无调车作业重载列车制动工况缓冲器特性研究

使用大容量缓冲器是重载列车主要特征,大容量缓冲器的大刚度特性使得重载列车运行中车钩力增加.调车工况是对缓冲器容量需求的主要工况,在无调车需求的重载线路中没有将缓冲器大容量特性发挥,反而引起列车运行过程中的过大车钩力.使用列车空气制动与纵向动力学联合仿真方法,针对神华铁路无调车作业的重载列车设计出新型缓冲器特性,仿真结果表明万吨列车在减压50、减压170 k Pa常用制动和紧急制动时车钩力分别降低11.5%、26.7%、43.8%,空气制动减压量越大,车钩力降低越明显.新缓冲器可以满足相对速度5.0 km/h的冲击需求.该研究为缓冲器开发提供了理论指导.     

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.     

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。     

制动特性对重载列车纵向冲动影响的比较

比较了目前两种常见的组合列车制动系统特性获取方法的差异,通过对比发现,两种方法得到的制动特性在平道常用全制动工况下,最大车钩力可产生48%的差异.列车制动特性主要表现为制动波传播特性和制动缸升压特性,其中制动缸升压特性的差异是造成两种方法计算结果较大差异的主要原因.组合列车中任一车辆的制动特性受所有机车排气的影响,制动系统仿真方法中考虑了多机车排气对列车中车辆的减压速度的影响,因此制动特性更接近于真实组合列车制动特性.而使用单编万吨列车制动试验特性插值计算组合列车制动特性方法没有考虑多机车排气影响,对列车纵向冲动分析结果会造成较大的误差.     

基于神经网络的重载列车缓冲器模型

以试验数据为基础,利用BP神经网络快速准确地建立缓冲器模型,对不同冲击速度下的单车碰撞试验进行模拟仿真,并与试验结果作对比.结果表明:所建模型拟合出缓冲器工作过程的曲线形式与试验曲线形式相似性较高;所拟合的最大阻抗力与试验最大阻抗力误差基本在10%以内,发生位置误差小于1 mm.构建的缓冲器数学模型有利于进一步对HM-1型与HM-2型重载货车缓冲器力学特性的研究,也可以用于其他型缓冲器,利用试验数据构造缓冲器模型.为重载列车缓冲器的试验结果处理、缓冲器模型建立以及重载列车纵向动力学研究开辟了新途径.     

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。     

基于纵向压力的2B_0重载机车动力学特性

为了解决2B0重载机车牵引试验中出现的3次扩轨掉道事故,分析了纵向压力作用下机车车钩倾斜与稳定原理,推导了车钩自由角的计算原理.根据车钩的试验数据,建立了车钩动力学模型.计算结果表明:大纵向冲动下车钩严重偏转是导致事故发生的主要原因;为了保证车辆安全运行,大摆角车钩必须具有对中复位功能;车钩自动复位能力、钩缓装置的特性对于机车车辆轮对侧磨有显著影响.     

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.     

长大重载列车中部机车跳钩机理与防控对策

基于多体动力学理论,构建了2万吨重载列车中部机车-货车三维动力学模型,分析了连挂车钩初始高差、车钩钩头摩擦因数等关键因素对中部机车跳钩的影响规律,探究了空制缓解与牵引工况下中部机车-货车连挂车钩分离的形成机理,并提出相应的防控对策。研究结果表明：中部机车-货车连挂车钩在压钩状态下能够保持稳定,但在钩缓系统由压缩状态转变为拉伸状态的过程中,机车电制力、牵引力将使连挂车钩产生垂向相对跳动;进入拉钩状态后,较大的初始高差和较差的钩头摩擦因数使得连挂车钩自锁力不足,导致车钩间垂向相对位移迅速增大;若机车垂向转角限值过大,车钩间垂向相对位移将进一步增大至300 mm以上,最终导致车钩分离现象的发生;当钩头摩擦因数和机车车钩垂向转角限值分别为0.08、8°时,空制缓解工况下发生车钩分离所需的最小初始高差、电制力施加比例分别为40 mm、40%,牵引工况下发生车钩分离所需的最小初始高差、牵引力施加比例分别为30 mm、50%;空制缓解工况下,当初始高差为50 mm、电制力施加比例为70%时,发生车钩分离所需的最小钩头摩擦因数、机车车钩垂向转角限值分别为0.09、6°;牵引工况下,当初始高差为50 mm、牵引力施加比例为100%时,发生车钩分离所需的最小钩头摩擦因数、机车车钩垂向转角限值分别为0.10、7°。可见,为有效抑制跳钩事故的发生,须严格限制连挂车钩间的初始高差,适当减小机车电制动力/牵引力,增大车钩钩头的摩擦因数,以及限制机车车钩的垂向最大转动角度。     

