基于车辆-轨道耦合动力学的400km/h高速铁路线路平面参数设计研究

为推进我国400km/h等级高速铁路的规划建设和创新发展,本文基于车辆-轨道耦合动力学理论,开展了既有350km/h高速铁路曲线设计参数适应性分析和400km/h高速铁路线路平面参数设计方法研究,揭示了平面参数匹配关系对系统动力学性能的影响规律。研究结果表明:当曲线半径小于7000m时,既有规范的曲线设计参数不再适用;在满足动力学指标和欠/过超高限值要求的条件下,并考虑留有一定的安全裕量,建议400km/h高速铁路曲线半径不应小于7500m;相比于既有欠/过超高设计要求,综合考虑车轨系统动力学性能指标来设计曲线超高具有更宽的合理设置范围。本文通过系统的动力学分析,提出400km/h条件下曲线线路平面参数匹配建议值,并评估了其安全裕量,研究成果可为400km/h高速铁路线路平面设计提供理论参考。

中国列车空气动力学研究进展

论述了列车空气动力学研究方法:数值模拟计算、风洞试验、动模型试验和在线实车试验;讨论了几种典型列车的空气动力性能:中华之星高速列车、双层集装箱货运列车、磁浮高速列车;建立了列车交会压力波、线间距、安全退避距离的理论关系式;研究了列车流线形外形与气动性能的关系:流线形头形、车身截面外形、列车编组方式、车体表面以及影响气动性能的受电弓导流罩、外风挡、底罩及裙板、导流板等主要部件,介绍了研制流线形列车车体的成套技术及全面推广应用情况;研究了隧道-列车耦合空气动力特性;论述了为既有线5次大提速、百里强风区的兰新铁路解决的列车空气动力影响行车安全问题。

基于悬浮控制算法的磁浮列车动力学仿真研究

使用MATLAB建立了EMS型磁浮列车一节完整车厢的动力学模型,模型描述了车体-悬浮架-弹性轨道之间的关系,并具有4个自由度。仿真分析了车辆以200 km/h速度通过弹性轨道,当悬浮控制器分别采用3种不同的控制算法时车-轨耦合振动的系统动力学行为。仿真结果表明,在一定速度以及固定的车辆-轨道物理参数条件下,悬浮控制器采用不同的控制算法,车体-悬浮架-轨道各自的动力学行为有明显差异,磁浮列车的安全性与舒适性互相矛盾。理想的悬浮控制器算法应该在保证列车安全性的前提下,尽可能提高舒适性,同时通过改良悬浮控制算法可以提高车-轨耦合振动过程中系统的动态性能。此研究对于完善磁浮列车悬浮控制器设计具有参考价值。

高速铁路无砟轨道关键设计参数动力学研究

应用列车-线路耦合动力学理论,分析了高速铁路无砟轨道关键设计参数,包括设计轮重、疲劳检算轮重、轨道合理刚度、路桥过渡段路基面支承刚度、路基不均匀沉降、轨面变形折角及钢轨挠度变化率.结果表明：设计轮重可取为静轮重的3.0倍;疲劳检算轮重系数可取为1.50;轨下基础刚度的合理范围为20-30 MN/m;路桥过渡段路基面支承刚度的合理值为500-1 000 MPa/m;路基不均匀沉降幅值、轨面变形折角和钢轨挠度变化率应分别控制在波长的1.0‰、1.5‰及0.3 mm/m以下.

基于多车精细建模的曲线地段重载列车-轨道系统动力性能研究

建立考虑多车效应的重载列车-轨道系统精细化动力分析模型，对车辆、钩缓装置中各种细部构件及部件间接触摩擦等作用机制进行精细模拟，基于Hertz理论及FASTSIM算法进行轮轨接触计算。利用自主研发设备通过现场参数试验进行轨道建模。深入研究重载铁路曲线地段列车-轨道系统动力性能及曲线参数影响规律。结果表明，缓和曲线地段轮轨相互作用规律复杂，列车不同位置车轮受力呈现迥异变化趋势及幅度，前后缓和曲线轮轨相互作用亦完全不同，主要由超高顺坡及车辆构造所致；缓和曲线长度过短可导致超高顺坡过大不利列车运行，缓和曲线长度对动力性能影响曲线往往存在拐点，建议以拐点值限定最小缓和曲线长度；增长缓和曲线可有效减弱轮轨相互作用，并主要通过减缓列车首车及导向轮对磨耗降低整体磨耗；随缓和曲线长度不断增加，对动力性能改善效果越不明显。我国重载铁路小半径曲线超高设置通常偏大，建议适当降低超高值、设置10％～20％欠超高，利于改善轮轨受力、减缓磨耗。增大曲线半径利于减弱轮轨相互作用及磨耗，但半径越大改善作用越小。

