列车脱轨机理与脱轨分析理论研究
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须采用抗 力作 功增量 与输 入能量 增量 准则评判 此系
脱 轨研究 中存在 如下主要 问题 。（）现 有预 防脱 轨 １ 标 准对实 际列车脱 轨没有 控制作 用 。（）不 明原 因 ２
列 车脱轨 机理不 明确 。（ ）列 车脱轨计 算存 在 ３ ３ 个
根本问题 ：①列 车一 轨道 （ 梁） 时变系 统振动 方 桥
梁）时变系统横向振动进行随机分析，不能计算得
到列车一 轨道 （ 桥梁 ）时变 系统可 能产生 的最 大横 向振 动响应 ，更不能预 报列 车是否 脱轨 。为此 ，研 究并提 出解决 这些 主要 问题 的思路 和方法 。
通过分析列车振动的自激特性及列车脱轨的 自
激失稳 表 现 ，提 出列 车 脱 轨 的 机 理 是 列 车一 轨 道 （ 桥梁 ）时变 系统 横 向振 动 丧 失稳 定 ，认 为 列 车脱 轨理论 分析 的关键 在于分析 列车一 轨道 （ 桥梁 ）时
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第２ 卷 ， ｌ ９ 第 期 ２００ ８年 １月
文章编号 ：１０ —６２ （０ ８ １０ ２～３ ０ １４ ３ ２ ０ ）０—１ ７０
・
中 ＮＡ ＣＨ Ｉ 国 铁 ＡＹ ＣＩ ＮＣＥ ＲＡＩ Ｗ 道 科 学 Ｌ Ｓ Ｅ
中 图分 类 号 ：Ｕ２ １５ １ ． 文献 标 识 码 ：Ａ
在分析 国 内外 脱轨研 究现状 的基础 上 ，总结 出
比较来评 判 。 （）由于列 车一轨 道 （ 梁 ）系 统横 ３ 桥 向振 动的 自激 性 ，使 系统 横 向振动 的荷 载及抗 力均 不明 ，因而 不能采用 抗力 增量 与荷载增 量准则 ，必
ｄ ｒｉ ｎ ｓ ｏｌｗｓ ① Ｔｈ ｏ ｎ ｃｉｇｃｎ ｉｏ ｅａｌ ｔ ｌ ｍｅ ａ ｆ ｏ ： ｅｃｎ ｅｔ ｏ ｄｔ ｎ ｎ ｉ
ｏ ｉｐａ ｅ ｎ ｅｗｅ ｎ ｗｈ ｅ ｎ ａｌｃ ｎ ｏ ｅ ｆｄ ｓ ｌｃ ｍｅ ｔ ｂ ｔ ｅ ｅ ｌａ ｄ ｒ ｉ ａ ｎ ｔｂ
系统具有 时变性 与 自激性 ，现 有静 、动力 系统稳 定 性 分析理论 不能直 接用 于列车一 轨 道 （ 桥梁 ）系 统 横 向振 动稳定性 分析 。 （）现 有静 、动力 系统稳 定 ２ 性 分析理 论都有 １ 个共 同 的特点 ，即静 、动力 系统 稳定性 都是 由系统状 态偏移 后产 生的抗力 增量 （ 或
（）提出系统横向振动最大输入能量值增量的计算 ５
方法 ； （）建 立列 车一 轨 道 （ 梁 ）系统横 向振动 ６ 桥 稳 定性及 列车 是否脱 轨 的能量增 量判别 准则 。 在 北京 至通化线 路 上现场 实测货 物列车 构架蛇 行 波 ，得 出空 载货 车构架 蛇行 波标准差 与车 速的关
轨几何准则； （ ）提 出列车脱轨全过程 的计算方 ３
法 ；（）计 算列 车车 轮脱轨 全过程 振动 响应及 系统 ４
横向振动极限抗力作功值与车速的关系曲线，并建
立 此系统 横 向振动 极 限抗 力 作 功值 增 量 的表 达 式 ；
变系统横向振动的稳定性 。 通过对现有静 、动力系统稳定性分析理论 的总 结 ，得 出如 下结论 。 （ ） 由于列 车一轨 道 （ 梁 ） １ 桥
