世界铁路发展状况及其关键力学问题 全国结构工程学术会议特邀报告

论述了世界部分发达国家和我国铁路发展情况、铁路运输的优点及其在经济建设中所发挥的作用。介绍了世界发达国家和我国铁路发展历史和未来轨道交通发展方向。详细讨论了现有铁路运输存在的问题和未来高速铁路亟待解决的关键力学问题。它们主要是:(1)弓网/列车/轨道(桥梁)大系统耦合动力学; (2)车辆结构强度和可靠度问题;(3)轮轨关系(脱轨、粘着、滚动接触疲劳和波浪形磨损、轮轨噪声);(4)高速列车弓网动力学和高速受流条件下摩擦磨损;(5)轨道结构关键力学和严酷环境下轨道工程破坏问题。这些问题直接危及到行车的安全和运行品质.并提出今后解决这些问题的主要方向。     

研磨子模糊控制

基于轮轨粘着的基本原理,对比了撒砂、喷射陶瓷粒子和使用研磨子三种粘着改善策略,以及组合校正法和模糊控制法两种粘着控制方法,以此设计了一种研磨子模糊控制系统.该系统可以作为目前所采用的恒常研磨策略和组合校正力矩调节方法的辅助,在保证列车在牵引、高速运行和制动过程中维持轮轨接触面清洁的同时,当车轮在一定速度区间内产生较大滑行或空转趋势时控制系统能够迅速响应,增大研磨子作用压力,在改善轮轨关系的前提下极大地减少了研磨子及车轮材料的浪费.此外,可以根据增粘和修型需求修改模糊控制参数,以实现不同的作用效果,智能调节研磨子的作用频率.     

基于动力吸振原理的动车组车下设备悬挂参数设计

为降低车体的弹性振动,将车体考虑成弹性欧拉梁,基于动力吸振原理进行多个车下设备的最优悬挂频率设计。建立弹性车体和车下设备的垂向耦合振动数学模型,研究不同设备悬挂频率、联接阻尼、质量和安装位置条件下的车体振动分布规律。建立车辆系统三维刚柔耦合动力学模型,仿真分析在实际线路激扰条件下,车体振动和平稳性随设备悬挂参数变化的分布规律。垂向耦合振动理论分析表明动力吸振原理可用于车下设备悬挂参数设计,验证了用于车体弹性振动减振的可行性和有效性,能够显著降低车体的垂弯模态振动;将大质量设备越靠近车体中部安装时车体的减振效果越好;设备悬挂频率应接近车体的垂弯模态频率,较优的弹性联接阻尼比应满足0.05~0.20。三维刚柔耦合动力学仿真结果验证了理论分析结果,车辆运行速度越高,减振效果越显著。试验台结果表明车下设备采用弹性联接可显著改善高速动车组的乘坐平稳性,与理论和仿真分析结果吻合。     

车下设备的连接方式及悬挂参数匹配研究

随着铁道车辆运行速度的提高,复杂的车下设备对车体的振动影响不能忽视.将车体考虑成等截面欧拉梁,建立了车辆刚柔耦合的垂向动力学简化模型,考虑了设备弹性悬挂和刚性悬挂两种连接方式对车体振动的影响.结果显示,弹性悬挂能够有效抑制设备高频振动能量的传递,降低车体的弹性振动.为了讨论车下设备弹性悬挂参数与车体结构振动的匹配关系,详细地分析了不同悬挂刚度和阻尼对车体振动的影响.当刚度设置在合适的范围时,由于车下设备与车体间同向和反向运动,使车下设备的传递率下降,车体的振动降低.同时,提高悬挂阻尼也在一定程度上能够抑制车体的振动.     

