高速列车紧急制动距离的探讨

通过对国内外高速列车紧急制动距离及紧急制动减速度的对比、计算、分析,提出我国高速列车制动初速为300 km/h时的紧急制动距离建议.     

存在扰动和时滞的高速列车自适应制动控制

为了保障高速列车的安全可靠运行,文章以存在未知扰动和输入时滞的高速列车制动系统为被控对象,设计了新的高速列车制动系统模型参考自适应控制策略,实现了对给定速度曲线的渐近跟踪。首先,通过分析高速列车制动系统的原理和动态特性,建立了存在扰动和时滞的高速列车制动系统状态空间模型;其次,充分利用模型参考自适应控制善于处理系统不确定性和外界扰动的能力,结合状态预测,设计了状态反馈控制器,使其在存在未知扰动和输入时滞时仍能实现对给定速度曲线的渐近跟踪;最后基于CRH380AL型高速列车在济南—青岛段的数据开展仿真验证,仿真结果表明文章设计的高速列车制动控制系统具有理想的稳定和渐近跟踪特性,能克服未知参数和有界扰动的影响,具有良好的鲁棒性。     

普通列车和CRH_2型动车组制动力荷载分析

为研究CRH2型动车组制动力和普通重载列车制动力对桥梁结构的影响差异,依据动车组制动减速度特性曲线,计算整车制动力时程,为桥梁结构承受动车组制动力的动力分析研究打下基础。通过与重载列车制动力时程的对比,表明动车组整车制动力数值比重载列车制动力小很多,且停车前保持平稳,不具有普通重载列车的冲击特性。     

考虑列车追踪的自动驾驶控制算法

为了研究追踪列车安全、平稳的操纵策略,在分析列车间相互纵向动力学关系的基础上,提出了列车追踪模型. 列车在不同情况下控制目标有所不同:单独运行模式下以最优速度模式曲线运行,追踪运行模式下保证安全追踪间隔运行.为了实现不同的控制目标,采用模型预测控制的分层结构,结合二次型优化算法实现最优列车速度控制.以CRH2型列车、武广线为例验证该模型的有效性. 仿真结果表明,本文方法可使追踪列车安全性得到有效提高,且当使加速度控制在-0.75~0.5 m/s2之间,加加速度控制在-0.5~0.5 m/s3之间时,乘车舒适性得到了有效的保障.      

高寒地区高速列车制动性能仿真研究

运用Simpack建立了高速列车动力学模型,分析了高寒地区列车制动过程中的受力情况,设计了400 km/h高速列车紧急制动与最大常用制动减速度曲线,并进行了黏着校核。结果显示所设计的减速度曲线能满足400 km/h高速列车的制动需求。运用MATLAB/Simulink建立制动系统模型,通过仿真计算得到高寒地区干燥和冰雪条件下紧急制动距离和最大常用制动距离。     

基于边界层控制的高速列车减阻技术

为减小高速列车在运行过程中的气动阻力,提出一种基于边界层控制的减阻技术。以CRH3高速列车为研究对象,通过在车体表面加设球窝非光滑表面来控制边界层的湍流特性,实现列车运行减阻效果;通过PRO/Engineer三维软件建立了高速列车模型、参数化的球窝模型和计算域模型,在不影响研究效果的前提下,对高速列车模型进行简化处理以减少数值仿真计算周期;为使网格能够更好地贴合流线型车体和球窝非光滑表面,采用ICEM CFD软件对计算域进行非结构网格划分;在考虑列车表面粗糙度对气动阻力的影响工况下,应用商业流体软件FLUENT中的k-ε湍流模型对列车在300km·h~(-1)明线运行工况下的列车外流场进行数值仿真分析。仿真结果表明:只在尾车加设球窝非光滑表面更有利于列车减阻,且随球窝的半径、深度和阵列距离的增大,列车的气动阻力均呈先下降后上升的趋势;当球窝阵列距离为350mm,球窝半径为80mm,球窝深度为10mm时,球窝非光滑表面的减阻效果最好,此时气动阻力为2 220.4N,没有加设球窝非光滑表面的列车气动阻力为2 967.9N,减阻率可达25.19%。可见,采用球窝非光滑表面来改变边界层湍流特性是降低列车气动阻力的有效途径。     

