纵向压力作用下重载机车与轨道的动态相互作用

为了研究重载机车的轮轨动态安全性,考虑车钩纵向力对重载机车与轨道结构系统动力学性能的影响,根据实测车钩力和线路不平顺,对重载机车在直线轨道和曲线轨道上制动时的轮轨动态相互作用性能进行了仿真计算．研究结果表明,在纵向车钩力为1500kN,车钩自由角为3°的工况下,重载机车以80km／h的速度在直线轨道上和以60km／h的速度在曲线轨道上制动时,所有轮轨安全性能指标满足行车要求．     

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,车钩间隙对冲击力的影响比对挤压力影响更大,对后部车辆的影响更显著;车钩间隙越大,最大车钩力越大.闸瓦摩擦系数对挤压力影响较大,对冲击力影响较小;摩擦系数越大,挤压力越大,发生车位越向前移.     

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.     

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...     

轨道车辆曲线通过时车钩摆角仿真计算研究

轨道车辆通过曲线时,过大的车钩摆角会严重威胁列车的行车安全;因此在进行设计时必须进行曲线通过时车钩摆角的校核。通过解析的方法给出前后车辆的姿态位置,再依据其车钩相对位置求解车钩摆角大小。最后依据算法对水平曲线通过和竖曲线通过两种情况进行了车钩摆角的计算,发现在不同的工况下,车钩最大摆角均出现在前后两车中心销横移方向相错的时候;在入曲线工况下,车钩最大摆角出现2位车刚进入曲线时;在S曲线工况下,车钩最大摆角出现在1位车完全进入后曲线时,而2位车1位中心销在夹直线时;在竖曲线的工况下,车钩最大摆角出现在变坡点处。     

牵引力对机车横向运动稳定性的影响

为了探明机车牵引状态下的横向稳定性, 采用多体动力学软件SIMPACK建立了某型提速机车动力学模型, 以非线性临界速度作为机车横向稳定性的评判指标, 并采用数值积分方法计算了机车临界速度, 研究了牵引系数对机车直线和曲线临界速度的影响规律。研究结果表明: 机车牵引力的存在改变了轮轨切向蠕滑力的大小和作用方向; 随着牵引系数的增大, 机车在直线和曲线上的临界速度均先增大后减小; 机车曲线上的临界速度低于直线上的, 同一牵引系数下, 曲线半径越小, 临界速度越低; 在牵引工况下, 轮对横移量不宜再作为机车曲线稳定性的判定指标, 采用轮轨纵向蠕滑力对稳定性进行评判更为合理。     

高速铁路挡风墙高度和距离优化分析

为探讨挡风墙对列车横向气动性能的影响,基于可压缩粘性流体Navier-Stokes方程和k-两方程湍流模型,采用有限体积法,计算了列车在直线和不同半径曲线线路上运行时,不同挡风墙高度和距离的275种工况下列车侧向力和侧翻力矩,获得了最佳挡风墙高度和距离.研究结果表明:在列车速度为200~400 km/h,风速为20~40 m/s的条件下,列车在直线线路上运行的最佳挡风墙高度和距离分别约为1.90和3.90 m;当弯道半径为1 000~7 000 m时,曲线线路最佳挡风墙高度随弯道半径增大线性减小,最佳挡风墙距离与弯道半径关系不大,约4.50 m;风速和列车速度对挡风墙的最佳高度和最优距离影响很小;如果挡风墙高度过低或距离过近,头车和尾车所受侧向力和侧翻力矩方向不同.      