从控机车滞后时间对3万t列车纵向力的影响

使用列车空气制动仿真方法获得空气制动系统特性, 通过列车动力学仿真方法分析了3万t列车在多机车不同步条件下紧急制动和常用制动时车钩力, 提出了大秦线3万t重载组合列车的可行性编组。分析了从控机车在各种滞后时间情况下, 列车常用和紧急制动的最大车钩力的变化特点。研究结果表明: 平道常用全制动工况下, 从控二机车滞后时间比从控一机车滞后时间对车钩力影响更大, 从控机车滞后于主控机车5 s时, 最大车钩力增加了80.2%;平道紧急制动工况下, 从控一机车滞后时间对车钩力影响更大, 从控机车滞后于主控机车5 s时, 最大车钩力增加了335.9%;从控机车滞后时间控制在4.1 s以内, 车钩力可以控制在许用范围内。     

重载列车制动管路对制动性能的影响

应用流体动力学理论, 建立了重载列车制动管路模型与分配阀模型, 求解了制动管路和边界点的动力学方程, 仿真计算了制动过程中的制动系统性能, 分析了列车主管和支管长度对制动系统性能的影响。分析结果表明: 当列车主管长度由13.24 m增大为17.24 m时, 在常用制动下, 列车管路减压时间增大了30.75%, 制动缸升压时间增大了20.45%, 主管长度对常用制动的影响要强于对紧急制动的影响; 当列车支管长度由0.50 m增大到5.00 m时, 在常用制动下, 列车管路减压时间增大了6.63%, 制动缸升压时间增大了5.22%, 支管长度对常用制动和紧急制动影响程度差别不大。列车制动管路长度增大降低了列车制动管路减压速度与制动缸升压速度; 列车主管长度对制动性能的影响要明显大于列车支管长度的影响, 车辆位置距机车越远影响越明显。     

重载货车车钩准静态受力分析与纵向载荷分配规律

针对重载货车车钩在车钩间隙、重力与纵向牵引力综合作用下的受力状态改变问题, 对车钩进行了准静态受力分析, 研究了其纵向载荷分配规律; 设计了钩舌上下牵引凸缘根部的应变试验, 得到了测点弹性应变随牵引力的变化关系, 分析了上下牵引凸缘承载程度变化趋势; 对车钩进行了详细的受力分析, 推导了载荷传递部位等效力解析解, 得到了车钩承受不同牵引力作用时所对应的仿真边界条件; 对车钩结构进行了仿真分析, 得到了节点应变随牵引力变化的响应曲线, 通过与应变测试试验结果的对比分析, 证明了车钩载荷传递部位等效力解析解和仿真模型的可靠性; 研究了牵引力与钩舌内腕面、上下牵引凸缘等效力的关系式中关键参数对等效力的影响规律。研究结果表明: 当牵引力小于13.5 kN时, 上受压推台受力; 牵引力为13.5~1 725.0 kN时, 车钩系统上下牵引凸缘同时承载, 随着牵引力的逐渐增大, 下牵引凸缘承载比例逐渐减小并趋近于0.53, 上牵引凸缘承载比例逐渐增大并趋近于0.47, 承载比例与系统参数有线性关系, 其中钩舌内腕面等效力作用位置对此影响极大。研究结果作为研究车钩疲劳裂纹萌生和扩展仿真的基础, 对铁路重载车钩服役安全性具有极强的指导意义和参考价值。     

