机车车辆-轨道耦合动力学研究取得系统性成果荣获2005年度国家科技进步一等奖

西南交通大学“长江学者”特聘教授、国家级有突出贡献的中青年专家翟婉明教授领导的研究小组，在国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金及铁道部科技研究开发计划等持续支持下，经过15年研究，在机车车辆-轨道耦合动力学研究领域取得了系统性成果。“铁道机车车辆-轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用”入选2005年度“中国高等学校十大科技进展”，荣获2005年度国家科技进步一等奖。     

机车车辆-轨道耦合动力学研究及应用成果荣获国家科技进步一等奖

2006年1月9日，国务院总理温家宝在全国科技大会上宣读了《国务院关于2005年度国家科学技术奖励的决定》。由西南交通大学牵引动力国家重点实验室副主任、列车与线路研究所所长、“长江学者”特聘教授、国家级有突出贡献的中青年专家、本刊编委翟婉明教授主持完成的科研成果“铁道机车车辆一轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用，，荣获2005年度国家科技进步一等奖。此前，该成果已入选2005年度“中国高等学校十大科技进展”。     

“天梭”号电力机车参数优化及动力性能仿真分析

基于机车车辆-轨道耦合动力学理论,运用经多次实车线路试验验证的动力学仿真软件系统TTISIM,研究了部分悬挂和结构参数对“天梭”号交流传动电力机车运动稳定性的影响,仿真计算了该机车在弹性结构轨道上的整车动力性能,并根据铁道机车车辆动力性能评定标准和规范对该机车动力性能作了全面、综合评估。研究结果表明：合理选择动力学参数有利于提高机车运动稳定性;机车参数改进后能满足200km／h高速运营的需要,所有动力性能指标均具有不同程度的安全裕度。     

机车车辆动力学研究及发展

机车车辆动力学在最近10年得到迅速发展,考虑车辆—轨道耦合作用的耦合模型得到广泛应用。随着大跨距跨江铁路桥的建设,车和桥的耦合振动会引起接触网的振动,进而影响弓网的耦合振动。因此十分有必要开展接触网—受电弓—机车车辆—线路—桥梁耦合大系统动力学的研究。进行机车车辆动力学性能优化,必须首先确定机车车辆动力学三要素的优先关系,即运行的稳定性—安全性—平稳性,建立以列车为研究对象的模型,同时在模型中考虑机车车辆结构弹性和频变特征悬挂参数以及气流扰动的影响,进而进行灵敏度分析和参数优化。给出考虑频变特性的钢弹簧等效计算方法以及基于循环变量的列车系统动力学建模和计算方法,并验证了计算方法的有效性。     

车辆-轨道耦合动力学研究的新进展

车辆－轨道耦合动力学是在传统的车辆动力学和轨道动力学基础上发展起来的一个新的学科领域，近10年来发展迅速，并取得重要进展，已形成独特的理论体系，本文首先简要回顾了车辆－轨道耦合动力学的研究历史，并对国内外形研究进展作了概要介绍，在此基础上着重介绍了作者及其课题组近期开展的研究工作及主要研究结果，包括理论模型，计算机仿真，试验验证，参数确定及应用实践等方面的具体进展，最后指出了机车车辆与轨道系统动力学领域今后拟进一步研究的问题。     

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，动用车辆－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。     

车辆--轨道耦合动力学仿真软件TTISIM及其试验验证

TTISIM仿真软件采用现代车辆—轨道耦合动力学理论,全面考虑轨道结构参振影响及动态轮轨空间接触几何关系。结合近年来国内有关提速、脱轨、新型机车车辆动力学现场试验,对TTISIM软件进行了系统的分析验证。结果表明,用该仿真软件计算的结果与试验测量结果吻合良好,说明该仿真软件可以用来分析研究各种铁道机车车辆在不同状态线路上运行时的动力学性能。     

时速140km轨道车动力学性能仿真分析

运用机车车辆一轨道耦合动力学理论及其动力学仿真软件TTISIM，仿真计算了140km／h轨道车在弹性轨道结构上的整车动力学性能，并根据铁道机车车辆动力学性能评定标准和规范对该轨道车动力学性能作了全面、综合评估。研究结果表明：该轨道车非线性临界速度较高，具有较大的稳定性裕度；所有止挡间隙均能满足通过最小半径曲线时的要求；动态曲线通过时的安全性指标能够满足安全行车要求；在直线轨道上运行时车体平稳性指标属于合格及以上等级；以50km／h侧向通过12号固定辙叉道岔时的安全性指标均在合格限值范围之内。     

