车钩缓冲装置对轨道列车碰撞安全性的影响综述

从轨道列车车钩缓冲装置功能和失效原理、分类和标准、理论和应用与列车整体碰撞响应4个方面,梳理了近20年车钩缓冲装置在列车碰撞领域的研究方法和研究成果,总结了4个方面研究的优缺点与未来亟待解决的问题;从列车碰撞动力学的角度,阐述了车钩缓冲装置在列车碰撞中的作用,及其在车辆系统整体设计中的地位;基于欧盟、美国、日本与中国列车耐撞性和强度标准,介绍了车钩缓冲装置的子部件组成;从车钩缓冲装置理论模型在列车碰撞动力学模型和有限元模型的应用剖析其演化过程;基于当前国内外车钩缓冲装置的研究现状,指出未来轨道列车车钩缓冲装置的研究趋势和发展目标。研究结果表明：车钩缓冲装置是列车多级吸能系统中重要组成部分之一,需针对不同车钩缓冲装置类型建立不同的力学模型,准确反映缓冲器的非线性迟滞特性和压溃管的压溃吸能特性,以及车钩的运动关系;在国内外现行标准中,仅规定了车钩缓冲装置的静强度指标,且仅有货车车辆缓冲器的详细界定,缺乏中高速轨道车辆的车钩缓冲装置在动态场景下的载荷指标、能量上限等标准规范;胶泥、气液缓冲器具有比摩擦式缓冲器更好的碰撞力学性能,但其复杂的非线性特性描述依赖于准确的数学模型和试验,目前尚未对车钩缓冲装置数学模型的横向、垂向动态特性进行详细研究;应结合试验,加强研究车辆运行和碰撞过程中车钩缓冲装置的触发和失效稳定性,及其对列车纵向撞击响应的影响;中低速下较大的车钩缓冲装置刚度会导致非正常的垂向和横向响应,不同速度等级下车钩缓冲装置的力学特性和初始姿态对车辆碰撞机理的影响较大。     

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。     

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.     

重载列车制动对轨道纵向力影响的研究

本文采用有限元法,考,虑了列车荷载下轨道阻力的作用,以及各种因素对纵向力的影响进行了 分析和计算,并通过室内模型试验,验证了理论计算的正确性。      

机车关键参数对车钩转角与机车运行安全性的影响

针对列车车钩承压偏转行为,分析了机车结构参数与车钩转角之间的关系,通过建立由3节新型33t轴重C0-C0轴式重载机车与2组具有钩肩特性、缓冲器迟滞特性的圆销钩缓装置组成的列车动力学模型,研究承压工况下机车结构参数对车钩转角与列车运行性能的影响.计算结果表明:在列车车钩自由转角为8°时,承压时车钩的实际转角达不到8°,此时车钩钩肩不发生作用,稳钩力由机车二系止挡提供,车钩横向力全部传递至轮对,导致机车的轮轴横向力超标;提高二系止挡间隙或降低止挡间距等参数,可以增加车钩的转角,减小车钩横向力,降低轮轴横向力,提高列车的运行安全性;在重载机车车钩选型中,应该考虑机车结构参数与车钩自由转角的匹配关系.     

偏载对车辆平稳性的影响

建立了偏载车辆的数学模型,采用德国低干扰谱,选择车辆直线运行速度为300 km・h^-1,分析了偏载对车辆平稳性的影响趋势,对比了纵向偏载和横向偏载对车辆平稳性的影响程度。分析结果表明:随着偏载的增大,车辆的整体平稳性逐渐变差,纵向偏载将引起车辆前后端的平稳性产生较大的差距,而横向偏载引起车辆前后端平稳性产生的差距较小,因此,为了提高车辆的整体平稳性,应尽量减小车辆的偏载,尤其应严格控制车辆的纵向偏载。     

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.     

重载组合列车机车车钩稳定控制试验

为控制重载组合机车车钩的动态稳定性,根据重载机车车钩稳定性的工作原理与车体和乍钩的儿何关系,推导了机车车钩最大自由摆角的计算方法.以某型机车装用DFC-E100型钩缓装置在大秦线牵引重载列车为例,通过改变列车的牵引重量、编组方式和制动方式,不断加大作用于机车的纵向力,实测被试机车的脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力等安全性参数,试验研究列车中部机车车钩横向摆动对机车运行安全性的影响.结果表明:在压钩力作用下,机车车钩摆角随车钩纵向力的增大而增大;车钩最大自由摆角增大,机车的安全性参数及机车脱轨的风险则随之增加,考虑工程误差,车钩最大自由摆角应为2.5°～3.5°.     

