高速列车耦合大系统动力学创新研究体系

高速列车与线路、接触网、气流之间构成相互联系、相互依存、相互制约的关系。在高速运行条件下,列车和线路轨道、接触网、空气等流固耦合系统之间的相互作用加剧,形成了复杂的耦合动力学关系。建设以高速列车为核心,考虑耦合作用,真实反映其相互作用和相互影响,实现高速列车及其耦合系统的服役行为仿真和试验,构建高速列车耦合大系统创新体系是高速列车创新发展的重要保证。     

高速列车速度与技术

列车速度提升对应着一系列关键技术问题。结合中国高速铁路的大量理论研究与工程实践,针对速度提升后系统强耦合作用与高速轮轨关系、耦合振动与车体模态设计、高速列车头型气动设计、高速列车地面效应等技术问题进行阐述,应用系统动力学的研究思路与方法,提出相关解决方案,并对高速列车持续运行的系统可靠性问题进行探讨。     

高速列车—轨道垂向耦合动力学的研究

探讨高速列车在轨道结构上运行时的垂向耦合振动问题是列车－轨道耦合动力学更深入的理论研究。本文建立了铰接式高速列车－轨道垂向耦合动力学模型及方程，运用新型快速数值积分方法编制了这一大型系统的动力学仿真程序，对铰接式高速列车垂向动力学性能，特别是车辆与车辆之间的耦合振动以及车辆与轨道之间的动力作用进行了系统仿真分析，并与非铰接式高速列车进行了比较。结果表明，铰接式高速列车具有优良的垂向动力性能。     

本期导读

<正>高速列车耦合大系统动力学创新研究体系:根据高速列车耦合大系统动力学创新研究需求,介绍以轨道交通国家试验室所建设的高速列车创新平台及体系,以此诠释我国高速列车的创新发展工作。城际动车组空调通风系统研制:城际动车组大载客量、频繁启停、快速乘降、公交化的运营特点对空调通风系统提出了新的要求,系统须无送风盲区。CRH6型车空调系统制冷能力较干线动车组大幅提升;与普通城轨地铁车辆相比,需增加车辆气密性以控制车内压力波动。     

真空管道高速飞行列车车地宽带无线通信关键技术的思考

真空管道高速飞行列车(以下简称高速飞行列车)是一种新型轨道交通技术,可实现磁浮列车在接近真空的低压管道内全天候以低机械磨擦、低空气阻力、低噪声模式超高速(超过1 000km/h)运行。保障高速飞行列车安全运行的关键是列车-地面无线通信系统,一方面,列车运行控制、牵引控制、在途监测等安全类数据需要在车地间实时双向通信,并满足"低延时高可靠"的传输要求;另一方面,需要满足乘客的移动电话、互联网业务等非安全数据通信需求,并满足"大容量高移动"的传输要求。总结高速飞行列车车地无线通信的需求,分析高速飞行列车车地无线通信的特点,针对高速飞行列车无线宽带接入应用场景,研究新型漏波近场耦合、基于云端的集中式无线接入网络(C-RAN)、免切换移动小区等关键技术,探讨一种有效解决超高速移动无线宽带接入的理论与增强技术体系,从而为高速飞行列车的宽带接入提供理论与技术支撑。     

高速列车作用下场地振动的分析方法及特性研究

基于车辆动力学和有限元-无限元结合方法 ,建立高速列车-无砟轨道-路基-场地土动力相互作用三维数值分析模型,提出一种研究高速列车引起周围场地振动的分析方法,计算列车荷载作用下周边地基土的动应力和动位移,与既有文献中的结果对比验证本文方法,分析地基土性状对高速铁路场地振动的影响。该模型利用ABAQUS软件,同时结合FORTRAN、MATLAB程序模拟高速列车在钢轨上的实时运行,考虑轨道不平顺,将无限元作为地基土的边界,与模拟地基土实体的有限单元进行耦合,较好解决了振动波在模型边界的反射问题,为列车、轨道、路基系统动力学和轨道交通环境振动分析提供了新的研究思路和计算方法。     