机车车辆与线路最佳匹配设计原理、方法及工程实践

提出了采用系统设计思想实现机车车辆与线路最佳匹配设计的理念,论述了匹配设计的基本原理与设计方法。指出:机车车辆系统和线路系统在动态性能设计上要相互适应、相互匹配。无论设计主体对象是机车车辆还是线路,都必须将对方视为主体对象的动态环境,通过机车车辆—轨道耦合动力学理论方法考虑对方的动态影响因素,进行主体对象动力性能优化设计,同时分析评估主体设计对象对另一系统的动态作用影响,再根据动态作用影响的评估结果改进主体对象结构设计参数,如此反复,直到整体系统动态性能最优为止。由此开发了机车车辆—轨道耦合动力学仿真设计技术平台。经在若干铁路重大工程线路设计中运用,取得了显著成效。     

SS7E机车与SS7E模块化机车动力学性能比较与分析

基于机车车辆一轨道耦合动力学理论，运用TTISIM动力学仿真软件系统，分析SS7E机车与SS7E模块化机车在弹性结构轨道上的整车动力学性能，并进行了详细的对比分析。研究结果表明：SS7E模块化机车与SS7E机车相比运行稳定性略优，曲线通过时的安全性能相当，直线运行平稳性十分接近。     

高速铁路列车-线路-桥梁耦合振动及列车走行性研究

高速铁路上桥梁结构的大量应用使得有必要综合考虑列车-线路-桥梁间的共同作用,形成包括机车车辆系统、轨道系统和桥梁结构的一个总体大系统,并将轮轨相互作用作为连接机车车辆系统和线路-桥梁系统的"纽带",进行车-线-桥耦合动力学的研究.     

120km/h交流传动货运电力机车动力学性能仿真分析及评估

运用机车车辆—轨道耦合动力学理论及其动力学仿真软件TTISIM ,仿真计算了 12 0km/h交流传动货运电力机车在弹性轨道结构上的整车动力学性能 ,并根据铁道机车车辆动力学性能评定标准和规范对该机车动力学性能作了全面、综合评估。研究结果表明该机车非线性临界速度较高 ,具有较大的稳定性裕度 ;动态曲线通过时的安全性指标能够满足安全行车要求 ;在直线轨道上运行时车体平稳性指标属于优良等级 ;以 5 0km/h侧向通过 12号固定辙叉道岔时的安全性指标均在合格限值范围之内     

车辆-轨道耦合动力学理论在现代机车车辆设计中的应用实践

介绍了车辆 轨道耦合动力学理论在新型机车车辆研制中的最新应用情况,包括在200km/h"天梭号"高速机车设计、170km/hSS7E型提速客运电力机车改进设计,以及120km/h提速货运电力机车研制中的应用实践。文章着重从提高高速机车蛇行运动稳定性、改进SS7E型客运机车横向动力性能以及降低提速货运机车轮轨动力作用等方面进行了详细论述。结果表明,车辆 轨道耦合动力学理论在现代铁路机车车辆研制中取得了显著成效,具有广阔的应用前景。     

轮轨结构参数对列车运动稳定性的影响

基于车辆—轨道耦合动力学理论,运用动力学仿真软件TTISIM,系统地分析和探讨了机车车辆的抗蛇行减振器,一系悬挂刚度,转向架轴距,车轮踏面锥度对临界速度的影响,以及轨距,钢轨小反,轨底坡,扣件刚度和阻尼等参数对列车稳定性的影响。指出在计算机车车辆的临界速度时,不仅要考虑整车的结构参数和模型,还应把轨道模型和结构参数纳入整个模型和分析过程。这对铁路机车车辆结构参数优化设计,提高或改善机车车辆运动稳定性,及既有线提速改造和高(快)速铁路修建等工程问题均具有实际意义。     