新型供电方式有轨电车运行能耗优化方法

针对无接触网新型供电方式有轨电车运行能耗的问题，研究了一种在储能容量有限的情况下降低运行能耗并提高再生制动能量回收的方法. 该方法在保证列车站间运行距离不变、站间运行时间在可行范围内、且满足超级电容吸收制动功率能力的前提下，通过重新分配牵引、惰行、制动3种工况执行的距离以及列车在牵引与制动工况的出力大小，计算出一条既实现节能又提高制动能量回收的列车目标运行曲线；最后使用该方法对某有轨电车实际运行线路进行优化. 仿真结果表明:在冗余时间内，该方法平均减少4%的运行能耗；同时超级电容在有轨电车制动过程中平均增加4%的制动回馈能量回馈，且能够安全运行.      

客运专线列车速度-间隔控制机理与计算

给出了制动率、制动距离、作业时间等参数取值和最小追踪间隔的计算公式．不同的全制动距离阶段划分方式及其设备配置决定了高速客运专线信号控制及列车运行方式．列车的速度-间隔控制采用一次制动模式曲线方式并以速度分级模式曲线方式作为备用模式．缩短同方向列车到站追踪间隔是缩短追踪间隔的关键．对于速度大于250km／h的旅客列车，通过进站提前减速，用一次制动模式曲线方式能够实现3min追踪间隔．在客货混线运行条件下，当车站到发线有效长不大于1200m，咽喉区长度不大于800m，120km／h的货物列车制动率0．8时，能够实现5min追踪间隔；200km／h旅客列车采用制动率为0．6即能实现4min追踪间隔．     

动车组轴盘温度场及应力场数值模拟分析

以CRH2型动车组轴盘制动系统为雏形,基于摩擦功率法研究了轴盘热载荷计算方法及边界条件的确定。依据能量守恒法简化计算施加于制动盘体表面的热流密度,确定出列车紧急制动情况下平均强迫对流换热系数和平均自然对流换热系数的函数曲线关系。于ANSYS软件中模拟出CRH2型高速动车组紧急制动情况下轴盘制动盘的温度场分布和应力场大小。结果表明在制动过程中列车制动盘在开始制动瞬间表面温度迅速上升,当达到某一峰值后缓慢下降,直到制动停车。制动开始后盘体热应力急剧上升,然后随着速度逐渐降低得到缓解释放。     

高速列车充分利用粘着制动距离计算

提出了高速列车充分利用粘着制动距离的计算方法。用本文提供的方法，我国２５０ｋｍ／ｈ高速客车的制动距离可定为２５００ｍ。     

凸包非光滑表面高速列车气动阻力及噪声研究

为减少高速列车在运行中的气动阻力及噪声,提高列车运行效率、节约能耗,提升旅客乘坐舒适度,提出凸包非光滑表面减阻技术应用于高速列车领域。以CRH3型高速列车为研究对象,通过在车体的头部和尾部加设凸包来控制湍流特性,以达到减阻、降噪效果。首先,利用PRO/Engineer建立非光滑表面CRH3高速列车简化模型,采用ICEM CFD软件对模型划分非结构网格;其次,应用Fluent流体仿真软件基于标准模型对稳态运行速度为300 km/h时的列车进行仿真计算空气阻力;最后,利用宽频带噪声模拟气动性能良好的列车外表面噪声。结果显示:将间距为460 mm、半径为40 mm、高度为10 mm的凸包阵列结构布设在前挡风玻璃周围对减小气动阻力有积极作用,阻力值为3 715 N,减阻率为1.77%,而此参数凸包非光滑对列车裙板上缘有普遍降噪效果,最大降噪率为1.72%,而对车鼻处及车顶部则会增加噪声。研究表明,通过在头车加设凸包可以改变边界层湍流特性达到减小列车气动阻力及降低部分位置气动噪声的效果。     

