重载列车系统动力学研究进展

重载列车是现代轨道交通运输中的重要运载工具,是煤炭、化石等矿产资源运输的主干力量。随着列车编组长度不断增加和轴重不断提升,其动力学与行车安全性问题日益凸显,制约了重载铁路运输能力与技术的发展。为了提升重载列车系统的动态服役性能,保障列车运行安全性,本综述阐明了重载铁路运输面临的动力学与行车安全性问题,系统梳理了重载列车系统动力学的研究现状,研究了列车纵向动力学、三维列车动力学和列车与轨道耦合动力学的分析理论与研究方法,分析了现有研究的不足及面临的挑战,探讨了其未来研究重点和方向,以期为重载列车技术的发展提供参考。

高速铁路长大坡道动车组运行性能分析方法

当动车组运行通过长大坡道时,车辆与轨道的耦合振动作用会对列车牵引制动效率产生重要的影响.为更准确地分析动车组列车通过长大坡道时的运行性能,基于车辆-轨道耦合动力学理论,考虑列车牵引制动行为与线路平纵断面的影响,建立高速铁路长大坡道动车组运行性能分析模型,采用线路试验数据对模型进行验证,对比分析三维模型与传统一维模型的差异,并将模型应用到西安—成都高速铁路(西成高铁)动车组运行性能研究中.结果表明:本文提出的方法能反映长大坡道对动车组运行速度和动力学性能的影响;传统的一维模型对长大坡道动车组的降速量评估不足,与本方法相比,两者差异为每10 km 5%左右;CRH3A型动车组在西成高铁长大坡道运行会出现严重的降速现象,列车功率提升50%后,降速超过20%的区间减少了7个,全线运行时长缩短了13%,为提高列车运营效率与曲线通过性能,需提高动车组牵引功率.

复杂轮轨接触条件下机车牵引/制动性能分析

不同的轮轨接触条件对轮轨黏着系数影响显著,而轮轨间的黏着特性对列车的牵引和制动性能起着决定性作用。以HXD_(2)双机牵引2000 t货物列车编组为例,建立了列车-轨道垂纵动力学模型,分析了不同坡道和不同轮轨接触条件下机车的黏着特性,并根据黏着特性曲线计算出低黏着条件下机车能够发挥的最大牵引/制动力。结果表明:货物列车以牵引状态匀速通过10‰和20‰坡道时,在冰雪接触状态下会发生车轮空转;通过30‰坡道时,在油态和冰雪接触状态下均会发生车轮空转,此时车轮纵向蠕滑率明显增大,黏着系数降低;低黏着接触条件下的最大牵引/制动力值低于HXD_(2)型机车牵引/制动力限值,并由此给出了在低黏着接触条件下建议采用的牵引/制动特性曲线;在坡度超过10‰时的冰雪接触条件下以及30‰坡道的油态接触条件下,货物列车均无法保持匀速运行。

横风作用下空载和满载敞车的动力学特性对比

建立了考虑1节机车和4节敞车的货物列车空气动力学模型,研究了风速对空载和满载敞车车体表面压力分布规律的影响,计算了敞车受到的气动载荷,并将气动载荷加载到货物列车动力学模型,从车体姿态和运行安全性两方面分析了不同速度横风作用下空载和满载敞车的动力学特性。研究结果表明:在横风作用下,机车后第1节敞车受到的侧力、升力和侧滚力矩最大,当风速为10 m·s^(-1)时,最大值分别为-7.17 kN、4.59 kN、1.89 kN·m;对于第1节敞车,当风速为10 m·s^(-1)时,满载敞车受到的侧力、点头力矩和摇头力矩相比于空载敞车分别减小了15.8%、79.0%和12.2%,而受到的升力和侧滚力矩分别增大了39.9%和56.6%,因此,装载状态对横风作用下敞车气动载荷有较大影响;空载敞车更易受气动载荷影响,当风速分别为25、30 m·s^(-1)时,空载敞车1的车体横移分别为-12.66、-14.82 mm,满载敞车1的车体横移分别为-12.01、-13.68 mm,空载敞车1的车体侧滚角分别-0.69°、-0.83°,满载敞车1的车体侧滚角分别-0.64°、-0.73°,因此,空载敞车横移与侧滚角大于满载敞车;当风速为25 m·s^(-1)时,空载敞车的轮重减载率达到0.68,已超出安全限值0.65,而满载敞车的轮重减载率为0.24,小于安全限值,当风速为30 m·s^(-1),空载敞车的倾覆系数达到0.75,接近安全限值0.80,而满载敞车的倾覆系数仅为0.23,因此,较大速度横风作用下,空载敞车存在较大的运行安全风险。