高速列车与桥上板式轨道动力学仿真分析

运用轮轨关系,建立高速列车—板式轨道—桥梁系统空间耦合动力学模型。运用列车—线路—桥梁动力学仿真通用软件TTBSIM,分析高速列车以不同速度通过桥梁时,机车车辆、板式轨道及桥梁的动力特性。结果表明,桥上板式轨道能够保证行车的安全性、舒适性和桥梁结构的安全性。     

提速列车与曲线轨道的横向相互动力作用研究

基于机车车辆—轨道耦合动力学理论,仿真计算典型的提速机车车辆通过不同曲线轨道时的轮轨动态横向相互作用性能指标,包括提速客货列车通过山区铁路小半径曲线强化轨道、160 km.h-1提速客运列车及120 km.h-1提速货运列车通过不同半径曲线轨道。根据现行动力学性能评定规范,对轮轨相互作用性能指标进行了综合评估分析。理论分析结果表明:提速后列车通过曲线轨道时轮轨横向动态相互作用加剧,动力性能指标的最大峰值均出现在圆曲线上,并且客运机车车辆的曲线通过性能接近,货车车辆的曲线通过性能要优于货运机车的性能。为了确保列车提速后的行车安全性,山区铁路的小半径曲线轨道须采取加强措施,提速客运列车以160 km.h-1和提速货运列车以120 km.h-1速度运行时的最小曲线半径分别取1 400 m和1 000 m。     

客运专线曲线线路车线耦合系统动力学性能与无砟轨道结构振动响应的仿真研究

依据系统工程理论的思想,对客运专线曲线线路车线耦合系统的动力学性能和无砟轨道结构车辆线路耦合系统振动响应问题进行分析和仿真研究,主要研究内容如下。(1)基于车辆—轨道耦合动力学理论和有限元理论,系统分析车线耦合系统中各部分的运动状态,分别建立机车车辆、普通曲线线     

无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道系统动力特性的影响

在吸收国内外研究成果的基础上,建立能够考虑无砟轨道—路基系统各部件间接触状态非线性的列车-路基上板式无砟轨道三维有限元耦合动力学模型,并对建立的三维有限元耦合动力学模型进行相应验证。运用建立的耦合动力学模型,对列车在路基上板式无砟轨道线路上高速行驶时,在列车荷载和无砟轨道温度梯度荷载共同作用下,列车-路基上板式无砟轨道耦合系统动力特性进行研究。研究结果表明:无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道耦合动力学系统轮轨力特性影响很小,但对无砟轨道各部件动力特性有显著影响,在进行无砟轨道各部件动力特性研究时,有必要考虑无砟轨道温度梯度荷载的不利影响;对于Ⅱ型板式无砟轨道,无砟轨道温度梯度荷载对列车-路基上板式无砟轨道耦合动力学系统动力特性影响与裂缝间距有很大关系,裂缝间距越小,其影响越小。     

机车车辆—轨道耦合动力学仿真系统的集成研究

机车车辆－轨道耦合动力学仿真已经开展了数值仿真，图形可视化等研究，但如何将相关的研究集成起来，形成一个单平台的较为完善的仿真系统，是一个急待解决的问题，文中采用面向对象的系统设计方法，结合基于变参数的车辆几何的结构的三维生成，基于帧图象的动力学可视再现和曲线二维可视化等技术，将系统可视化模块和动力学计算模块有效地结合起来，研究了系统开发环境的结合方式，系统集成框架，基于CVF，VC和OPENGL等不同语言间的混合联编等问题。并给出了系统集成中基于标识集的数据传递流程和共享方式，定义了不同的独立模块之间的数据接口，提供了一个考虑计算，图形，和综合可视界面的合理的系统开发环境，形成了一套综合的机车车辆轨道耦合动力仿真系统集成软件。     

单磁铁系统的稳定性与仿真分析

采用带状态观测器的气隙-速度-加速度反馈控制系统,在多体系统仿真软件SIMPACK平台上,考虑悬浮系统、电磁系统及控制系统的耦合作用,建立单磁铁-轨道梁-控制器的综合模型,模拟磁浮列车在弹性轨道梁上静止悬浮的过程,分析轨道梁的特征对车轨耦合振动的影响,研究共振的产生及解决方法,为磁悬浮列车的整车静止悬浮稳定性分析提供依据。