纵断面线路参数对直线电机列车的动力影响

研究目的:为了确定纵断面线路参数取值对LIM列车运行舒适性和安全性的影响规律,基于首都机场线LIM地铁系统参数建立列车-线路三维耦合动力学模型,分析在纵断面线路参数和车速影响下,LIM地铁系统动力响应特性,拟合得到车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率与竖曲线类型、竖曲线半径、列车行驶速度之间的关系公式。研究结论:(1)凹形竖曲线会增大列车垂向加速度和轮轨垂向力,减小轮重减载率;(2)凸形竖曲线会减小列车垂向加速度和轮轨垂向力,增大轮重减载率;(3)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与曲线半径的倒数相关;(4)车体最大垂向加速度、轮轨最大垂向力、最大轮重减载率均与车速的平方相关;(5)本研究成果可为LIM地铁系统纵断面线路参数优化提供理论依据。

轮轨动力学与安全特性阶段研究报告

该研究将任务分解4个部分进行研究,分别由4个研究小组完成。研究小组1开展高速列车轮轨关系和运行安全性试验研究,通过对比国内外高速列车轮轨动力学试验方法和研究成果,验证了中国高速列车试验方法可以满足高速列车运行安全的评估要求。并通过高速列车试验,获得时速最高达420 km/h的16辆编组高速列车轮轨作用力数据,获得时速最高达420 km/h的16辆编组高速列车振动频谱特。研究小组2开展高速列车-轨道系统高频振动动力学仿真研究。采用有限元法,在建立道岔区辙叉模型和车轮模型基础上,研究了车轮通过道岔辙叉区时的轮轨接触状态、车轮重心变化以及轮轨动力等动态特征,分析了轮对横移量对轮/岔接触影响因素。在建立车辆-板式轨道耦合系统动力学模型基础上,研究了京津线路随机不平顺和42号高速道岔激扰下轮轨振动特性和轨道板的疲劳寿命。研究小组3开展气流扰动下的列车稳定性分析方法研究,主要研究考虑气动载荷作用下,高速列车蛇行运动稳定性的分析方法,分别建立了针对直线和曲线轨道的分析方法和计算程序。进而,针对气动载荷对高速列车蛇行运动稳定性的影响进行了详细分析。研究小组4开展高速列车多体系统动力学仿真研究。通过数值模拟研究不同行驶速度下,高速列车在明线运行和明线横风两种场景下的行驶安全性。为今后研制侧风预警系统合理设定侧风环境下运行速度限值提供科学依据。研究成果部分已应用于中国高速列车的联调联试试验,对我国高速铁路线路和车辆的优化设计、高速铁路的安全运营和维护有重要的理论指导意义。

减轻列车轮轨横向动力作用的技术措施

基于铁道车辆-轨道耦合动力学理论及仿真分析系统,分析了机车车辆悬挂参数、结构参数及轨道结构参数对轮轨横向相互作用的影响,在此基础上提出了降低轮轨横向动力作用的技术措施:(1)一系水平定位刚度(纵向和横向刚度)对轮轨横向动力作用影响较大,刚度值选取的基本设计原则是,在充分满足运动稳定性的前提下,尽可能降低刚度值;(2)二系水平(包括纵向和横向)刚度对轮轨横向动力作用影响不明显,设计时,应更多地考虑机车车辆的平稳性;(3)簧下质量对轮轨横向动力作用影响较大,较小簧下质量,将使轮轨横向动力作用得到显著的降低;(4)较低的扣件横向刚度、扣件垂向刚度及道床横向刚度等参数值将有利于降低轮轨横向动力作用。

大型机械大修线路后列车开通速度确定

运用车辆 -轨道耦合模型 ,对大型养路机械大修后列车以不同运行速度开通时的各项动力安全指标进行了计算和分析 ,并在现场对不同速度运行列车的脱轨系数、偏载率和轨距扩张进行了实际测试 。