提出了新的预防列车脱轨措施及预防脱轨新标准的 制订方法 ；研发的列车脱轨报警器，获得 ｌ 项国家 实 用新 型专 利 ；针 对 正 常 行 车条 件 下 的 列 车 脱 轨 （ 不明原因脱轨） ，提出了列车脱轨预警系统的技术
原理。
车脱轨控制 ，分析结果得到相关主管部门的采用 。
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｈｅ Ｍ ｅ ｈａ ｉｍ ｎ ｈ ｔｄ ｎ ｔ ｃ ｎ ｓ ａwk.baidu.comｄ ｔ ｅ Ａｎａ ｙ ｉ ｅ ｒ ｆ Ｔｒ ｉ ｒ ｉｍ ｅ ｔ ｌ ｓｓ Ｔｈ ｏ ｙ ｏ ａ ｎ Ｄｅ ａ ｌ ｎ
ｔｃ ｆ ｓ ｌ ｅ ｃｔ ｔｏ ｆ ｔ ａｎ ｖ ｂ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｌｓｎ ｉｓ ｏ ｅ ｆ ｘ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｉ ｉ ｒ ｔ ｎ ｏ ｉ ｇ — ｏ
ｓａ ｉ ｔ ｎ ｓ ｌ ｅ ｃｔ ｔ ｎ ｖｂ ａ ｉｎ ｓａｕ ｆｔａｎ ｔ ｂｌ ｙ ｉ ｅｆ ｘ ｉａｉ ｉｒ ｔｏ ｔｔ ｓｏ ｒ ｉ ｉ － ｏ ｄ ｒｉ ｅ ｔ Ｓ ｈ ｅ ｏ ａ ａｙ ｉｇ ｔａｎ ｄ ｒ ｉ ｅ ａｌ ｎ ． ｏ ｔ ｅ ｋ ｙ ｔ ｎ ｌｚｎ ｒｉ ｅ ａｌ ｍ — ｍｅ ｔｉ ｔ ｎ ｌｚ ｈ ｔｂ ｌ ｙ ｏ ａｅ ａ ｉｒ ｔ ｎ ｎ ｓ ｏ ａ ａｙ ｅ ｔ ｅｓ ａ ｉｔ ｆＩｔｒ Ｉｖｂ ａ ｉ ｉ ｏ
Ｔｈ ｊｒ ｒｂｅ ｘｓｉｇｉ ｅ ｅａ ｍｅ ｔ ｅｍａｏ ｏ ｌ ｐ ｍｓ ｉ ｎ ｔ ｒｉ ｎ ｅ ｔ ｎｈ ｄ ｌ
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１８ ２
中
国 铁
道 科
学
第 ２ 卷 ９
主 知识产权 的列 车 脱 轨 分 析软 件 Ｔ ＤＡＳｖ ． ，并 １０ 分 别应用于 分析长 春至 图们 干线 上 ３ １７次货物列 ３１ 车 重大脱轨 事故 、南京长 江大桥 等 ６ 座横 向振 幅超
限桥梁上 的列车走行 安全性 、武 广客运专 线天兴洲 公铁 两用大 桥 、胡 家湾大桥 及衡 阳湘江特 大桥上列
时不变 系统随机 振动分析 理论 ，对列 车一 轨道 （ 桥
车一轨道 （ 桥梁）时变系统横向振动稳定及列车不
脱轨 的条件 为 系统 横 向振动极 限抗力 作功值 大于横 向振 动最大输 入能 量值 。 创立 的列 车脱 轨能 量 随机 分析 理 论 主要 包括 ： （）考虑轮 轨位 移衔 接 条 件 及 轮轨 “ 问” 影响 ， １ 游 建立 能描述 列 车车轮 脱轨全 过程 的列车一 轨道 （ 桥 梁 ）系统 空间振 动矩 阵方程 ；（）建立列 车车轮脱 ２
（ ｓ ｒ ｃ ｆｔ ｅＰｈ Ａｂ ｔ ａ ｔｏ ｈ ．Ｄ．Ｄｉｓ ｒ ａ ｉ ｎ ｓｅ ｔ ｔ ） ｏ
Ｑｉｇ ｕ ｎ（ ｃｏ ｕ ｅｖｓ ｒ ＸＩ ＡＮＧ ｕ Ｊ ｎ，Ｚ ＥＮＧ ｎ ｙ ａ Ｄｏ ｔ ｒＳ ｐ ｒ ｉｏ ）
（ ｃ ｏ ｌ ｆＣｉｉ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ｎ ｃ ｉｅ ｔ ｒ ，Ｃｅ ｔａ ｏ ｔ ｉｅｓｔ Ｓ ｈ ｏ ｖ ｌ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ａ ｄ Ａｒ ｈｔ ｃｕ ｅ ｎｒ ｌ ｕｈ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ Ｓ ｙ，Ｃｈ ｎ ｓ ａ Ｈｕ ａ ４ ０ ７ ａｇ ｈ ｎ ｎ １ ０ ５，Ｃｈｎ ） ｉａ