列车高速交会流固耦合振动数值仿真分析

为了考察流固耦合关系下列车高速交会的安全特性,防止气流与列车相互作用对列车结构和运行安全性造成过大影响,综合计算流体动力学的有限体积法和系统动力学的分析方法,提出一种新的更符合实际的列车交会流固耦合振动仿真方法,同时求解流场方程和系统动力学方程,并采用流固耦合方法和传统的分离方法对350 km/h等速交会安全性进行分析,综合2种方法所得结果与线路试验数据,证明了流固耦合仿真方法的有效性,并分析了2种方法的差异。采用流固耦合方法更能保证列车高速交会安全性。     

面向全生命周期的高速列车MRO系统应用

为保障高速列车运行安全、提高维修效率、降低维修成本和消除维修服务的信息孤岛，建立了面向全生命周期的高速列车MRO系统。分析了当前高速列车维修需要解决的主要问题，讨论了 MRO系统的业务框架，提出面向全生命周期的MRO系统设计与实施方案，描述构型管理、故障管理、检修计划管理和在线监测与诊断管理等技术。面向全生命周期的高速列车MRO系统在企业应用过程中取得良好效果。     

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。     

高速列车车间悬挂对运行平稳性影响的研究

以列车为研究对象,采用面向对象的建模技术,建立了带车端悬挂系统的5辆车编组、3辆车编组以及单车的垂向及横向非线性动力学模型,对高速列车的运行平稳性进行研究。对单车和3辆车编组的列车模型的频域分析表明车辆间加入车端悬挂系统增加了车辆间的耦合,能有效地提高列车高速运行时的平稳性。运用5辆车编组的列车动力学模型,采用时域仿真的方法,对车端悬挂参数进行了研究。研究表明车端的横向及垂向刚度和阻尼分别对列车的垂向和横向运行平稳性影响较大,车端的纵向能同时起到抑制车辆点头和摇头振动的作用,但需要设置较大的数值。     

车桥耦合动力分析中地震动输入模式的研究

依据地震作用下车桥动力相互作用的特点,建立地震-车-桥简化耦合模型和多自由度耦合模型,进行理论推导,研究采用地震动位移输入、加速度输入模式进行考虑地震作用的车桥耦合动力分析的特点和适用性.以8辆车编组的高速列车通过3跨钢桁拱桥为研究对象,考虑行波效应,进行地震动位移输入和加速度输入2种模式下的车桥耦合动力响应的数值计算对比分析.研究结果表明:位移输入模式对于所有轮轨关系均能适用;而加速度输入模式仅适用于轮轨关系为线性的情况,并且需要考虑拟静力分量对车桥耦合系统的影响;对轮轨关系为非线性的情况,采用地震动加速度输入模式,在车速超过80 m· s-1时会导致耦合系统动力响应被严重低估.     

高速列车门系统FMEA及风险评估案例研究

基于故障模式及影响分析(FMEA)理论以及风险评估分析方法,提出高速列车门系统常见的25种故障模式,从风险等级和危害度2个方面对高速列车门系统进行风险评估并相互印证,得到高速列车门系统风险等级较高的关键故障模式,以及影响高速列车门系统安全性的关键部件,为有针对性研究故障产生的原因与制定具体解决措施、降低和规避运用风险提供依据。     

强风下高速列车滑膜自适应鲁棒H_∞控制方法

大风环境下高速列车的运行是一个强耦合、高度非线性过程,且随着风速增大和车速增加,这种特性逐渐增强,因此需要更高要求的自动驾驶系统。基于李亚普诺夫稳定性理论设计高速列车自动驾驶滑模自适应鲁棒控制器,该控制器采用自适应控制实时逼近列车不确定性特征的系统输入系数,采用鲁棒H∞控制将自动驾驶系统中模型误差、大风和其他干扰造成的参数变化等所有不确定量减小到最小范围,同时也消除了系统抖振现象。计算出高速列车需要施加的牵引/制动力,通过滑模控制消除系统安全运行速度跟踪误差,实现不同风速下高速列车对给定安全运行速度的高精度跟踪。仿真结果证明了该方法的有效性。     

