縱向沖動作用下重載列車與軌道動態(tài)相互作用研究.pdf

1、列車編組的加長和軸重的增大對重載列車的開行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，列車縱向沖動問題、輪軌動態(tài)相互作用問題及列車運(yùn)行安全性等問題日益突出，特別是列車縱向沖動作用對輪軌動力作用的影響更加明顯。探明列車縱向沖動對重載列車和軌道系統(tǒng)的作用方式及影響規(guī)律是亟需開展的研究之一。鑒于此，本論文基于列車縱向動力學(xué)理論和車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，針對長大編組的重載列車，開展了列車發(fā)生縱向沖動時重載列車與軌道的動態(tài)相互作用研究。
　　論文首先從長大編組重載列

2、車的運(yùn)營條件及力學(xué)關(guān)系出發(fā)，分析了列車車間相互作用及列車與軌道系統(tǒng)動力相互作用的基本原理，進(jìn)而基于列車縱向動力學(xué)理論和車輛-軌道耦合動力學(xué)理論建立了重載列車-軌道三維耦合動力學(xué)模型，具體包括:重載機(jī)車模型、重載貨車模型、輪軌動態(tài)相互作用模型、軌道系統(tǒng)模型、鉤緩系統(tǒng)動力學(xué)模型等。其中，針對常用的電機(jī)軸懸式機(jī)車，機(jī)車模型考慮了電機(jī)參振、牽引拉桿作用力、驅(qū)動力、制動力、車鉤力等因素，貨車模型考慮了閘瓦壓力及空氣制動力等;輪軌動態(tài)相互作用模型考

3、慮了輪軌間可能發(fā)生的大蠕滑現(xiàn)象，給出了蠕滑率和蠕滑力的計算方法;鉤緩系統(tǒng)建模中，綜合考慮車鉤縱向力及其引起的橫向和垂向分力。
　　其次，編制了HTTSISIM仿真分析軟件，用于研究重載列車與軌道的動態(tài)相互作用。針對大系統(tǒng)軟件的求解，提出了一種求解方法，確定了列車進(jìn)行三維建模應(yīng)遵循的基本原則。采用與現(xiàn)場試驗結(jié)果比較和同商業(yè)軟件計算結(jié)果對比的方法，從組合列車的縱向沖動、S形平面曲線上車鉤的運(yùn)動姿態(tài)、電制動條件下重載列車的動力學(xué)特性、曲

4、線上重載貨車的輪軌作用力及重載軌道的動態(tài)響應(yīng)等幾個方面對仿真分析軟件進(jìn)行了驗證，表明編制軟件分析結(jié)果與試驗結(jié)果能夠較好吻合，可用于重載列車與軌道動力學(xué)的研究。
　　以我國較常見的單編萬t列車和2萬t組合列車為例，分析了列車縱向沖動的產(chǎn)生過程，比較了列車縱向動力學(xué)一維模型與重載列車三維分析模型在牽引工況、電制動工況及空氣制動工況下計算結(jié)果的差異。結(jié)果表明，列車空氣制動時，一維模型和三維模型的計算結(jié)果相當(dāng)，而在起動牽引和動力制動時兩者

5、略有差別，最大車鉤力相差不超過16％。同時，對軌道不平順引起的列車縱向沖動進(jìn)行了分析，研究表明軌道不平順對列車縱向沖動的影響較小。結(jié)合列車牽引及制動工況下機(jī)車車輛的受力特點(diǎn)，對縱向沖動引起的機(jī)車車輛輪軌力變化情況進(jìn)行了分析，列車縱向沖動對輪軌相互作用的影響主要通過車鉤力和作用于輪對上的牽引或制動力矩實現(xiàn)。其中，在車輛縱垂平面內(nèi)，起動牽引和動力制動時機(jī)車的軸重轉(zhuǎn)移較為明顯，軸重變化率可達(dá)到10％，而空氣制動時，機(jī)車與貨車的軸重變化基本在3

6、％以內(nèi);在車輛縱橫平面內(nèi)，車鉤力和車鉤擺角的變化對輪軌力影響顯著，牽引和制動力矩對輪軌力影響較小。
　　在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外重載線路縱斷面坡度及坡度代數(shù)差的實際情況，在直線線路上設(shè)置了不同類型縱斷面的計算條件，以列車的空氣制動和緩解操縱為研究重點(diǎn)，采用HTTSISIM軟件分析比較了各縱斷面條件下單編萬t列車和2萬t組合列車的縱向沖動作用、機(jī)車車輛的輪軌動力作用及軌道系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，列車進(jìn)行空氣制動時，對于不同編組列

7、車，最大車鉤力均出現(xiàn)在貨車車鉤部位，但由于貨車自身具有較強(qiáng)的穩(wěn)鉤能力，車鉤不會發(fā)生大幅度的單向性偏轉(zhuǎn)，輪軌動力作用水平也較低。對于2萬t組合列車，中部機(jī)車承受了較大壓鉤力，機(jī)車自身的穩(wěn)鉤能力有限，車鉤極易發(fā)生單向性偏轉(zhuǎn)，引起較大的輪軌作用力，并會對與其相鄰的貨車也產(chǎn)生影響。其中，凹型豎曲線上中部機(jī)車的輪軌動態(tài)相互作用最為劇烈。緩解時，機(jī)車與貨車部位的車鉤基本在對中位置波動，輪軌動態(tài)相互作用也處于較低水平。
　　最后，針對重載鐵路曲

8、線線路，探討了重載車輛通過曲線軌道的基本特點(diǎn)。研究表明，車輛通過曲線時，前、后轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)會出現(xiàn)不同程度的不均勻承載現(xiàn)象，造成這一現(xiàn)象的主要原因是曲線上輪對、構(gòu)架和車體所處位置的超高角差不同。以不同形式平縱斷面組合的線路區(qū)段為例，分析了制動和緩解條件下萬t列車和2萬t組合列車通過區(qū)間線路時產(chǎn)生的縱向沖動作用、車間橫向相互作用及輪軌動力相互作用，對列車運(yùn)行安全性進(jìn)行了評判。結(jié)果表明，在小半徑平面曲線上停車制動時，貨車兩端車鉤的偏轉(zhuǎn)幅度主

9、要受曲線走向的影響，車鉤縱向力量值對其影響不大，但車鉤縱向力會因車鉤擺角的存在轉(zhuǎn)換為輪軌作用力，導(dǎo)致更為劇烈的輪軌動力作用。對于機(jī)車，車鉤極易擺動到極限位置，其車鉤擺角由兩部分構(gòu)成，包括曲線引起車鉤擺動和機(jī)車穩(wěn)鉤能力不足導(dǎo)致的車鉤附加偏轉(zhuǎn)。其中，在凹形豎曲線上，壓鉤力達(dá)到最大，相對于惰行工況機(jī)車的輪軸橫向力增大了約45％，同時軌道結(jié)構(gòu)也發(fā)生較大變形，不利于列車安全運(yùn)行。列車在曲線軌道上制動緩解時，巨大的拉鉤力促使車鉤趨于對中位置，很大程