高速列车系统动力学理论及其应用

高速动车组的技术创新不仅需要研究和解决列车本身动态行为问题,更需要研究和解决列车与其他各系统的耦合作用,实现高速列车及其耦合大系统的系统优化和匹配.西南交通大学研究人员在有关部门的大力支持下,系统开展高速列车与线路、接触网和气流耦合作用的高速列车系统动力学的研究,并进行了创新应用.     

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。     

下一代高速列车关键技术特征分析及展望

未来高速列车的主要设计理念和概念随着新技术的不断出现正在发生很多根本性变化,这也是下一代高速列车研究的热点技术问题和重要内容。其核心技术主要体现在速度、效率、环保和节能降耗等诸多技术指标的优化。针对下一代高速列车关键技术特征的研究现状进行详细的技术分析,并在国内外高速列车未来技术的相关文献成果基础上,对下一代高速列车的关键技术问题进行系统整理和分析,对一些关键技术进行定性和定量研究。结果表明,下一代高速列车的关键技术的研究,对于我国掌握下一代高速列车的设计技术及关键问题的发展方向十分迫切。     

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。     

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。     

基于多质点模型的高速列车速度控制研究

在对高速列车速度控制的研究中,传统的单质点列车模型因未考虑车长及车间影响力,导致列车在经过特殊线路时速度会跳变,造成较大的速度控制误差。针对上述问题,在列车建模时考虑列车长度以及对每节车厢的受力进行深入地分析,在此基础上建立高速列车的多质点模型,并对其设计相应的模糊预测控制器进行列车速度跟踪控制研究。研究结果表明:对列车建立的多质点模型,能有效地解决列车在经过变坡点和变曲率点时产生的速度跳变问题,减小速度控制误差,且针对该列车模型设计的模糊预测控制器能很好的控制列车跟踪理想速度曲线运行,提高列车速度控制精度和舒适度。     

高速列车及其速度目标值的探讨

根据铁路运输高速化的发展趋势,初步分析了旅行速度、票价、运输管理、高速列车等因素和速度目标值的关系。提出高速列车是影响速度目标值的关键问题。从高速列车的牵引、能耗、制动能力和噪音方面对轮轨方式和磁悬浮方式的高速列车按不同速度目标值进行分析比较。以正在设计中的京沪高速铁路为例,在京沪高速列车运行仿真研究的基础上,按直达方式和沿线停站方式,对不同速度目标值的地面干线运输系统其旅行时间和能耗的经济问题进行简要的计算对比。提出选择我国高速铁路速度目标值的建议。     

高速列车空气阻力测量分析方法

为从高速列车阻力中分离出空气阻力和其他阻力,基于空气阻力与列车质量基本无关、其他阻力与列车质量成正比的假设,以及列车满载和空载状态下的惰行工况阻力测量数据,建立列车空气阻力、其他阻力、质量和速度的关联方程组,并对空气阻力项施加过零点且单调递增的约束,从而得到高速列车的空气阻力及其他阻力的计算公式;然后采用速度—加速度拟合和基于时间—速度曲线的列车阻力优化2种方法对CRH3型高速动车组的空气阻力进行分析。研究结果表明:利用空气阻力与列车质量基本无关、其他阻力与列车质量成正比的工程假设,可实现高速列车空气阻力与其他阻力的解耦及耦合分析;CRH3型动车组的空气阻力和其他阻力算式中均包含了与列车速度有关的二次项和一次项,但在空气阻力算式中与列车速度有关的一次项数值很小,可以忽略不计;对高速列车而言,采用列车总阻力的形式较采用列车单位基本阻力的形式更能准确地表达列车阻力的特性。     

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。     

数据驱动的高速列车子空间预测控制

随着列车运行速度的提高,列车与接触网、轨道、空气的动力作用加剧,给高速列车的建模与控制提出更高的要求。本文提出数据驱动的高速列车子空间预测控制方法:构建基于状态框架的高速列车多变量动力学系统;由输入输出数据设计高速列车的子空间预报模型;详细分析高速列车子空间预测控制器的设计方法,并给出相应的预测控制算法。高速列车的数值仿真实验结果证明所提出控制方法的有效性。     

