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原文传递纵向冲动作用下重载列车与轨道动态相互作用研究

论文题名：	纵向冲动作用下重载列车与轨道动态相互作用研究
关键词：	重载列车;纵向冲动;轨道系统;动力作用
摘要：	列车编组的加长和轴重的增大对重载列车的开行带来了严峻挑战，列车纵向冲动问题、轮轨动态相互作用问题及列车运行安全性等问题日益突出，特别是列车纵向冲动作用对轮轨动力作用的影响更加明显。探明列车纵向冲动对重载列车和轨道系统的作用方式及影响规律是亟需开展的研究之一。鉴于此，本论文基于列车纵向动力学理论和车辆-轨道耦合动力学理论，针对长大编组的重载列车，开展了列车发生纵向冲动时重载列车与轨道的动态相互作用研究。　　论文首先从长大编组重载列车的运营条件及力学关系出发，分析了列车车间相互作用及列车与轨道系统动力相互作用的基本原理，进而基于列车纵向动力学理论和车辆-轨道耦合动力学理论建立了重载列车-轨道三维耦合动力学模型，具体包括:重载机车模型、重载货车模型、轮轨动态相互作用模型、轨道系统模型、钩缓系统动力学模型等。其中，针对常用的电机轴悬式机车，机车模型考虑了电机参振、牵引拉杆作用力、驱动力、制动力、车钩力等因素，货车模型考虑了闸瓦压力及空气制动力等;轮轨动态相互作用模型考虑了轮轨间可能发生的大蠕滑现象，给出了蠕滑率和蠕滑力的计算方法;钩缓系统建模中，综合考虑车钩纵向力及其引起的横向和垂向分力。　　其次，编制了HTTSISIM仿真分析软件，用于研究重载列车与轨道的动态相互作用。针对大系统软件的求解，提出了一种求解方法，确定了列车进行三维建模应遵循的基本原则。采用与现场试验结果比较和同商业软件计算结果对比的方法，从组合列车的纵向冲动、S形平面曲线上车钩的运动姿态、电制动条件下重载列车的动力学特性、曲线上重载货车的轮轨作用力及重载轨道的动态响应等几个方面对仿真分析软件进行了验证，表明编制软件分析结果与试验结果能够较好吻合，可用于重载列车与轨道动力学的研究。　　以我国较常见的单编万t列车和2万t组合列车为例，分析了列车纵向冲动的产生过程，比较了列车纵向动力学一维模型与重载列车三维分析模型在牵引工况、电制动工况及空气制动工况下计算结果的差异。结果表明，列车空气制动时，一维模型和三维模型的计算结果相当，而在起动牵引和动力制动时两者略有差别，最大车钩力相差不超过16％。同时，对轨道不平顺引起的列车纵向冲动进行了分析，研究表明轨道不平顺对列车纵向冲动的影响较小。结合列车牵引及制动工况下机车车辆的受力特点，对纵向冲动引起的机车车辆轮轨力变化情况进行了分析，列车纵向冲动对轮轨相互作用的影响主要通过车钩力和作用于轮对上的牵引或制动力矩实现。其中，在车辆纵垂平面内，起动牵引和动力制动时机车的轴重转移较为明显，轴重变化率可达到10％，而空气制动时，机车与货车的轴重变化基本在3％以内;在车辆纵横平面内，车钩力和车钩摆角的变化对轮轨力影响显著，牵引和制动力矩对轮轨力影响较小。　　在此基础上，结合国内外重载线路纵断面坡度及坡度代数差的实际情况，在直线线路上设置了不同类型纵断面的计算条件，以列车的空气制动和缓解操纵为研究重点，采用HTTSISIM软件分析比较了各纵断面条件下单编万t列车和2万t组合列车的纵向冲动作用、机车车辆的轮轨动力作用及轨道系统的动态响应规律。结果表明，列车进行空气制动时，对于不同编组列车，最大车钩力均出现在货车车钩部位，但由于货车自身具有较强的稳钩能力，车钩不会发生大幅度的单向性偏转，轮轨动力作用水平也较低。对于2万t组合列车，中部机车承受了较大压钩力，机车自身的稳钩能力有限，车钩极易发生单向性偏转，引起较大的轮轨作用力，并会对与其相邻的货车也产生影响。其中，凹型竖曲线上中部机车的轮轨动态相互作用最为剧烈。缓解时，机车与货车部位的车钩基本在对中位置波动，轮轨动态相互作用也处于较低水平。　　最后，针对重载铁路曲线线路，探讨了重载车辆通过曲线轨道的基本特点。研究表明，车辆通过曲线时，前、后转向架悬挂系统会出现不同程度的不均匀承载现象，造成这一现象的主要原因是曲线上轮对、构架和车体所处位置的超高角差不同。以不同形式平纵断面组合的线路区段为例，分析了制动和缓解条件下万t列车和2万t组合列车通过区间线路时产生的纵向冲动作用、车间横向相互作用及轮轨动力相互作用，对列车运行安全性进行了评判。结果表明，在小半径平面曲线上停车制动时，货车两端车钩的偏转幅度主要受曲线走向的影响，车钩纵向力量值对其影响不大，但车钩纵向力会因车钩摆角的存在转换为轮轨作用力，导致更为剧烈的轮轨动力作用。对于机车，车钩极易摆动到极限位置，其车钩摆角由两部分构成，包括曲线引起车钩摆动和机车稳钩能力不足导致的车钩附加偏转。其中，在凹形竖曲线上，压钩力达到最大，相对于惰行工况机车的轮轴横向力增大了约45％，同时轨道结构也发生较大变形，不利于列车安全运行。列车在曲线轨道上制动缓解时，巨大的拉钩力促使车钩趋于对中位置，很大程度上抵消了曲线走向引起的车钩偏转。
作者：	刘鹏飞
专业：	车辆工程
导师：	翟婉明
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文