重载列车纵向冲动机理及参数影响

利用重载列车空气制动与纵向动力学联合仿真系统,仿真计算列车制动过程中的冲动过程,发现纵向冲动是由冲击作用和挤压作用共同形成,最大车钩力就是这两者中力较大的一个.如果最大车钩力是由冲击力产生,则最大车钩力发生在列车尾部,反之最大车钩力是挤压力时,最大车钩力发生在列车中部.车钩间隙对列车纵向冲击力和挤压力都有影响,车钩间隙...     

制动特性对列车纵向冲动的影响

针对大秦线重载列车实际运用中出现的纵向冲动过大的问题,使用基于气体流动理论的空气制动特性仿真和基于刚体动力学的列车纵向动力学联合仿真方法,研究制动波传播的均匀性、制动波速、制动缸升压特性等制动系统特性对纵向冲动的影响.结果表明在制动波速不变条件下,制动波匀速传播与非匀速传播时列车纵向冲动水平基本一致;制动波速对列车车钩力影响显著,波速越高,车钩力越小;在列车制动能力不变的条件下,随着列车首尾车制动缸压强曲线开口度的收敛,纵向冲动明显降低,最大车钩力发生位置向列车后部移动.     

车钩间隙对重载列车纵向冲击动力学的影响

基于列车纵向动力学理论,分析了车钩间隙大小、大间隙车钩数量和车钩间隙分布模式对重载列车纵向冲动的影响。计算结果表明:制动过程中,车钩间隙越小,列车最大车钩力越小,当初速度为60 km/h时,列车车钩间隙为0.01m与0.018m的最大车钩力相差52.14kN;列车最大车钩力随着大间隙车钩数量的增加而显著增大,大间隙车钩数量为10的最大车钩力为799.14kN,大间隙车钩数量为100的最大车钩力为938.18kN,后者比前者增加了17.4%;在凸型分布、上升分布、均匀分布、下降分布和凹型分布5种车钩间隙分布模式中,车钩间隙按凸型分布时列车最大车钩力最小。在允许范围内,采用小间隙车钩和按凸型分布编排不同间隙车钩有益于降低列车纵向冲动。     

两万吨列车纵向动力学性能预测

开发了基于空气制动系统仿真的列车纵向动力学仿真程序.通过单车撞击试验获得缓冲器本构关系,通过仿真获得1+2+1编组两万吨列车制动特性.计算了两万吨列车车钩力分布特性,在受力特点上看,1+2+1编组列车在制动时可以看作中间分界的两段列车,每段列车前部受压,后部受拉.最大车钩力发生在列车的约1/8处,最大拉钩力发生在列车的约7/8处.后部机车滞后于前部机车制动,将使受压车辆数目增多,最大压钩力增加、发生位置后移,最大拉钩力变化不大.车钩间隙越大,车钩力越大.初速度越高,车钩力越小.     

两万吨列车纵向动力学性能预测

开发了基于空气制动系统仿真的列车纵向动力学仿真程序．通过单车撞击试验获得缓冲器本构关系,通过仿真获得1＋2＋1编组两万吨列车制动特性．计算了两万吨列车车钩力分布特性,在受力特点上看,1＋2＋1编组列车在制动时可以看作中间分界的两段列车,每段列车前部受压,后部受拉．最大车钩力发生在列车的约1／8处,最大拉钩力发生在列车的约7／8处．后部机车滞后于前部机车制动,将使受压车辆数目增多,最大压钩力增加、发生位置后移,最大拉钩力变化不大．车钩间隙越大,车钩力越大．初速度越高,车钩力越小．     