重载轨道曲线几何参数对轮轨耦合动力特性的影响

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据中国最近研制的27 t轴重侧架交叉支撑转向架及C_80E型通用敞车的实际结构和重载铁路曲线轨道结构特点及其技术规范要求,建立了曲线轨道的重载铁路货车-轨道耦合动力学模型;基于新型快速数值积分方法、Hertz非线性弹性接触理论和Shen-Hedrick-Elkins非线性轮轨蠕滑理论,应用计算机仿真计算了不同工况下重载货车曲线通过时的轮轨耦合动力特性,分析了曲线半径、缓和曲线长度和外轨超高等曲线几何参数对重载货车轮轨动力作用的影响。分析结果表明：曲线半径在400~800 m范围内变化时对轮轨动力影响极为明显,而当曲线半径大于800 m后其影响逐渐弱化,重载铁路曲线半径一般不应小于800 m;增加缓和曲线长度能在一定程度上降低重载货车轮轨动力作用,但其作用效果存在长度拐点,拐点前效果明显,拐点后影响甚微,且曲线半径和运行速度都会影响拐点的具体位置,建议根据拐点位置来确定不同曲线半径线路的最小缓和曲线长度;过大的欠超高或过超高均会加剧重载货车曲线通过时的轮轨动力作用,但在欠超高为-20~0 mm时重载货车的综合轮轨动力响应相对较小,即保持货车以适当的欠超高(-20~0 mm)通过曲线有利于降低轮轨动力和磨耗,这与中国铁路工程运输实际设置的欠超高取值范围一致。     

机车编组方式对列车再充气特性的影响

为量化机车编组方式对重载列车再充气特性的影响, 结合神华铁路万吨重载列车纵向动力学试验结果, 对万吨重载列车再充气特性进行分析, 并利用基于气体流动理论的空气制动系统仿真方法, 建立列车空气制动系统模型, 通过试验对比验证仿真系统的准确性, 对不同机车编组、多机车不同滞后时间和不同减压量的再充气过程进行仿真。计算结果表明: 列车头部机车数目增加对首车再充气特性影响较小, 2种编组列车的副风缸压强差值小于15kPa; 单编列车充风时间是3辆机车编组充风时间的2.4倍; 当机车集中于列车前部时, 充风时间缩短量与机车数目增加量非正比关系, 即3辆机车集中编组的充风时间不是单编列车充风时间的3/10;机车数目对于充风时间的影响完全取决于编组方式, 分散编组减压50kPa的充风时间较集中编组节省37%~75%, 机车集中编组减压110kPa的充风时间是分散编组的1.5~3.5倍, 分散编组常用全制动的充风时间为机车集中编组的30%~63%;从控机车滞后时间对充风时间影响较小, 充风时间增长量与滞后时间相近; 得到4种机车编组方式不同减压量的充风时间的二次拟合函数, 随着减压量的增加, 4种机车编组的充风时间增长缓慢。     

弹性支承块式无砟轨道冲击振动传递衰减特性试验

针对重载铁路弹性支承块式无砟轨道(LVT)在实际应用中出现的弹性部件变形过大、易损坏等问题, 优化设计了既有弹性支承块, 将支承块短侧边坡度由1∶17.00调整为1∶4.85, 取消了块下垫板, 并采用一体化弹性套靴; 为验证设计成果, 建立了传统型LVT和改进型LVT足尺模型, 采用质量为1 120 kg的重载货车轮对, 以20 mm的落高进行落轴冲击试验, 分别从时域和频域角度对比分析了冲击作用下竖向振动在钢轨、支承块、道床板、底座板及地面等结构部件沿线路纵、竖、横向的传递衰减特性。研究结果表明: 轮轨产生的高频振动能量沿钢轨纵向传递, 低频振动能量传递给下部其他轨道结构; 竖向冲击振动在纵、竖向传递的过程中不断衰减且衰减速率逐渐降低, 在支承块和道床板表面横向传递过程中, 向外侧边缘传递振动增大; 相比传统型LVT, 改进型LVT整体弹性系数减小21.1%, 而阻尼系数增大5.4%, 其振动周期、衰减时长、振动峰值分别比传统型LVT小37.0%、21.3%和3.4%, 各结构部位功率谱密度峰值比传统型LVT小30%以上; 改进型LVT轨道结构各部位Z振级比传统型LVT小, 在地面处减小了3.65 dB, 能更有效、迅速地衰减轮轨冲击力和轨道结构振动, 振动水平更低, 降低了冲击作用对环境的影响。研究结果对于开展LVT减振性能试验验证、优化与工程应用有参考价值。