我国高速列车速度分级

高速列车最高速度的分级研究,可为我国高速列车的设计、引进、制造、运用以及维修等提供界定速度等级和型谱的基础性依据。在分析近代国际铁路高速列车技术发展态势的基础上,结合我国高速列车发展的现状和未来方向,通过对已有200~400 km.h-1列车相关数据分析和比功率计算,提出为满足最高速度要求,应选择较大保有加速度,并在计入回转质量系数的列车保有加速度为0.05~0.1 m.s-2的条件下,推荐中国高速列车最高速度的分级采用三级方案:T级(最高速度400 km.h-1)、Ⅰ级(最高速度330 km.h-1)和Ⅱ级(最高速度250 km.h-1)。这种速度分级是基于最高速度还有上浮空间,且可基本涵盖全高速区范围。当前研究重点是优化开发Ⅰ级和Ⅱ级高速列车,并为T级高速列车做准备。     

郑州至济南高速铁路速度目标值研究

速度目标值是高速铁路最为重要的主要技术标准,速度目标值确定后,相应其他主要技术标准基本随之明确,其研究对于高速铁路主要技术标准选择具有决定性的意义。结合郑州至济南高速铁路,从项目功能定位、路网规划及意义、客流特点、时间目标值、建设标准、工程投资等多方面对速度目标值进行系统分析和研究,综合确定速度目标值,推荐350 km/h。根据所推荐的速度目标值,进一步确定最终主要技术标准的选择,避免主要以工程投资确定铁路主要技术标准。     

智能柴油机曲轴与凸轮转速信号发生器设计

介绍的柴油机曲轴与凸轮轴转速信号发生器采用C8051F310单片机作为中央处理器,结合转速给定采样电路、液晶显示电路、参数存储电路等方便地实现了智能化、高精度、高效率的连续可调的多齿、缺齿转速信号发生,性价比高,使用方便,在ECU开发过程中发挥着重大作用.     

TW-2系统减速器速度控制曲线跳变分析

TW-2型驼峰自动化系统中,减速器速度控制曲线反映的是溜放钩车在减速器上的实际走行情况,对该曲线的分析可以判断钩车控制是否正常。由于各种因素的影响,总会有一些钩车的速度曲线出现跳变。为此对各种速度曲线跳变的原因进行了分析,并提出了相应的对策。     

关于高速铁路站内临时限速区划分的探讨

针对限速的设置范围在保障安全的前提下,提出如何进行精细化调整的思路,使之更接近实际所需限速范围,从而提高运输效率。通过将缩小范围后的临时限速与原临时限速影响范围进行对比,改进后的方案对运输造成的影响明显降低,可为后续相关设备及工程应用提供参考。     

基于功能定位和速度效率的市域快线速度目标确定

为指导市域快线的规划设计以引导市域快线健康有序发展,分析轨道交通的分层体系以及各分层的相互关系和所处的位置,并对容易混淆的地铁、市域快线、市郊铁路、城际铁路等制式进行技术参数的详细对比分析。明确市域快线的属性及适用范围,特别是市域快线位于市区的线路和市区外围的线路应具有不同的功能定位及技术特征。确定市域快线速度目标值选择应考虑的因素和步骤,首次提出速度效率的概念,且市域快线应根据速度效率和站间距、旅行速度的关系来选择速度目标值,并明确了市域快线最高运行速度与站间距、速度效率、旅行速度之间的制约关系,市域快线要提高旅行速度应提高速度效率,而不仅仅是最高速度。     

既有铁路提速改造不同速度目标值的路基条件

以西南地区某既有铁路的路基标准为参照,结合《铁路路基设计规范》对路基宽度和基床要求,提出既有路基的改造条件和整治措施。     

一种测量转速及通过转速获取加速度限值算法的探讨

介绍了利用转速传感器获取转速及加速度限值的软件算法,分析了计时、计数法测量转速的优缺点,通过算法的优化,将加速度限值转换为测量时间的比较,具有实用参考价值。     

高速磁浮交通长大线速度目标值的选择

针对高速磁浮交通的技术特点,结合作者在沪杭磁浮线的设计实例,对高速磁浮长大线的速度目标值选择进行分析及论述,为今后高速磁浮交通项目速度目标值的选择提供参考。     

不同速度条件下高速铁路动车组振动响应和平稳性分析北大核心

动车组车体振动加速度是表征车辆运行状态的重要参数,也是评价车辆平稳性的关键指标。本文基于实车试验和仿真计算数据,研究不同速度条件下动车组车体振动加速度分布及时频域响应特征,得出了车体振动加速度和出现频次之间的函数关系,获取了轮对周长、轨道板长度、简支梁跨度等车体及线下基础设施周期性不平顺激励引起的车体振动响应与动车组运行速度的相关性特征。通过平稳性分析,得出了动车组平稳性和舒适度指标随动车组运行速度提升的变化规律。研究成果可为线路全程舒适性评估和线路方案优化提供支撑。