半主动悬挂高速列车稳定性研究

运用非线性分叉理论,对半主动高速列车的蛇行运动稳定性开展了全面研究。建立高速列车模型、半主动减振器模型、半主动控制器模型,并在此基础上构建半主动高速列车联合仿真模型系统。详细分析高速列车动力学系统中影响稳定性的主要非线性特征:轮轨接触几何非线性和抗蛇行减振器非线性。利用演算法计算不同非线性特征组合下的高速列车在采用被动悬挂和采用半主动悬挂系统时的蛇行运动分叉特征,并与线路试验进行对比。结果显示,半主动悬挂系统对采用阻尼型抗蛇行减振器并匹配以大锥度踏面的车辆的稳定性影响不大。半主动悬挂会使采用摩擦型抗蛇行减振器匹配以小锥度踏面的车辆的稳定性有所降低但不影响正常使用。半主动悬挂会使采用摩擦型抗蛇行减振器匹配以磨耗状态的小锥度踏面的稳定性显著下降。因此在高速列车设计中应根据车辆悬挂系统特点,谨慎选用半主动悬挂,在服役过程中亦应关注轮轨关系的变化对半主动悬挂车辆稳定性的影响。     

构架三种常用疲劳强度校核方法对比研究

对比分析转向架构架三种常用疲劳强度校核方法的差异。分别采用铁路标准中规定的载荷谱、多刚体系统动力学仿真(Multiple rigid body system dynamic simulation,MRBSDS)技术获取的载荷谱和线路动应力测试应力谱等三种方法对某型地铁拖车转向架构架进行疲劳强度校核。通过准静态叠加法将载荷谱转换为应力谱,准静态叠加法中给出应力响应因子(Stress response factor,SRF)的定义,方便载荷谱和应力谱之间的转换。对比方法是将三种方法获取的应力谱线性外推至100万km进行疲劳等效应力计算。计算结果表明,与线路试验相比,利用标准中规定的载荷谱进行疲劳强度校核略偏保守,MRBSDS方法获取的载荷谱无法准确预测疲劳寿命。应力谱频域分析发现,MRBSDS方法计算疲劳载荷谱应朝采用真实且含有高频信号的线路谱和刚柔耦合模型方向发展。     

车端纵向减振器对低地板轻轨车辆动力学性能的影响

建立了100%低地板轻轨车辆动力学模型,分析了车间纵向减振器阻尼参数对低地板车辆的稳定性、平稳性和曲线通过性能的影响,结果表明阻尼设置对车辆的直线运行性能和曲线通过存在不同影响。因此,低地板车辆应采用具有大小二级阻尼的半主动减振器,直线行驶时采用大阻尼以保证车辆的稳定性和平稳性;曲线通过时采用小阻尼以提高车辆曲线通过性能。可通过检测车体和转向架的相对摇头角,来判断车辆是运行在直线上还是曲线上。     

高速列车作用下不同类型无砟轨道振动响应分析

基于不同类型无砟轨道空间振动分析模型,利用高速列车-无砟轨道系统空间振动分析理论,分别计算板式轨道、双块式轨道及博格板式轨道在高速列车作用下的空间振动响应,分析比较系统振动响应随无砟轨道类型及车速的变化规律.结果表明:系统振动响应均随车速的提高而增大;在车速相同的条件下,无砟轨道类型对钢轨竖向位移、轨道板竖向位移、轨道板竖向加速度、轮轨竖向力、脱轨系数及轮重减载率等响应影响较大,对其他振动响应的影响不甚明显;相对而言,博格板式轨道动力特性最好,其次为双块式轨道,板式轨道的动力特性最差.     

GPS干扰技术及其仿真应用

GPS制导方式是当前精确制导技术中一项重要技术,GPS制导与反制导技术的研究正成为军事领域关注的焦点．分析了GPS干扰技术机理,在此基础上建立了转发式欺骗干扰GPS的模型,并通过对干扰后定位结果的计算机模拟,验证了在目标防护中运用转发式欺骗干扰方法的有效性。     

关于低温状态下高速动车组运行稳定性的研究

为了研究低温状态下高速动车组的蛇行稳定性,对我国某高速动车组的转臂定位节点和抗蛇行减振器分别进行了试验和仿真分析。试验结果表明,在正常工作温度范围内,温度越低,转臂定位节点的动态刚度与动态阻尼越大。在-50～20℃范围内,随着温度的降低,抗蛇行减振器动态刚度逐渐增加,温度越低,减振器动态刚度变化越明显;卸荷速度前,温度越低,动态阻尼越大;卸荷速度后,温度越低,动态阻尼越小;温度越低,动态阻尼变化越显著。仿真结果表明,随着温度的降低,车辆运行的蛇行临界速度先增大后减小,但是始终高于设计时速,说明温度的变化不会使列车失稳。