轨道随机不平顺下磁浮车辆非线性动力学特性

基于柔性轨道研究了随机不平顺下磁浮车辆的动力学特性, 在将轨道受力分解为分段链式结构的基础上, 提出了一种磁浮车辆垂向悬浮稳定性分析方法, 定义了不同悬浮力作用于各自悬浮点时柔性轨道的振动固有频率和模态矩阵; 建立了轨道分段链式结构的离散形式和轨道结构的运动方程, 采用虚拟激励法将轨道不平顺产生的随机激励转化为系统输入激励, 并将轨道随机高低不平顺作为振动激励源进行车轨振动控制; 在不同反馈控制参数下采用电压反馈双环PID控制器数值仿真车辆的悬浮状态, 并分析了轨道随机不平顺激励下反馈控制参数对磁浮系统稳定性的影响。研究结果表明: 当磁浮车辆速度为50~80 km·h^-1, 位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为140 000、50、500时, 车辆可以从起始间隙16 mm快速定位到平衡位置间隙9 mm, 在2.2 s时即可稳定悬浮, 系统的超调量和稳态误差分别为1.50和0.13 mm, 且系统振动频率趋近于0;当位移反馈参数、速度反馈参数和电流反馈参数分别为15 000、50、400时, 磁浮车辆在轨道随机不平顺作用下的悬浮稳定性变差, 系统在9 s左右逐渐趋于稳定, 但仍旧在平衡位置上下浮动, 且系统振动频率和振动幅值分别为7 Hz和0.5 mm; 当磁浮车辆的速度超出50~80 km·h^-1时, 第1组反馈控制参数不再适用, 磁浮系统在1.7 s左右发散, 车辆失稳, 表明在不同车辆速度和反馈控制参数的作用下, 轨道随机不平顺能显著影响磁浮车辆的悬浮稳定性。     

铁道车辆系统曲线通过稳态解的延续计算

为了了解车辆从直线进入曲线时的力学行为，研究了车辆系统曲线通过稳态解(平衡点)．采用延续计算的DERPAR算法，使稳态解的计算从直线经缓和曲线到圆曲线能够一次连续完成，提高了计算效率．所求得的稳态解不含瞬态成分，能更明显地揭示系统参数对车辆的某些力学行为的本质影响，为车辆系统设计参数的选取提供理论依据．     

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.     

横风对双层集装箱平车运行稳定性的影响

采用流场数值模拟计算方法, 计算了横风作用时的垂向气动升力系数、气动横向力系数和侧滚力矩系数, 得出各系数与车辆速度和风速之间的变化关系。从动力学角度, 根据力矩平衡原理推导了横风作用时车辆稳定性计算关系式, 根据车辆运行的实际情况得出双层集装箱平车在不同装载情况下的临界倾覆风速和风速之间的关系, 并分析了垂向气动升力、横向气动力和侧滚力矩对车辆倾覆稳定性的影响。结果显示, 横风引起的力中气动横向力占主导作用; 空车比重车的临界倾覆风速低; 重车比空车的临界运行车速低。     

钢弹簧故障状态的车辆动力学性能

考虑了车辆导向轮对一侧轴箱钢簧出现失效的四种工况: 钢簧内外圈均断裂、外圈断裂、内圈断裂和钢簧“冻死”, 建立了钢簧失效工况下的车辆系统动力学模型, 分析了钢簧失效对车辆动力学性能的影响。仿真结果表明: 钢簧失效后, 轮对的平衡位置偏离轨道中心线, 全断裂工况下偏离最大, 约为3mm; 车辆的临界速度降低, 全断裂工况下降低最大, 约为30km·h^-1;失效弹簧所在轮对的轮载差变化较大, 全断裂工况下轮载差最大, 约为50kN; 转向架断裂弹簧处及其斜对角轴箱悬挂垂向力将减小, 另一对角处的轴箱悬挂垂向力将增大, 从而使转向架承受较大的扭曲载荷; 钢簧失效很容易使脱轨系数和轮重减载率等安全性指标超过限定值, 增加了车辆运行安全的隐患, 在直线上200~300km·h^-1速度范围内和曲线(半径为7 000m)上100~300km·h^-1速度范围内, 全断裂工况下的减载率都超过0.8;钢簧失效对车辆横向平稳性影响不大, 但钢簧“冻死”会使垂向平稳性变差, 相对于正常工况, 在300km·h^-1时增加约0.1。     

弹性阻尼耦合轮对铁路客车系统横向稳定性

首次将弹性阻尼耦合轮对应用到客车系统中 ,并采用特征值法对该系统横向稳定性进行了分析。指出将弹性阻尼耦合轮对模型的扭转刚度和扭转阻尼分别取不同的值 ,可与阻尼耦合轮对、扭转弹性轮对以及独立轮对模型统一。研究结果表明 ,采用弹性阻尼耦合轮对模型 ,选取适当的扭转阻尼和扭转刚度 ,可以提高车辆蛇行临界速度。     

