列车系统运行平稳性研究

列车系统运行平稳性研究第2 5卷 , 第5期中国铁道科学 Vol1 25 No15 2 0 0 4年 1 0月 CHINA RAILWAY SCIENCE October, 2004 文章编号: 1001-4632 ( 2004) 05-0020-06 列车系统运行平稳性研究刘宏友1, 2, 曾京1 ( 1. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川成都 610031; 2. 四方车辆研究所技术研究部, 山东青岛 266031) 摘要: 在车辆动...

第2 5卷 , 第5期中国铁道科学 Vol1 25 No15 2 0 0 4年 1 0月 CHINA RAILWAY SCIENCE October, 2004 文章编号: 1001-4632 ( 2004) 05-0020-06 列车系统运行平稳性研究刘宏友1, 2, 曾京1 ( 1. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川成都 610031; 2. 四方车辆研究所技术研究部, 山东青岛 266031) 摘要: 在车辆动力学模型的基础上, 建立由 3 辆拖车组成的列车动力学模型。建模过程中考虑列车系统中存在的轮轨接触几何关系非线性、轮轨蠕滑率/蠕滑力的非线性、钩缓装置作用力的非线性以及车辆模型一、二系悬挂作用力的非线性等因素。研究车间连接刚度和连接阻尼对列车运行平稳性的影响。仿真结果表明, 车间横向连接刚度和横向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响较大, 而车间垂向连接刚度和垂向连接阻尼系数对列车的运行平稳性影响很小。在列车中的相邻两车之间安装横向减振器能够有效地提高列车的横向运行平稳性, 并能够改善列车的垂向运行平稳性。仿真结果还发现, 在转向架悬挂参数相同的情况下, 单一车辆的运行平稳性指标大于列车的运行平稳性指标。关键词: 列车系统; 平稳性; 转向架; 计算分析中图分类号: U260111 文献标识码: A 收稿日期: 2003-09-15 作者简介: 刘宏友 ( 1973 ) ) , 男, 江苏连云港人, 博士。基金项目: 国家自然科学基金项目( 50175094 ) ; 西南交通大学博士研究生创新基金; 高等学校全国优秀博士学位论文作者专项基金 ( 200048) 随着经济的发展, 社会的进步, 人们生活水平不断改善, 对旅行质量的要求也愈来愈高。高速列车只快还远远不够, 在快的同时必须保证车辆的高运行平稳性。长期以来, 国内外学者对车辆运行平稳性进行了大量的研究[ 1 ) 3] , 但是, 对列车运行平稳性的研究相对较少。其原因一方面是建立列车动力学分析模型比建立车辆动力学分析模型要复杂得多, 另一方面是因为受计算条件的限制。随着计算机技术的发展, 计算机的解题规模已经能够胜任列车动力学的研究。本文将系统地研究列车的运行平稳性问题, 研究过程中重点考虑了车间横向连接刚度、横向连接阻尼系数及横向连接阻尼减振器的安装位置对列车运行平稳性的影响情况。 1 列车动力学模型及其数值求解方法 111 列车动力学模型以某转臂式轴箱定位 /三无0 结构高速客车转向架为例, 先建立组成列车模型的车辆动力学模型, 如图 1所示。在建立车辆系统模型的过程中, 尽量考虑了系统中可能存在的各种非线性环节, 包括轮轨接触几何关系非线性, 轮轨蠕滑率、蠕滑力的非线性以及车辆系统一、二系悬挂的非线性等因素。图 1 单节车辆受力分析令 x ci 为第 i 辆车的纵向位移, 车辆之间的耦合作用通过下述相应的力来建立: F ci- 1 ) 前车钩力 Fc i- 1( x c i , x ci- 1, sgn( Ûx c i- 1, Ûx c i ) ) ; F ci ) 后车钩力 Fc i ( x c i , x ci+ 1, sgn( Ûx c i+ 1, Ûx ci ) ) ; F x i- 1 ) 前端风挡及其他连接装置纵向作用力 F x i- 1( x c i , x ci- 1, sgn( Ûx ci- 1, Ûx ci ) ) ; F x i ) 后端风挡及其他连接装置纵向作用力 F x i ( x ci , x c i+ 1, sgn( Ûx ci+ 1, Ûx c i ) ) ; F y i- 1 ) 前端风挡及其他连接装置横向作用力 F yi- 1( y c i , y c i- 1, sgn( Ûy c i- 1, Ûy c i ) ) ; F y i ) 后端风挡及其他连接装置横向作用力 F y i ( y ci , y ci+ 1, sgn( Ûy ci+ 1, Ûy ci ) ) ; F zi- 1 ) 前端风挡及其他连接装置垂向作用力 Fz i- 1( z c i , z ci- 1, sgn( Ûz ci- 1, Ûz ci ) ) ; F zi ) 后端风挡及其他连接装置垂向作用力 F zi ( z ci , z c i+ 1, sgn( Ûz c i+ 1, Ûz c i ) ) ; F Bi ) 制动力 F B i ( Ûx c i ) ; FW i ) 机械阻力和风阻力 FW i ( Ûx ci ) , 一般由 W1J1Davis 公式给出[ 4] ; F T i ) 牵引力 FT i ( Ûx ci ) ; F Gi ) 坡道阻力 FG i ( Hi ) , 下坡时为动力。此处 Hi为第 i辆车处轨道对于水平方向的斜角, 即坡度。根据以上各力就可以逐节列出列车中各车辆的微分动力方程组。图 2给出了 3辆拖车在直线轨道上运行时的示意图, 图中未画出动车模型, 因为动车在本文相关的研究工作中其作用仅仅是提供牵引力, 通过车钩将力传给后面的拖车, 使得整列车 ( 1 动 3 拖) 始终保持匀速运行。这样的列车模型已经包括了 3辆拖车, 这是研究列车动力学问题中, 列车模型应当包括的车辆最小数目。以后还需要做的工作是将车辆数目增多, 研究更长列车甚至是整列车的动力学问题, 本文则可以起到抛砖引玉的作用。图 2 中: F c1r, Fc2r 分别为拖车 1和拖车 2后端车钩力; Fc1f, F c2f , Fc3f分别为拖车1、拖车2和拖车3(尾车) 的前端车钩力; F w1, F w2, Fw3 分别为各拖车所受的阻力。Fx i , F y i , Fzi , i = 1 ~ 3, 分别为相邻两车之间的风挡装置及其他连接装置作用力 (如车间减振器提供的作用力等)。为了方便起见, 后文中称拖车 1 ~ 拖车 3分别为第 1 辆车, 第 2辆车, 第 3 辆车。在研究过程中认为列车系统做匀速运行。另外, 本文假设车钩为 13号车钩, 缓冲器为 G1型缓冲器。各拖车转向架的悬挂参数都相同。图 2 列车受力分析基于以上所述并考虑旅客列车中风挡装置、钩缓装置、车间其他连接装置的作用, 本文建立了 114个自由度, 由 3 辆车组成的列车动力学模型。其独立自由度为 102个, 见表 1所示。表 1 列车系统模型的自由度刚体自由度伸缩横移摇头侧滚点头浮沉备注车体 i x ci y c i 7 c i < ci Hci z ci i = 1 ~ 3 构架 j x f j y f j 7 fj

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