摘要
高速铁路是我国科技高速发展的重要名片，我国高速铁路主要所使用的轨道结构形式分别为有砟轨道和无砟轨道，目前所成型的主要高速铁路网多数都以无砟轨道形式所建设。在未来的发展中，我国高速铁路网的建设势必会更加密集，包括增加城际高铁和地级城市之间的高铁连接，因此高速铁路的建设量会不断增加，而无砟轨道以其建设成本高、建设难度高、以及维修难度大等缺点逐渐凸显。相比之下，有砟轨道以其建设成本相对较低、建设难度较低、维修难度较低等优点，将成为未来高速铁路建设的主要轨道结构形式。因此，为了保证列车在有砟轨道上高速行驶时的安全与稳定，对高速铁路有砟轨道的动力特性和刚度优化的研究是十分必要的，同时也对列车在有砟轨道上高速且安全的行驶提供相应的参考。 本文首先将车辆—轨道耦合动力学理论作为基础理论，并用多体动力学仿真软件建立了高速铁路有砟轨道的车辆—轨道空间耦合动力学仿真模型，并添加轨道几何不平顺作为模型激励。本文主要工作如下: (1)查阅相关文献，了解高速铁路的国内外发展历史与进程，以及了解轮轨动力学的研究历史，明确本文的研究意义和研究方法。 (2)将车辆—轨道耦合动力学作为理论基础，选取合适的轨道不平顺激励，结合CRH2型车的车辆动力参数和有砟轨道参数，使用多体动力学仿真软件建立车辆—轨道空间耦合动力学模型，并进行模型验证。 (3)对车辆—轨道耦合动力系统进行静力角度的分析计算，综合得到轨道结构刚度在静力角度的临界取值范围。 (4)分别改变扣件刚度和道床刚度的大小，对车辆—轨道动力系统进行动力特性分析研究。 (5)综合考虑扣件刚度和道床刚度的相互匹配影响，利用敏感系数法对车辆—轨道耦合动力系统进行刚度优化，得到最优扣件刚度和道床刚度的取值。 在完成了以上工作内容之后，初步得到以下结果: (1)在通过静力分析后可得本文的轨道结构刚度的临界范围为:轨道总刚度K的取值范围在63.337～269.928kN/mm之间;钢轨基础弹性模量u的取值范围在34.646～239.396N/mm2之间;钢轨支承刚度D的取值范围在20.788～143.638kN/mm之间。 (2)轮轨垂向力在不平顺激励下其样本分布呈现正态分布，并且垂向力在静轮载大小附近分布区间内出现的频率最高。轮轨横向力的样本分布呈现类似正态分布，但其分布频率图并不对称，其中小于最高频率的横向力部分图像较缓，在大于最高频率的横向力部分图像较陡。 (3)轮轨垂向力和横向力都随着扣件刚度或道床刚度的增加而其均值不变，其中轮轨垂向力的均值约为静轮载。此外，垂向力和横向力的样本分布也会随之越来越分散，其中横向力的改变幅度要小于垂向力的改变幅度，而且总体扣件刚度所带来的动力影响要大于道床刚度所带来的。 (4)随着扣件刚度或道床刚度的增加，车辆运行的安全性和稳定性都随之降低。同样，扣件刚度所带来的影响幅度比道床刚度所带来的影响幅度要大。 (5)利用敏感系数法分析计算后可以得知，钢轨垂向位移对扣件刚度和道床刚度的敏感度都比较高，轮轨垂向力对扣件刚度和道床刚度的敏感度都比较低。 (6)利用敏感系数分析之后，发现扣件与道床的最优刚度比η会随着轨道总刚度K的增加而增加。并且本文最终得到最佳刚度比约为1∶2,最佳总刚度约为117.256kN/mm左右，从而得出最优扣件刚度约为71.7kN/mm左右、最优道床刚度约为138.4kN/mm左右。
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