备用制动系统性能比较

为了比较3种不同备用制动系统的差异, 以制动距离与车钩力为评价指标, 采用AMESim与Simulink软件联合搭建列车制动系统仿真模型与性能参数分析模型。在直通电空制动系统故障情况下, 分析了不同备用制动系统时的制动特性。以120 km·h^-1满载运行的某列车为例, 在某单车车辆直通电空制动系统故障后, 对比分析故障、单车热备切换制动、全车热备切换制动与冷备切换制动4种工况下的列车制动距离与车钩力变化趋势, 研究了故障车辆位置对制动距离与车钩力的影响。分析结果表明: 与无备用制动系统的故障工况相比, 实施单车热备切换制动方式后, 制动距离最大减小10.14%, 最大拉钩力最大减小84.59%, 最大压钩力最大减小76.87%;实施全车热备切换制动方式后, 制动距离最大减小6.41%, 最大拉钩力最大减小46.24%, 最大压钩力最大减小10.24%;实施冷备切换制动方式后, 制动距离最小增大3.13%, 最大拉钩力最大减小48.73%, 最大压钩力最大减小25.58%;随着故障车辆的后移, 最大压钩力逐渐增大, 最大拉钩力逐渐减小, 若此时采用单车热备切换制动方式, 最大压钩力与最大拉钩力均呈现逐渐增大的趋势。     

长大列车通过弹性曲线轨道仿真求解方法研究

为解决长大列车与连续长弹性轨道的同步仿真问题,以列车通过曲线轨道为例,采用重载列车-轨道耦合动力学模型,分析了压钩力作用下轨道结构与30 t轴重列车的动态特性,提出了长大重载列车与轨道动态相互作用仿真时模型的简化求解方法.该方法将庞大的列车/轨道耦合振动系统以有限数目的三维车辆模型代替,并考虑其轨下基础结构弹性,从而极大缩减系统运动自由度.研究结果表明:列车可简化为单质点车辆模型和三维车辆模型混合的短编组列车,当模型中只包含一个三维车辆模型,且其前、后车辆均以单质点模拟时,计算结果偏低;列车承受2 200 kN压钩力并通过400 m半径曲线线路时,货车最大轮轨横向力和垂向力较多节三维货车编组模型的计算结果分别低估了24%和4%,钢轨横向、垂向位移则被低估了20%和8%;端部车辆采用单质点模型、中部采用三维车辆模型的车辆数至少为3时,才能较为准确地反映中间目标车辆处轮轨作用力和其下部轨道结构的动态特性.      

系统参数对高速列车车轮踏面凹陷磨耗的影响

为了探明高速列车车轮踏面凹陷的原因, 建立了以车辆-轨道系统动力学模型与磨耗模型为一体的磨耗预测模型, 在轮轨法向接触中采用Herz接触理论进行接触斑形状和法向力分布的计算, 在轮轨切向接触中采用Kalker简化理论计算切向力, 采用Achard磨耗模型计算磨耗量。为了修正磨耗预测模型, 仿真分析了CRH₃型高速列车在武广线上运行时的车轮踏面磨耗形状, 并与实测车轮踏面磨耗形状进行了对比。为了得到与实测结果比较接近的磨耗规律, 考虑磨耗系数的不确定性, 在磨耗预测时初始的磨耗系数应除以10。利用修正的理论模型, 研究了钢轨型面、车轮型面、运行速度、轨道不平顺、线路条件、转向架结构和悬挂参数对高速列车车轮踏面磨耗规律的影响。研究结果表明: 车轮型面和钢轨型面影响车轮踏面磨耗位置、磨耗深度与磨耗宽度, 运行速度影响车轮踏面磨耗深度, 轨道不平顺影响车轮踏面磨耗深度和宽度, 线路曲线半径影响车轮踏面磨耗深度和宽度, 过高的运行速度、不合理的轮轨匹配关系和过高的轨道平直度容易引起车轮集中磨耗, 导致车轮踏面出现凹陷, 转向架悬挂和结构参数对踏面凹磨产生的影响较小。