列尾装置对重载列车纵向力的影响

根据气体流动理论与多刚体动力学原理,建立了带有列尾装置的列车空气制动系统与列车纵向动力学联合仿真模型,计算了制动系统中空气流动瞬态数值解,获得制动系统特性,同步计算了列车纵向冲动。2万吨组合列车计算结果表明：全制动时安装列尾装置使最大车钩力降低54％,列车纵向冲动明显降低;列尾装置减压量越大,车钩力降低越明显,目前列尾装置减压量固定为50kPa,应根据线路经常使用的减压量确定更合理的值;列尾装置排气速度对车钩力影响较小;列尾装置滞后时间对车钩力影响微小;使用机车替代列尾装置,在大减压量制动时,车钩力将明显得到改善,减压量越小,机车与列尾装置作用效果越接近,当机车减压50kPa制动时,列尾装置与机车作用相同。     

重载列车车钩力对列车偏载安全性影响

为了分析偏载列车在小半径曲线运行的安全性问题,基于重载列车纵向动力学模型和短编组三维重载车辆轨道耦合动力学模型,对偏载车辆的安全性指标进行了分析. 首先利用纵向动力学模型分析了重载列车纵向冲动时的车钩力特征和变化规律,其次将计算得到的车钩力作为边界条件输入到三维短编组重载车辆轨道耦合动力学模型,研究了小半径曲线运行时车钩力和车辆偏载量对列车安全性指标的影响. 研究结果表明:单编万吨列车的最大车钩压力随着车位的增大而减小;货车向外侧偏载时,钩压力对偏载货车安全性影响较大,钩拉力影响较小. 当钩压力增大到800 kN和车辆偏载量增大到500 mm时,轮重减载率将会增大到1.00,因此,制动工况更容易出现偏载脱轨事故;相同偏载量下,曲线外侧偏载下的轮重减载率比内侧偏载情形的大;当钩压力由0增大至800 kN时,由轮重减载率确定的横向偏载量安全限值由?421 mm降低至?215 mm,设定重载列车偏载的安全限值的时候应考虑纵向冲动的影响或制动加速度量的控制.      

一种新型列车分组电空制动系统的研制

提出了一种新型的电空制动系统,建立了新型电空制动系统的仿真模型,与实验结果比较后确定系统参数,预测了各种常用制动与紧急制动时列车制动能力的变化和纵向冲动的变化.仿真结果表明,与传统空气制动相比,新型电空制动系统制动能力更强,制动能力增强的效果与减压量相关,常用制动时减压量越大,制动能力增强越明显,减压170 kPa时制动距离缩短30％以上,紧急制动时制动能力变化不大.从车钩力看,电空制动能够降低车钩力,减压量越大降低车钩力效果越明显,减压170 kPa时车钩力缩短56％.新型的电空制动系统不仅能够提升制动力,降低列车纵向冲动,同时具有对车辆改造部件少,改造期间具有兼容性好的特点,适合中国货车大保有量装备水平的提升.     

制动充气时间对快捷列车纵向冲动影响研究

利用空气制动和纵向动力学联合仿真程序,采用了KZ1空气制动系统和胶泥缓冲装置,建立了P160D快捷货车组成的快捷列车模型,计算紧急制动下不同制动缸充气时间对不同装载状态快捷列车纵向冲动的影响.结果表明,紧急制动距离随着制动缸充气时间延长而增大;满载、空载快捷列车和空重混编快捷列车中最大车钩力、最大加速度随着制动缸充气时间延长而减小;不同制动缸充气时间下,满载、空载快捷列车和空重混编快捷列车的纵向车钩力小,车辆瞬时加速度大,快捷货运列车运行中需对加速度进行控制.     

基于UM的重载列车纵向冲动仿真分析

本文以两万吨的重载列车为研究对象,通过UM建立两万吨重载组合列车的三维模型及列车的运行线路模型;然后在UM simulation中对重载列车进行条件约束,仿真分析得到两种不同编组的两万吨列车的纵向车钩力,与大秦线的两万吨重载列车的试验值基本相近;最后基于UM软件对两万吨重载列车在不同编组、不同长大坡道、不同制动波速的状况下分析,分析结果表明:"1+2+1"编组方式更适合于两万吨重载列车,且列车在下坡度运行时,下坡度越小,纵向冲动就越小;列车在上坡度运行时,上坡度越大,拉钩力越大,纵向冲动随之增大,列车上坡的坡度最大值为8%;另外,列车的制动波速越大,列车的纵向冲动就越小.     