基于大涡模拟的高速列车横风运行安全性研究

结合高速列车空气动力学和多体系统动力学,研究横风对高速列车运行安全性的影响.首先采用大涡模拟计算方法,研究了不同横风风速下高速列车非定常气动载荷的时域及频域特性,列车周围流场结构及相应的非定常流场特性.然后建立高速列车多体系统动力学模型,将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,研究了不同横风风速下定常气动力和非定常气动力对直线上高速列车运行安全性的影响特性,计算结果表明,与定常气动力相比,作用于车身上的非定常气动力使列车的振动加剧.最后参照高速列车的安全运行标准,对高速列车的安全运行进行分析,为横风下高速列车的安全运行提供参考.     

大风作用下高速列车运行安全性研究综述

大风是影响高速列车运行安全性的重要因素,伴随着高速铁路的快速发展,国内外研究者开展了大量有关大风作用下列车运行安全性的研究。对国内外涉及风致安全性的研究进行较全面和系统的阐述,其中,国外的研究以相关国家进行分类;国内的研究主要分为不同工况下高速列车周围流场及列车安全性研究,周围环境对于列车气动特性的影响,风、车、桥耦合研究等3类。介绍大风条件下列车运营规则的现状,分析研究难点,并对今后的发展方向进行展望。     

横风作用下高速列车-板式轨道系统空间振动分析

基于高速列车-板式轨道系统空间振动分析理论,考虑横风作用效应,建立了风-高速列车-板式轨道系统振动分析模型,推导了列车风荷载势能;将它与列车振动势能及板式轨道振动势能相加,得出系统振动总势能;根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的"对号入座"法则,建立系统空间振动矩阵方程,并编制了相应计算程序.分析了横风作用下高速列车和板式轨道的动力响应.研究结果表明:横风对车体的横向及竖向位移、轮重减载率、倾覆系数等有很大影响,对脱轨系数、横向Sperling 指标有一定的影响,而对钢轨的横向及竖向位移影响很小.     

考虑非一致地震输入的车-桥系统动力响应分析

针对地震对列车在高速铁路桥梁上走行安全性的影响,将桥梁在地震作用下的运动方程和车辆振动方程通过桥梁子系统与车辆子系统间的非线性轮轨接触关系联系起来,建立可考虑行波效应影响的长大跨度桥梁—列车耦合系统的地震反应分析模型。利用车—桥系统地震反应分析程序,对高速列车在不同特征地震荷载作用下通过某高速铁路连续梁桥进行仿真分析,研究列车速度和地震波行波效应对车—桥系统动力响应的影响。研究结果表明:地震波行波效应对车—桥系统的振动响应有重要影响,并不总是地震波行波速度越大,车辆的动力响应的计算结果越接近一致激励时的相应值;在进行大跨度连续梁桥车—桥系统的地震反应分析时,应按桥址处的实际场地土特性考虑地震波行波效应的影响;地震荷载作用时车体的横向振动加速度以及各项安全评价指标均随列车速度的提高而增大,在评价地震作用下高速铁路连续梁桥上列车的走行安全性时,必须考虑列车运行速度的影响,给出了确保地震发生时高速列车在桥上安全运行的临界速度限值。     

欧洲的高速运输--列车方案的比较

近年来城市和干线的铁路运输得到复兴.在旅客运输中,高速列车为解决道路堵塞和空域拥挤,以及提高环保意识发挥了积极作用.在高速路网紧密相连的欧洲,这种高速列车具有特殊的运输政治意义,轨道高速运输(HGV)在国际上也显得越来越重要.文章对欧洲几种高速列车方案,即动力集中和动力分散动车组、单个车辆方案和铰接式列车、双层列车和加宽车辆列车以及ICE 3和磁悬浮列车进行了比较.     

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。     

高速列车制动方式的比较研究

对高速列车制动系统的几种典型制动方式的机理及性能进行比较研究，介绍国外高速列车制动系统的技术现状，对我国高速列车制动系统的发展有一定的借鉴作用。