基于UM的重载列车纵向冲动仿真分析

本文以两万吨的重载列车为研究对象,通过UM建立两万吨重载组合列车的三维模型及列车的运行线路模型;然后在UM simulation中对重载列车进行条件约束,仿真分析得到两种不同编组的两万吨列车的纵向车钩力,与大秦线的两万吨重载列车的试验值基本相近;最后基于UM软件对两万吨重载列车在不同编组、不同长大坡道、不同制动波速的状况下分析,分析结果表明:1+2+1编组方式更适合于两万吨重载列车,且列车在下坡度运行时,下坡度越小,纵向冲动就越小;列车在上坡度运行时,上坡度越大,拉钩力越大,纵向冲动随之增大,列车上坡的坡度最大值为8%;另外,列车的制动波速越大,列车的纵向冲动就越小.     

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.     

混凝土偏压构件极限承载力的非线性理论分析计算

根据混凝土材料的非线性的应力－应变关系,采用非线怀分析计算的方法,对矩形、圆形截面的混凝土偏心受压构件的极限承载力做了理论分析与计算,建立了荷载偏心对构件承载力影响折减系数的计算方法。     

列车纵向车钩力不确定性研究

基于区间摄动理论,引入多参数数学简化方法构建列车制动系统模型,在已有车钩力模型的基础上,建立了列车纵向动力学的不确定性区间分析模型.针对多参数的制动系统模型,分别考虑制动控制阀特性、制动缸充气特性、制动波传播速度特性等参数的不确定性,利用所建不确定性区间分析模型,探讨纵向车钩力的区间变化范围,并给出了相关的数值算例.结果表明制动系统中相关参数变化会对最大车钩力造成不同程度的影响.其中,制动控制阀特性参数对尾车最大压钩力影响最大,制动波传播速度特性参数对其影响最小.制动缸充气速度和制动波传播速度会随着制动时间的延长而减慢,这一改变均会使最大车钩力较初始的最大车钩力变大.     

制动力对机车直线运行安全性的影响

为研究机车直线运行时车钩制动力对其安全性的影响,建立了车体载荷方程,在分析车体几何关系、车钩与车体受力关系的基础上,利用牛顿迭代法求解该方程,获得车钩复原角刚度与车体转角的关系,并提出保证机车直线运行安全性的必要条件.理论分析和仿真结果表明:为保持机车车体平衡,机车车体在两端车钩制动力的作用下,车钩复原角刚度应大于临界值,否则,机车车轮的轮缘会贴靠钢轨,机车有脱轨的危险.     

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.     

列车移动荷载作用下曲线上桥梁的振动响应分析

以列车移动荷载作用下曲线上桥梁系统研究对象，采用车－桥系统的空间振动分析模型，以一箱型箱支梁为例，用计算机模拟列车过桥的全过程，计算了列车荷载作用下曲线桥的动力响应、列车的脱轨系数、轮重减载率，列车运行平稳性指标，并与直线桥作了比较，研究结果与工程实际有一定的参考价值。     

解析法分析铁路环境振动的列车随机激振荷载

将虚拟激励法和车辆-有砟（无砟）轨道-路基-地基耦合系统垂向振动解析模型有效结合起来,由轨道不平顺功率谱直接得到准确的列车随机激振荷载功率谱,然后采用频率采样三角级数法反演出列车随机激振荷载时程。为铁路环境振动中列车随机激振荷载的计算提供了一简便有效的方法。算例比较了有砟轨道和无砟轨道两种情况下CRH3高速列车运行引起的列车随机激振荷载功率谱密度与时程曲线。     

地震下城市高架桥横向偏心碰撞响应与防撞效果分析

为适应材料因温度等因素的变化而产生的横向伸缩变形及其对结构的影响,通常梁体与挡块之间会留有一定间隙。针对城市高架桥中梁体与挡块在强震作用下的横向碰撞现象,建立了考虑上部结构与挡块间偏心距和支座非线性的横桥向单墩碰撞模型。采用非线性地震反应时程分析方法,研究了初始间隙及其大小对桥梁结构横向地震反应的影响,并评估了设置橡胶缓冲垫后的防撞效果。研究结果表明：城市高架简支梁桥横向间隙处的偏心碰撞放大了桥墩的地震需求,通过在挡块内侧安装橡胶缓冲垫,可以大幅减小间隙处的碰撞力,将有效改善桥梁结构的横向抗震性能。     

EMS型磁浮列车悬浮力分析

悬浮系统是磁浮列车的重要组成部分,其性能将直接影响车辆的性能。悬浮力是线路桥梁设计和车辆线路动力学分析的基础。根据EMS型磁浮列车的特点,给出了悬浮系统的数学模型,分析了悬浮力的大小及其动态特性。     

列车地面安全监测与诊断系统的分析

通过对铁路旅客列车地面安全设备情况的调查,介绍了铁路旅客列车运行安全地面监测与诊断系统的开发、运用情况,分析了全面提速后出现的新问题,提出了在新的一轮提速中,要继续加大对旅客列车地面安全监测系统技术开发、完善的建议。