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高速轮轨系统动力学研究体系及其系统建模.pdf

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资源描述

1、论文 第52卷第7期2007年4月 斜学氲权高速轮轨系统动力学研究体系及其系统建模张曙光金学松(铁道部运输局,北京100844;西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都610031联系人,Email:lc9180sohucom,tplhomeswjtueduon)摘要 随着列车运行速度的提高,列车与线路、接触网等固定设备的相互作用加剧,而且受到气流的强烈作用,传统的车辆系统动力学研究方法已经无法精确描述高速列车的运动特征提出开展高速轮轨系统动力学研究,总结分析了高速轮轨系统动力学的研究体系,建立了考虑线路、列车、弓网和气流耦合的高速轮轨系统动力学模型,并具体给出了各子系统的运动方程和各子系统之

2、间的耦合关系式在此基础上,建立考虑广义失效模型的高速轮轨系统动力学模型和服役仿真体系,从而拓展了现有车辆系统动力学研究的范围和作用关键词 列车 线路接触网 系统动力学服役模拟铁路系统作为目前轨道交通的主体有其运行的特殊性,即移动设备(列车)在固定设备(线路、接触网)上作可控运行,而移动设备又要受到固定设备状态和空间介质的影响与制约(见图1)随着列车运行速度的提高,车辆、弓网、轮轨以及和空气的动力作用加剧,不仅对动车组和线桥隧的设计、制造(建设)和运行管理提出了更高要求,同时需要有与高速列车运行相适应的车辆系统、轮轨关系、弓网关系和列车气动特性然而,这一切始于高速和结构振动,动力学问题是根本铁路

3、以轮轨支撑和滚动接触为特点,机车车辆上的所有振动几乎都来自线路的扰动和轮轨相互作用以及气流的作用因此,对高速铁路而言,将传统的车辆系统动力学(vehicle system dynamics)研究拓展到与列车运行相关的因素和领域,全面深入地开展高速轮轨系统动力学研究,已势在必行传统的车辆系统动力学没有考虑参数的时变特性和结构失效对轮轨系统响应的影响因此,本文提出基于轮轨系统动力学仿真的服役模拟理念,把广义失效模型(含材料失效、结构损伤和参数蜕化模型)建立于轮轨系统动力学仿真模型中,形成高速轮轨系统的广义动力学模型,实现高速轮轨系统的服役仿真本文首先提出高速轮轨系统动力学的概念和研究体系,重点建立

4、考虑线路、动车组、弓网和气流耦合的高速轮轨系统动力学模型在此基础上,建立囊括广义失效模型的高速轮轨系统广义动力学模型和服役仿真体系1高速轮轨系统动力学研究体系高速轮轨系统动力学,其研究特点是要充分考虑高速列车与线路、接触网和气流的相互作用因图1 高速轮轨系统20070301收稿,20070315接受国家自然科学基金(批准号:50375127,50521503)、国家杰出青年科学基金(批准号:505255t8)和教育部博士点基金(批准号:20040613006)资助项目wwwscichina。COrn 855万方数据错学屯瓠 第52卷第7期2007年4月 论文此,这个大系统动力学的研究以轮轨相互

5、作用模型为基础,以传统的车辆系统动力学为核心,向上考虑牵引供电的接触网系统,以及与机车上受电弓的匹配关系;向下研究线路,研究车一线的藕合振动阉题轮轨相互作用研究的理论基础是轮轨接触力学和轮轨蠕滑理论,而且要考虑车。线耦合状态下的轮轨动态相互作用轮轨相互作用的研究应涉及与轮轨服役行为相关的脱轨、黏着、滚动接触疲劳和摩擦磨损的机理研究由于路基线路与桥上线路的结构不同,则模型、研究方法和研究内容不同,因此,车线耦合动力学裁分羽形成为弼车线路藕合动力学和车。桥耦合动力学,研究列车一线。桥的耦合振动,特别是耦合效应衣高速运行条箨下的高频动态行为对于高速轮轨系统动力学的核心内容车辆系绕动力学,它主要考虑的