紧急制动工况下电磁式磁轨制动器极靴磨损计算方法

为了预测极靴服务寿命,确保制动可靠,通过磨损过程、制动过程、制动器/钢轨温度场的建模与仿真,计算了高速列车紧急制动过程中电磁式磁轨制动器极靴磨损量;建立了考虑速度与温度的Archard磨损模型和CRH2列车紧急制动过程的动力学模型,计算了电磁式磁轨制动器样机全程参与制动时的空气制动力、电磁制动力、制动减速度、紧急制动能量分配系数、瞬时速度和制动距离等时变参数;分析了紧急制动时电磁式磁轨制动器-钢轨-大气间的热量传递,基于Fluent软件建立了制动器/钢轨的三维温度场模型,根据制动过程时变参数获取温度场热流密度和散热加载条件;针对CRH2列车行驶速度为250km·h-1的紧急制动工况,计算了制动器极靴的磨损量。计算结果表明:在制动过程中,钢轨顶部温度随着与制动器的接触状态变化呈波动变化,在距离有效制动起点1 620m处,钢轨与8号电磁式磁轨制动器接触结束时,温度达到最大值570.76℃;CRH2列车同侧8个制动器极靴底部在制动时间为24.5s时温度达到最大值,从前到后依次为1 022.6℃、1 037.7℃、1 045.3℃、1 052.8℃、1 085.7℃、1 100.9℃、1 109.2℃、1 124.4℃,极靴磨损量从前到后依次为207.4、208.7、210.0、210.7、212.1、213.4、214.4、215.5g。可见,制动器工作会使钢轨产生热量积累,导致列车运行方向后面的电磁式磁轨制动器极靴温度较高,磨损量较大。     

机车动力制动对操纵方式及限制坡度的影响

分析不同的列车编组、制动操纵方式、线路坡道条件下的列车调速制动过程。计算表明，采用动力制动，在12‰的下坡道，用DFSB或SS7单机牵引，缓解增速时间从110s分别延长为1728及2348。对于18‰的下坡道，用DFSB或SS7双机牵引，缓解增速时间从68s分别延长为138s及225s。采用机车动力制动与空气制动联合操纵方式还可减少空气制动次数和降低车轮踏面温升，从而提高列车安全性，放宽限制坡度的设计要求。     

基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制

针对高速列车运行过程中因不确定运行阻力和模型误差等因素产生的系统误差，提出了新的基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制策略，实现了其对给定目标速度曲线的渐近跟踪。首先通过动力学分析，基于特征建模方法和参数辨识，建立了存在系统误差的高速列车特征模型；其次，利用扩张状态观测器对系统误差的估计能力，设计了基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制器，并结合广义最小方差方法对控制器参数进行了优化，使其在存在系统误差时仍能实现对给定速度曲线的渐近跟踪。该控制策略能够有效处理系统误差带来的不确定性，提高控制精度，从而保障高速列车的安全可靠运行。为了验证本文所提方法的有效性，以CRH380A型高速列车为被控对象进行仿真实验。仿真结果表明设计的补偿控制方法在列车存在未知系统误差的情况下仍能保证理想的控制性能。     

重载列车纵向动力学仿真模型的有效性研究

针对重载列车纵向冲动问题,根据气体流动理论和机车动力制动特性,开发并完善了重载列车空气制动系统与纵向动力学联合同步仿真系统.对制动系统传动效率与机车电制动系统模型进行修正,细化了模型,提高了仿真系统精度.根据神华线路机车操纵控制指令,仿真列车编组为2+1时的停车与运行工况,将仿真结果与神华线路运行试验结果对比.计算结果表明:在空气制动停车与运行工况时,各车位列车管和制动缸压强试验与仿真结果基本一致;在停车与运行工况且施加机车制动电流的情况下,车钩力变化试验与仿真结果基本一致,最大车钩力试验与仿真误差在0.7%～14.2%之间,吻合程度较高.     

