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原文传递重载列车纵向冲动动力学研究

论文题名：	重载列车纵向冲动动力学研究
关键词：	重载列车;纵向冲动动力学;调车工况;制动工况
摘要：	提高轴重和增加列车编组数量已成为我国重载铁路提高运能和效率的重要途径和手段，国内外重载列车的运营、试验及研究均表明货车轴重的提高和列车编组数量的增加会导致列车中的纵向冲动显著增大，从而带来一系列安全隐患，如车辆结构的破坏、脱轨等事故。因此，通过理论及试验方法研究重载列车的纵向冲动动力学相关问题，对我国现有及在建重载铁路的安全运营具有重要意义。鉴于此，本论文以国内重载列车为研究对象，研究了重载列车调车工况及列车制动工况下纵向冲动动力学所涉及的关键技术问题。　　根据摩擦缓冲器的动力学计算理论，基于缓冲器试验数据建立多段线性模型，利用附加黏滞摩擦力和附加阻尼力进行理论修正，构建缓冲器多段线性动力学修正模型并编制缓冲器动力学程序，利用车辆冲击仿真、三角函数位移激励及冲击试验对修正模型进行验证和分析，并研究了动力学模型中的参数对缓冲器特性的影响。研究结果表明，缓冲器多段线性动力学修正模型能真实的反映出列车调车工况和冲击试验中缓冲器的特性;附加黏滞摩擦力方程中的转换速度、外部位移激励频率、等效摩擦系数等参数均能有效的反映缓冲器的尖峰效应;附加阻尼和车体刚度的共同作用较好的模拟了缓冲器加载曲线与卸载曲线之间的过渡，解决了缓冲器过渡曲线的能量耗散问题。　　通过构建列车空气制动充气特性多参数数学简化计算方法，研究了不同参数对列车制动缸充气特性曲线的作用，对150辆装用120型空气制动阀的重载列车空气制动系统进行模拟，计算了不同工况下的制动缸压升特性曲线，并与空气制动系统定置试验结果进行了对比，构建列车基础制动装置计算模型，分析了速度及摩擦系数与闸瓦压力的关系。研究结果表明，列车空气制动特性多参数数学简化方法中涉及到的制动控制阀特性参数、制动缸充气特性参数、制动波传播速度特性参数均会对列车制动特性产生影响，通过参数的组合可以成功模拟不同特性的制动充气曲线;紧急制动及常用制动工况的数值仿真结果与试验结果较为吻合;制动过程中闸瓦压力越小，速度越低，摩擦系数越大。　　基于车辆冲击数学方程和缓冲器多段线性动力学修正模型，通过建立多组冲击模型、车体刚度串联模型以及车体—钩缓—车体串联模型等，系统研究了不同编组形式、制动状态、车钩间隙、空重车状态、车体刚度以及不同阻抗特性缓冲器组合对车辆纵向冲动的影响。研究结果表明，不同编组形式导致不同冲击分界面的车钩力有所不同，且最大车钩力也受到车钩间隙的影响;被冲击车制动力越大，纵向冲动越大;不同空重车冲击获得的车钩力及速度变化规律不同;当车体刚度较小，冲击速度较高时，车体刚度会对车钩力产生较大的影响;不同阻抗特性的缓冲器组合冲击时，最大车钩力和缓冲器行程明显不同。　　基于缓冲器动力学理论、接触算法及车辆系统动力学理论，利用UM软件构建了车钩动力学计算模型以及装配转K6转向架的C80货车完整自由度的系统动力学模型，采用车辆冲击三维动力学数值模拟的方法对重载货车冲击进行了仿真，利用车辆冲击试验的方法，研究了车辆冲击过程中纵向冲动及摇枕横向载荷，并将车辆冲击三维动力学仿真结果及冲击试验结果进行了对比。研究结果表明，采用双向接触算法的车钩动力学计算模型较好的模拟了货车冲击中车钩的连挂过程，由于考虑了车钩、从板的质量等因素致使车钩力存在高频小幅振荡;车辆冲击三维动力学模型有效的模拟了车辆在纵向和垂向的耦合作用、冲击端和非冲击端的垂向增减载及摇枕横向载荷变化过程和规律，计算结果与车辆冲击试验结果较为吻合，且随着速度的增加整体变化趋势也较为一致;在重载货车进行调车冲击过程中，要严格控制重车与空车的编组连挂速度，从而防止车辆脱轨、爬车等事故并确保车辆中摇枕等结构的安全可靠。　　依据缓冲器动力学修正模型、列车空气制动特性多参数数学简化计算方法并结合列车纵向动力学理论，分别对考虑有无电制动力、不同坡道的线路条件、Locotrol延时与否等情况下的重载列车的纵向冲动动力学特性进行了计算，并与大秦线1+2+1编组的2万t重载组合列车的试验结果进行了对比，根据车钩计算模型和车辆动力学理论，采用联合模型法和混合模型法建立列车动力学模型，研究了列车纵向冲动对车辆动力学的影响。研究结果表明，列车纵向动力学模型成功的模拟了长大编组重载列车在紧急制动工况下的纵向冲动动力学行为;除列车中个别区域受到不确定的因素影响外，重载组合列车最大车钩力分布的计算值与试验值，不论趋势还是数值均较为吻合;采用联合模型法和混合模型法建立的列车动力学模型，均能有效的模拟列车曲线通过时的车辆系统动力学性能，制动产生的纵向冲动会使列车曲线通过性能和运行安全性降低，联合模型中计算得到的轮轨横向力以及脱轨系数均小于混合模型，由于混合模型中的车钩偏转角随列车运行动态变化，其计算结果更接近实际运行工况。
作者：	孙树磊
专业：	车辆工程
导师：	李芾
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文