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Ｔｈ ｏ ｌｗｉｇ ｃ ｎ ｌｓｏ ｓ ａ ｅ ｍａ ｅ ｂ ｕ ｅｆｌ ｏ ｎ ｏ ｃｕ ｉｎ ｒ ｄ ｙ ｓ ｍ— ｍａ ｉｉｇ ｔ ｅｅ ｉｔ ｇ ａ ａｙ ｉ ｈ ｏ ｙｏ ｔ ｂｌ ｙｏ ｒｚｎ ｈ ｘｓ ｉ ｎ ｌｓｓｔ ｅ ｒ ｆｓａ ｉ ｔ ｆ ｎ ｉ ｓａｉ ｎ ｄ ｎ ｍｉ ｙ ｔｍ ． （ ｔ ｔ ａ ｄ ｙ ａ ｃ ｓ ｓｅ ｃ １） Ｂｅ ａ ｓ ｏ ｔ ｅ ｃｕ ｅ ｆ ｈ ｃ ａ ａ ｔｒｓｊｓｏ ｉ — ａ ｉｎ ｎ ｅｆｅ ｃｔｔｏ ｆ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｆｔ ｃ ｍｅｖ ｒａ ｔａ ｄ ｓ ｌ ｘ ｉａｉｎ ｏ ＿
统横 向振动 的稳定性 。 根 据 Ｔ ｃｍａ 索桥 在 风振失 稳 自激 振动 能量 ａｏ 悬 积聚 达到桥 梁极 限抗 力作 功时 破坏 的概念 ，提 出列
程组的建立与求解未满足轮轨位移衔接条件 ；②仅
以轨道横 向不平顺 作为列 车一 轨道 （ 桥梁 ）时变 系 统横 向振 动 的激 振源 ，未 考虑根 本激 振源—— 轮 轨 接触状态 的影 响 ；③仅 以轨 道不平顺 的随机性 和按
系曲线 ；在秦沈线上现场实测 高速列 车构架 蛇行 波 ，得 出高 速列 车构架 蛇行波 标准差 与车速 的关 系
曲线 。 基于列 车脱 轨能量 随机分 析理论 ，研 发具有 自
抗力作功增量）与荷载增量 （ 或输入能量增量）的
收稿 日期 ：２０ １０ ；修订 日期 ：２０ —９２ ０ ７Ｏ ８ ０ ７０—８ ２０Ｃ ７４０） ５ ６ ８ ７ ，５０ ８ ０ ） 基 金项 目 ：国家重点基础研究 发展计划资助项 目 （０ ７ Ｂ １ ７ ６ ；国家 自然科学基金 资助项 目 （ Ｏ ７ １ ６ ０ ７ ０ ６ ；铁道部科技研
ｔａｎ ｔａ ｋ （ ｒｄ ｅ ｙ ｔｍ ，ｔ ｅｓａ ｉｔ ｆｌｔｒ ｌ ｒ ｉ ｒ ｃ ｂ ｉｇ ）ｓ ｓｅ ｈ ｔｂ ｌ ｙｏ ｅａ ｉ ａ
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究开发计划项 目 （０ １ ０ ９ ０ ３ ０ ３ ；高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目 （０ １ ５ ３ ０ ） ２ ０Ｇ ２ ，２ ０ Ｇ ４ ） ２００３０４
作 者 简 介 ：向
俊 （ ９８ ） １６ － ，男，湖南沅陵人 ，教授，博士 。
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Ｖ １２ Ｎｏ１ ｏ． ９ ． Ｊ ｎ ａｙ ２ ０ ａ ｕｒ， ０ ８
博士学位论文摘要 ・
列车脱 轨 机 理 与脱 轨 分 析理 论研 究
向 俊 ，曾庆元 （ 导） 博
４０７） １ ０５ （ 中南大学 土木建筑学院 ，湖南 长沙
关键词 ：列车脱轨；脱轨机理 ；能量 增量准 则；构架 蛇形波 ；脱轨 控制 ；预防措施 ；预 防标准 ；脱轨报警 器 ；脱轨预警系统