横风下车辆-轨道耦合动力学性能

应用多体系统动力学理论,建立了车辆-轨道耦合动力学模型,利用新型显式积分法求解动力学方程组,利用赫兹非线性弹性接触理论计算轮轨法向力,利用沈氏理论计算轮轨蠕滑力,编写了车辆-轨道耦合动力学计算程序,研究了轨道结构对高速列车动力学性能的影响,分析了不同横风环境下高速列车动力学性能和列车姿态。研究结果表明:当列车运行速度为350 km.h-1,横风速度为15 m.s-1时,车体最大横向加速度为0.45 m.s-2,车体最大垂向位移为24.5 mm,车体向背风侧横移80.0 mm,车体最大侧滚角为2.23°;一位轮对的最大轮重减载率接近0.80,二、四位轮对均向背风侧横移,背风侧车轮易发生爬轨现象,二位轮对的横向位移最大,为7.4 mm。在横风下,高速列车的运行安全性指标变差,车体振动加速度变化不明显,车体向背风侧横移。在所有轮对中,二位轮对最危险。

地震激励下高速列车动态响应与运行安全边界研究

为研究地震对高速列车动态响应与运行安全的影响,建立地震激励下车辆-轨道耦合动力学模型,地震波被简化为周期性的横向正弦波加入车辆轨道仿真模型中。基于仿真计算,对地震作用下高速列车的动态响应、脱轨机理及运行安全边界进行详细地分析和讨论,给出地震下高速列车安全运行及脱轨边界。分析结果表明:地震所引起的轨道结构大幅横向振动对高速列车的安全运行影响极大;横向地震波激励下,车轮与钢轨频繁地发生分离、车轮的大幅度抬升和车辆激烈的横向滚摆运动是造成高速列车脱轨的主要原因。

轨道刚度对列车走行性能的影响

列车运行品质不仅取决于机车车辆本身的动力学性能 ,而且还受到来自轨道方面因素 (如轨道弹性、轨面几何不平顺等 )的影响。本文从车辆 /轨道相互作用整体系统的角度 ,运用车辆 -轨道耦合动力学理论 ,首次研究了轨道结构各部件刚度对列车走行性能的影响规律。结果表明 ,轨道刚度对机车车辆走行部的振动行为有较大影响 ,但对车体平稳性的影响不明显。

高速铁路动车组在线路上适应性设计方法及应用

我国高速铁路轨道结构类型较多,动车组在线路上的适应性问题越来越突出,其相关研究越显重要。本文基于车辆-轨道耦合动力学理论,对高速铁路动车组在线路上适应性设计方法进行了初步探讨,提出了以高速动车组为设计主体的线路适应性设计方法,介绍了该方法在中国标准动车组动力学性能设计工程中的应用情况,以期为我国高速铁路动车组设计提供一种新的思路和参考。

列车荷载作用下矮塔斜拉桥索梁振动的相关性

为探讨不同列车速度下矮塔斜拉桥斜拉索振动与桥梁整体振动之间的相关性,基于列车-线路-桥梁耦合振动理论与动力学模型,以某主跨115 m＋95 m的铁路矮塔斜拉桥为工程背景,考虑斜拉索与桥梁整体结构之间的相互作用,通过数值积分得到梁体、桥塔振动响应以及斜拉索局部振动响应.结果表明：列车荷载作用下索梁振动相关性问题实质上是一个能量传递过程,当拉索端点位移激励频率与其自振频率接近时,能量易于在索梁间传递;当列车以225~350 km/h的设计时速通过桥梁、列车荷载的激励频率与斜拉索自振频率接近时,斜拉索在外激励作用下会产生共振,但共振幅值不大（斜拉索局部振动幅值小于3 mm）.