轻轨列车用缓冲器动态阻抗特性研究

目前国内是参考铁道客车的标准提出轻轨用列车缓冲器的性能指标,并据此选择轻轨列车缓冲器容量和动态阻抗特性。由于城轨车辆采用动力分散的模式,且编组很少,在正常工况下所受车钩力很小,所以参照铁道客车标准选择的缓冲器容量和动态阻抗力往往过高。采用动力学的分析方法确定了动态阻抗特性改变前后的列车纵向冲动量,提出在满足性能和安全要求的前提下,可以降低缓冲器的动态阻抗力和容量,不仅可以改善列车的纵向冲动、提高缓冲器的使用寿命,而且能够降低制造成本。     

重载组合列车机车车钩稳定控制试验

为控制重载组合机车车钩的动态稳定性,根据重载机车车钩稳定性的工作原理与车体和乍钩的儿何关系,推导了机车车钩最大自由摆角的计算方法.以某型机车装用DFC-E100型钩缓装置在大秦线牵引重载列车为例,通过改变列车的牵引重量、编组方式和制动方式,不断加大作用于机车的纵向力,实测被试机车的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等安全性参数,试验研究列车中部机车车钩横向摆动对机车运行安全性的影响.结果表明:在压钩力作用下,机车车钩摆角随车钩纵向力的增大而增大;车钩最大自由摆角增大,机车的安全性参数及机车脱轨的风险则随之增加,考虑工程误差,车钩最大自由摆角应为2.5°～3.5°.     

车辆冲击数值模拟研究

为了研究车辆冲击对车辆运行安全性的影响,依据缓冲器计算理论,利用Simulink软件建立了货车缓冲器动力学修正模型;根据车辆系统动力学理论及车钩计算模型,利用UM软件建立了装用K6转向架的C80货车完整自由度车辆模型.将上述模型联合仿真,实现了车辆冲击的数值模拟.计算结果表明:两组车之间的冲击比一辆车与一组车间的冲击危害更大;车钩和从板质量使车辆产生高频小幅的车钩力;悬挂因素导致完整自由度车辆冲击模型的车钩力比单自由度车辆冲击模型小21.7%;车辆在纵向、横向和垂向存在耦合关系,轮轨垂向力随着冲击质量以及重心高度的增加而增大,轮轨横向力随着车端纵向压力的增加和曲线半径的减小而增大.      

纵向冲击下高速列车车体承载极限数值模拟

进行了高速列车车体6005A-T6、6082A-T6铝合金的静态拉伸和动态压缩试验，识别了0.001~2 500 s-1应变率范围内2种铝合金的材料应变率效应，建立了对应的Johnson-Cook本构模型；构建了高速列车典型车辆的显式动力分析模型，完成了刚性墙冲击车体过程仿真，研究了车钩稳态载荷、冲击速度、加载方式对车体承载极限的影响；分析了高速列车一号车和二号车车体在冲击载荷下的变形演化，通过应力变化临界点确定了车体的承载极限，并对列车在更高能量配置模式下的车体承载性能进行了验证。研究结果表明:在0.001~2 500 s-1应变率范围内，6005A-T6和6082A-T6铝合金应变率敏感系数分别为2.9×10-3和8.5×10-3，应变率效应不明显；纵向动态冲击载荷下，应变率强化对铝合金车体结构承载力影响不明显，惯性效应是其承载能力高于静态极限的主要原因；纵向冲击载荷从车钩位置传递时，一号车和二号车车体的动态承载力水平显著高于车体许用静态压缩载荷；冲击载荷下的车体结构承载力可为高速列车碰撞各界面能量分布问题中吸能元件平台力取值提供上界；可适当考虑提高车体许用压缩载荷以扩大列车端部吸能部件力学参数设计域，以满足更苛刻需求下的列车被动安全性能。      