脱 轨研究 中存在 如下主要 问题 。（）现 有预 防脱 轨 １ 标 准对实 际列车脱 轨没有 控制作 用 。（）不 明原 因 ２
列 车脱轨 机理不 明确 。（ ）列 车脱轨计 算存 在 ３ ３ 个
根本问题 ：①列 车一 轨道 （ 梁） 时变系 统振动 方 桥
梁）时变系统横向振动进行随机分析，不能计算得
到列车一 轨道 （ 桥梁 ）时变 系统可 能产生 的最 大横 向振 动响应 ，更不能预 报列 车是否 脱轨 。为此 ，研 究并提 出解决 这些 主要 问题 的思路 和方法 。
通过分析列车振动的自激特性及列车脱轨的 自
激失稳 表 现 ，提 出列 车 脱 轨 的 机 理 是 列 车一 轨 道 （ 桥梁 ）时变 系统 横 向振 动 丧 失稳 定 ，认 为 列 车脱 轨理论 分析 的关键 在于分析 列车一 轨道 （ 桥梁 ）时
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第２ 卷 ， ｌ ９ 第 期 ２００ ８年 １月
文章编号 ：１０ —６２ （０ ８ １０ ２～３ ０ １４ ３ ２ ０ ）０—１ ７０
・
中 ＮＡ ＣＨ Ｉ 国 铁 ＡＹ ＣＩ ＮＣＥ ＲＡＩ Ｗ 道 科 学 Ｌ Ｓ Ｅ
中 图分 类 号 ：Ｕ２ １５ １ ． 文献 标 识 码 ：Ａ
在分析 国 内外 脱轨研 究现状 的基础 上 ，总结 出
比较来评 判 。 （）由于列 车一轨 道 （ 梁 ）系 统横 ３ 桥 向振 动的 自激 性 ，使 系统 横 向振动 的荷 载及抗 力均 不明 ，因而 不能采用 抗力 增量 与荷载增 量准则 ，必
ｄ ｒｉ ｎ ｓ ｏｌｗｓ ① Ｔｈ ｏ ｎ ｃｉｇｃｎ ｉｏ ｅａｌ ｔ ｌ ｍｅ ａ ｆ ｏ ： ｅｃｎ ｅｔ ｏ ｄｔ ｎ ｎ ｉ
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系统具有 时变性 与 自激性 ，现 有静 、动力 系统稳 定 性 分析理论 不能直 接用 于列车一 轨 道 （ 桥梁 ）系 统 横 向振 动稳定性 分析 。 （）现 有静 、动力 系统稳 定 ２ 性 分析理 论都有 １ 个共 同 的特点 ，即静 、动力 系统 稳定性 都是 由系统状 态偏移 后产 生的抗力 增量 （ 或
（）提出系统横向振动最大输入能量值增量的计算 ５
方法 ； （）建 立列 车一 轨 道 （ 梁 ）系统横 向振动 ６ 桥 稳 定性及 列车 是否脱 轨 的能量增 量判别 准则 。 在 北京 至通化线 路 上现场 实测货 物列车 构架蛇 行 波 ，得 出空 载货 车构架 蛇行 波标准差 与车 速的关
轨几何准则； （ ）提 出列车脱轨全过程 的计算方 ３
法 ；（）计 算列 车车 轮脱轨 全过程 振动 响应及 系统 ４
横向振动极限抗力作功值与车速的关系曲线，并建
立 此系统 横 向振动 极 限抗 力 作 功值 增 量 的表 达 式 ；
变系统横向振动的稳定性 。 通过对现有静 、动力系统稳定性分析理论 的总 结 ，得 出如 下结论 。 （ ） 由于列 车一轨 道 （ 梁 ） １ 桥
提出了新的预防列车脱轨措施及预防脱轨新标准的 制订方法 ；研发的列车脱轨报警器，获得 ｌ 项国家 实 用新 型专 利 ；针 对 正 常 行 车条 件 下 的 列 车 脱 轨 （ 不明原因脱轨） ，提出了列车脱轨预警系统的技术
原理。
车脱轨控制 ，分析结果得到相关主管部门的采用 。