铁路最小曲线半径的动力性能分析

运用车辆轨道耦合动力学理论分别对列车动态通过高中速客车共线与高低速客货混跑的曲线轨道进行动力学性能指标的仿真计算、分析与评价 ,可作为论证制定最小曲线半径标准技术可行。

基于改进HHT分析车轮椭圆化对高速列车时频特征的影响

研究车轮椭圆化对高速列车时频特征影响。建立车辆/轨道空间耦合模型,模拟计算高速车轮椭圆化与轨道谐波不平顺共同激励下车辆系统动力响应。将基于改进经验模态分解的希尔伯特-黄变换方法应用于车辆/轨道耦合系统振动信号分析中,计算分析动力响应的时频分布及振动能量分布。结果表明:车轮椭圆化会引起车辆系统振动响应频率调制及车辆系统蛇形运动与振动能量分布的非线性变化。

秦沈客运专线常用跨度桥梁的动力分析

铁路列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动 ,而桥梁的振动又反过来影响列车的运行 ,其中线路的轨道不平顺对列车和桥梁的振动起很大作用 ,这种相互作用、相互影响的问题就是列车 -线路 -桥梁耦合振动问题。随着列车速度的提高 ,桥梁的动力特性和列车运行安全性与舒适性在设计桥梁时必须加以充分考虑。本文利用 16 0km/ h、2 0 0 km/ h、30 0 km/ h三种等级的列车参数以及对应的轨道不平顺波 ,综合考虑列车 -线路 -桥梁的共同作用。全面分析秦沈客运专线设计过程中的 6 2种不同设计方案的桥梁 ,评价以上桥梁动力特性及列车走行性 ,为客运专线桥梁设计提供技术依据 ,其中有 2

基于模糊多准则优选的高速兼顾普速线路超高设计

合理设置曲线超高对提高列车运行舒适性、减少轮轨磨耗、节省铁路工务作业成本具有重要意义。为进一步提高我国当前的路网运输效率,对高速铁路兼顾普速客车上线的曲线超高设置问题展开研究。基于车辆—轨道耦合动力学理论计算高速及普速列车的动力响应,采用模糊多准则优选算法对高速列车和普速列车的运行舒适性Sperling指标进行优化。以通过相应曲线半径的过超高和欠超高允许值作为约束条件,建立基于模糊层次分析法的高速(250 km/h)兼顾普速(160 km/h)线路曲线超高的多准则优选模型。研究结果表明:本文采用的模型能够同时满足高速与普速铁路的舒适性需求,可为高速兼顾普速线路的超高设计提供参考依据。

长大列车通过弹性曲线轨道仿真求解方法研究

为解决长大列车与连续长弹性轨道的同步仿真问题,以列车通过曲线轨道为例,采用重载列车-轨道耦合动力学模型,分析了压钩力作用下轨道结构与30 t轴重列车的动态特性,提出了长大重载列车与轨道动态相互作用仿真时模型的简化求解方法.该方法将庞大的列车/轨道耦合振动系统以有限数目的三维车辆模型代替,并考虑其轨下基础结构弹性,从而极大缩减系统运动自由度.研究结果表明:列车可简化为单质点车辆模型和三维车辆模型混合的短编组列车,当模型中只包含一个三维车辆模型,且其前、后车辆均以单质点模拟时,计算结果偏低;列车承受2 200 k N压钩力并通过400 m半径曲线线路时,货车最大轮轨横向力和垂向力较多节三维货车编组模型的计算结果分别低估了24%和4%,钢轨横向、垂向位移则被低估了20%和8%;端部车辆采用单质点模型、中部采用三维车辆模型的车辆数至少为3时,才能较为准确地反映中间目标车辆处轮轨作用力和其下部轨道结构的动态特性.

轮缘润滑对列车曲线通过动态响应影响分析

为研究轮缘润滑对重载列车曲线通过性能的影响,建立重载列车-轨道三维耦合动力学模型,该模型主要包含重载列车系统模型、有砟轨道系统模型和考虑多点接触和复杂接触状态的轮轨滚动接触模型。利用该模型对比分析惰行工况和驱动工况下,轮缘润滑对重载列车曲线通过时轮轨动态相互作用的影响。研究结果表明:轮缘润滑对机车曲线通过时的轮轨动力相互作用影响显著,在机车轮对通过小半径圆曲线过程中,当存在轮缘润滑时,外侧轮缘位置处的轮轨纵向蠕滑力明显较无轮缘润滑时明显降低,轮对导向能力削弱;在惰行和牵引工况下通过圆曲线时,存在轮缘润滑的轮对冲角均明显增大;轮缘润滑对重载列车钩缓系统响应影响不大。