梁在横风激扰下动力学响应更为强烈和复杂,导致单轨列车运行平稳性降低,甚至有可能发生倾覆或脱轨等列车运行事故。基于上诉分析,本文从动力学角度给出横风激扰下跨座式单轨列车运行安全限值,主要研究工作如下:首先,基于车桥相互作用理论建立了考虑横风荷载作用下的跨座式单轨列车-轨道梁动力学模型,其中单轨车辆、轨道梁桥分别作为两个子系统被考虑。分析了轮轨之间的相互作用关系,从而将车、轮胎、轨道梁连接成一个耦合系统。并对所建立的轨道梁有限元模型施加几何约束,取前6阶弹性主模态进行计算,得到简支梁自振频率。将建立的跨座式单轨列车-轨道梁耦合系统动力学模型做模型验证,从而证明所建模型的准确性和可靠性。同时,建立了两种风载模型,其一是参考欧洲标准EN14067-6,建立的瞬态中国帽风载模型,风载模型中的动态阵风风速由稳定风速和波动阵风风速叠加,其二是采用Davenport谱来模拟风速功率谱,利用谐波合成法得到空间点的随机脉动风速场,从而建立非定常随机风载模型。同时将作用在车辆上的气动载荷简化为侧力、升力、倾覆力矩、点头力矩和摇头力矩,将作用在轨道梁系统上的气动载荷简化阻力、升力和力矩,并确定了气动力系数和气动力矩系数。其次,本文在计算方法上选择Newmark-β积分法,建立了风-车-桥求解流程,建立风-跨座式单轨列车-轨道梁系统的评价体系,在此基础上选取风、车、轨道梁的相关计算参数。再者,分析风-跨座式单轨列车-轨道梁系统的影响特性,从风载、车辆、轨道梁半径、轨道不平顺四个方面进行了考虑,并设置相应的运行工况进行研究。结果表明:非定常随机风载较瞬态中国整体上偏大且更具有一般代表性来模拟自然风载;横风的波动会对单轨列车动力响应产生直接影响,其波动的峰值越大,单轨列车的动力响应越大,效果越明显;相较于轻载,重载的单轨列车在一定程度的低速条件下运行更平稳;列车在曲线轨道运行较直线振动响应更为明显;轨道不平顺与风载两种激励共同作用在单轨车辆上时,车辆垂向振动响应效果明显加强。最后,依照所选取的单轨车辆-轨道梁评价指标来评价车辆运行的平稳性与安全性,从而建立列车运行安全域,结果表明:随着列车运行速度的提高,列车允许的临界安全风速降低;当标准高度平均风速达到12.65 m/s时,列车临界速度约为73.4 km/h;而若要保持列车以车速80 km/h与速行驶在轨道梁上,则标准高度风速检测应限制在11.5m/s左右。
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