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｈｅ Ｍ ｅ ｈａ ｉｍ ｎ ｈ ｔｄ ｎ ｔ ｃ ｎ ｓ ａwk.baidu.comｄ ｔ ｅ Ａｎａ ｙ ｉ ｅ ｒ ｆ Ｔｒ ｉ ｒ ｉｍ ｅ ｔ ｌ ｓｓ Ｔｈ ｏ ｙ ｏ ａ ｎ Ｄｅ ａ ｌ ｎ
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限桥梁上 的列车走行 安全性 、武 广客运专 线天兴洲 公铁 两用大 桥 、胡 家湾大桥 及衡 阳湘江特 大桥上列
时不变 系统随机 振动分析 理论 ，对列 车一 轨道 （ 桥
车一轨道 （ 桥梁）时变系统横向振动稳定及列车不
脱轨 的条件 为 系统 横 向振动极 限抗力 作功值 大于横 向振 动最大输 入能 量值 。 创立 的列 车脱 轨能 量 随机 分析 理 论 主要 包括 ： （）考虑轮 轨位 移衔 接 条 件 及 轮轨 “ 问” 影响 ， １ 游 建立 能描述 列 车车轮 脱轨全 过程 的列车一 轨道 （ 桥 梁 ）系统 空间振 动矩 阵方程 ；（）建立列 车车轮脱 ２
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统横 向振动 的稳定性 。 根 据 Ｔ ｃｍａ 索桥 在 风振失 稳 自激 振动 能量 ａｏ 悬 积聚 达到桥 梁极 限抗 力作 功时 破坏 的概念 ，提 出列
程组的建立与求解未满足轮轨位移衔接条件 ；②仅
以轨道横 向不平顺 作为列 车一 轨道 （ 桥梁 ）时变 系 统横 向振 动 的激 振源 ，未 考虑根 本激 振源—— 轮 轨 接触状态 的影 响 ；③仅 以轨 道不平顺 的随机性 和按
系曲线 ；在秦沈线上现场实测 高速列 车构架 蛇行 波 ，得 出高 速列 车构架 蛇行波 标准差 与车速 的关 系
曲线 。 基于列 车脱 轨能量 随机分 析理论 ，研 发具有 自
抗力作功增量）与荷载增量 （ 或输入能量增量）的
收稿 日期 ：２０ １０ ；修订 日期 ：２０ —９２ ０ ７Ｏ ８ ０ ７０—８ ２０Ｃ ７４０） ５ ６ ８ ７ ，５０ ８ ０ ） 基 金项 目 ：国家重点基础研究 发展计划资助项 目 （０ ７ Ｂ １ ７ ６ ；国家 自然科学基金 资助项 目 （ Ｏ ７ １ ６ ０ ７ ０ ６ ；铁道部科技研
ｔａｎ ｔａ ｋ （ ｒｄ ｅ ｙ ｔｍ ，ｔ ｅｓａ ｉｔ ｆｌｔｒ ｌ ｒ ｉ ｒ ｃ ｂ ｉｇ ）ｓ ｓｅ ｈ ｔｂ ｌ ｙｏ ｅａ ｉ ａ
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究开发计划项 目 （０ １ ０ ９ ０ ３ ０ ３ ；高等学校博士学科点专项科研基金资助项 目 （０ １ ５ ３ ０ ） ２ ０Ｇ ２ ，２ ０ Ｇ ４ ） ２００３０４
作 者 简 介 ：向
俊 （ ９８ ） １６ － ，男，湖南沅陵人 ，教授，博士 。
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Ｖ １２ Ｎｏ１ ｏ． ９ ． Ｊ ｎ ａｙ ２ ０ ａ ｕｒ， ０ ８
博士学位论文摘要 ・
列车脱 轨 机 理 与脱 轨 分 析理 论研 究
向 俊 ，曾庆元 （ 导） 博
４０７） １ ０５ （ 中南大学 土木建筑学院 ，湖南 长沙
关键词 ：列车脱轨；脱轨机理 ；能量 增量准 则；构架 蛇形波 ；脱轨 控制 ；预防措施 ；预 防标准 ；脱轨报警 器 ；脱轨预警系统