高速列车的稳定性

为了研究列车中各车辆在直线上和大半径圆曲线上的蛇行稳定性,建立了具有17个自由度的车辆系统非线性数学模型。模型中考虑了车钩力横向分力的作用,根据列车运行阻力确定各车辆(动车或拖车)的车钩力,其是列车速度和车辆在列车中位置的函数,列车编组共考虑了2M9T、3M8T和6M5T三种形式。应用牛顿一拉夫森达代法确定车辆系统的平衡位置,采用QR算法求解系统雅可比矩阵的特征值,并结合二分法搜索系统平衡位置失稳时的临界速度。通过计算得知,在直线上列车中各车辆的临界速度相差不大,但在曲线上有一定的差别,车辆在曲线上的临界速度要低于直线上的临界速度,曲线半径越小,其临界速度越低,因此进行曲线上的临界速度计算时,必须考虑车钩力的影响。     

列车撞击荷载的有限元数值分析

为获得列车脱轨撞击荷载,分析列车撞击时盾构隧道的动力响应,建立了列车编组的三维撞击有限元模型,探讨了不同列车编组、不同撞击速度和撞击角度下列车近似撞击力时程曲线,分析了列车撞击力最大值和撞击时间与列车撞击速度和角度的关系,并将典型撞击荷载用于分析不同厚度二次衬砌管片衬砌的动力响应.结果表明:列车编组数量一定时,列车斜向撞击力最大值随撞击速度和撞击角度增大而增大;当撞击角度增大到7.5后,撞击力作用时间随撞击速度增大而延长;根据列车撞击力最大值出现时刻不同,可将撞击力时程曲线划分为2类特征曲线,其中第1类特征曲线(撞击瞬间撞击力达到最大)总体上符合高斯多峰拟合公式,可用10个参数近似拟合.二次衬砌厚度增大能有效减小管片衬砌应力、速度、加速度等动力响应以及拉、压损伤区域.      

重载货车冲击动态特性及其对摇枕横向载荷的影响

基于摩擦缓冲器动力学理论、车钩双向接触方法与车体摇枕载荷传递模型, 构建了车辆冲击三维动力学模型, 仿真了不同冲击速度与不同空重车状态的货车冲击, 分析了车辆冲击动态特性及其对摇枕横向载荷的影响, 并通过试验对仿真结果进行了验证。分析结果表明: 利用车辆冲击三维动力学模型顺利实现了车辆冲击时缓冲器动态特性、车钩连挂动态特性与摇枕横向载荷的仿真计算, 并获得了与冲击试验较为吻合的结果, 其中车钩力误差基本小于10%, 摇枕横向载荷误差基本小于25%;空车质量较小, 在冲击作用下车钩和从板姿态变化大, 因此, 重车冲击空车时车钩力动态曲线振荡特性较重车冲击重车更为明显, 甚至局部出现尖峰; 相对于车钩接触模型与力学传递特性, 摩擦缓冲器模型存在黏滞特性, 导致重车冲击重车和重车冲击空车下车钩接触力较缓冲器阻抗力分别小24%和31%;车钩力和摇枕横向载荷随着冲击速度的提高而逐渐增大, 且时间变化历程与最大峰值出现的时间基本一致, 相同速度下重车冲击重车的车钩力要大于重车冲击空车的车钩力, 在3、5、8km·h-1速度下分别大57%、25%和37%, 而产生的摇枕横向载荷刚好相反, 3种速度下分别小42%、53%和47%, 因此, 重车与空车调车连挂过程更容易造成转向架摇枕横向载荷过大, 应严格控制其连挂速度。