CRH380CL型高速列车车载自动过分相控制策略

介绍了车载GFX-3A自动过分相系统的工作原理,分析了高速列车过分相速度损失原因,研究了CRH380CL型高速列车过分相的控制策略,并通过试验验证过分相延时控制策略和车载控制逻辑关系能够满足CRH380CL高速列车过分相技术要求.     

高速列车与动车组列车共线运行影响分析研究

我国高速铁路目前还处在建设阶段,还没有形成网络,高速铁路的运输组织模式为高速列车和动车组列车共线运行,鉴于其该模式对区段通过能力等条件的要求,对高速铁路的站间距离进行了分析,主要从通过能力、动车组列车旅行速度系数、扣除系数均衡性,列车间隔等角度对高速列车和动车组列车共线运行时越行站间距的取值进行分析,同时从列控系统,以及最小曲线半径的角度对高速列车和动车组列车共线运行时的速度匹配提出了要求。     

地铁正线40.0‰最大坡度对行车特性的影响

地铁线路穿越山岭或跨江渡河时，适当提高正线最大坡度标准有利于减少建设成本、降低设计和施工难度. 为了研究地铁正线40.0‰ 最大坡度取值的可行性，结合苏州市轨道交通8号线车线系统特点，采用理论分析、列车纵向动力学、车辆-线路系统动力学以及有限元等方法，从动车功率、列车起动与制动能力、故障列车救援、列车运行状态与动力特性、轨道力学特性等方面分析了地铁正线40.0‰ 最大坡度对行车特性的影响. 研究结果表明:当采用4动2拖B2型车时，地铁正线最大坡度值可采用40.0‰；列车通过40.0‰ 大坡道地段时，行车安全性、平稳性、列车起动制动以及故障救援能力均能满足要求；钢轨所受最大应力仅为容许应力的37%，纵向最大位移值仅为0.443 mm.      

高速列车运行调整与运行控制一体化双目标优化模型与算法

列车实时运行调整与运行控制是实现高速列车准点节能运行的两个重要方面.本文构建高速列车运行调整与运行控制一体化优化模型,以降低列车总延误时间与运行能耗为目标,同时优化列车速度距离与时间距离曲线.与以往研究将列车运行调整与运行控制独立优化不同,本文基于列车牵引计算,通过锁闭时间理论将列车运行调整与控制的解空间进行耦合,根据列车运行速度、制动性能、信号系统的清空与开放时间、轨道区段/闭塞分区的长度等因素,精细化计算列车占用不同轨道区段/闭塞分区的时间,动态确定列车区间运行时分与追踪间隔.为求解复杂的非线性模型,设计分段近似法将非线性约束进行重构,从而将非线性优化模型转变为混合整数规划模型.通过算例计算,给出双目标问题的帕累托解集,与单目标优化方法对比,本文方法可以减少总能耗2.46%,降低运行总延误7.33%.     

高速列车制动区段钢轨波磨抑制方法

为研究高速列车制动区段制动结构/轨道结构对轮对-轨道-制动系统摩擦自激振动的影响，首先，结合现场调研，建立CRH3高速列车轮对-轨道-制动系统有限元模型；然后，采用复特征值法研究考虑轮轨粘滑和制动滚滑作用下的轮对-轨道-制动系统的摩擦自激振动特性；进而探究制动结构中表面织构对整个系统摩擦自激振动特性的影响；最后，对轨道结构中扣件参数进行参数化分析，并采用最小二乘法和粒子群算法求得抑制钢轨波磨的扣件参数的最优解.研究结果表明：高速列车在制动区段时，轮轨粘滑和制动滚滑作用导致的轮对-轨道-制动系统摩擦自激振动的主要频率为526.75 Hz，与现场波磨特征频率接近，说明轮对-轨道-制动系统的摩擦自激振动可能是该区段钢轨波磨的主要诱因；采用具有表面织构的闸片或制动盘能有效抑制制动区段的钢轨波磨，其中沟槽型闸片的抑制效果最佳；当扣件的垂向刚度为65.5 MN/m，横向刚度为46.0 MN/m，垂向阻尼为84.0 kN·s/m和横向阻尼为23.5 kN·s/m时，可以抑制高速列车制动区段的钢轨波磨.