6、三要素惫运动稳定性、运行平稳性和安全性为了提高车辆的动力学性能,要考虑车辆性能的主动控制,主动控制的过程模拟和性能研究需以车辆系统动力学为基础对车辆系统承受较大载荷而产生较大变形的缩构件,还要考虑它们的蹦柔耦合作用效果;伴随动力学仿真,还可以进行结构动应力的仿真,这一研究使传统的机车车辆多体动力学研究拓震为雕柔动力学|、曩题的骚究。在率辆系统动力学研究中,考虑车辆数的增加,就发展成隽列车系统动力学研究。列车系统动力学的疆究不仅要研究列车编组状态下车辆动力学三要索,更要在歹ll车牵引,制动控制中考虑列车的纵向动力学856空气动力学轮轨黏菊的研究轮轨接触疲劳的研究轮轨摩擦的研究脱轨机臻的研究行为,

7、包括基于轮轨黏蓊的列车运行控制和轮轨黏漪振动只有实现基于轮鞔系统动力学的列车牵弓|制动控制过程,最终才能实现列车运行的自动化控制另外,耄予高速列车的气动作用强烈,在列车系统动力学和弓网系统动力学的研究中,应考虑空气动力学的作用,也就是要研究以高速列车和空气气流为对象的流固耦合动力学问题因此,高速轮轨系统动力学不仅要研究移动设备的运动,还要考虑与霞定设备和空气介质的糨互作用,形成具有高速特征的线路车辆受电弓,接触网一气流藕合系统动力学具体盼高速轮轨系统动力学体系结构和相互关系如图2所示2高速轮轨系统动力学模型对予高速轮轨铁路大系统来说,它是由柔性体(接触圈)、多刚棒(主要指枧车车辆结橡)、连续弹

8、性体(钢轨)、离散体(枕木)、非规则碎散堆积体(石碴道床)和结构0,,(8)切向力磉= 惫H3生fPwrnk2+寺(惫3,去,风。t, 瓦FR1,(9)式中cH为与轮轨接触界面几何形状有关的参数,Z。和z。k分别是车轮和钢轨的垂向位移量,晶是静轮重作用下轮轨接触点处法向挤压量,仉是轮轨界面累积磨损和塑性累积变形量,是库仑摩擦系数,昧是由Kalker线性理论确定的轮轨间的切向合力,脚标k表示车辆的第k个车轮当考虑高速气流对列车和受电弓的作用时,就要建立反映车体结构和空气之间相互作用的流固耦合模型如果将列车当成刚体,则空气作用在车辆表面的压强为厂 1 P=(y一1)pI已一-“2 l, (10)L

9、 z J式中P为压强,y为热比,p为密度,e为气体的能量密度,u为速度向量858空气流动的三维NavierStokes方程为连续方程娑+o(puj):o, (1 1)0fOXj动量方程未(砒)+未(pUjUi)=-至3xi+堕3xij(12)利用有限元方法对方程(11)和(12)进行离散,由TaylorGalerkin方法得到关于空气速度和压强的近似表达式假设在垂直于车辆与空气交界面处车辆运动速度与空气运动速度在边界面的法向相等,并将车辆与空气交界面处的气压转换为作用在车辆上的力和力矩,从而得到车辆与空气的耦合动力学方程:戈=G(x) (13)通过求解方程(13),得到车辆在空气耦合作用下的运

10、动过程为了研究高速列车的高频振动,钢轨采用铁木辛柯梁模型:垂向Ns N。=一心(r)万(z一堍)+ZPwrnj(08(工一,),i=I j=lh学+k甜B沪挈k擎一o,lXsf=2lsvt(ot以Iv),p婆d粤tGK粤0x掣 - -(14)=一Msf(f)万(X-Xsf)+ZMGj(t)8(xx。,)(15)i=1 J=l式中m为钢轨单位长度质量;鹭是钢轨截面的剪切形状因子,G是剪切弹性模量,A是钢轨的截面积,蛭GA为钢轨截面对Y轴的剪切刚度;E是弹性模量,。是钢轨截面对Y轴的惯性矩,E,v是钢轨截面对Y轴的弯曲刚度;P是钢轨材料的密度,似z_Py为钢轨截面对Y轴的单位长度转动惯量;o是钢轨

11、截面的极惯性矩,powwwscichinaCOrn学D一警h一一甜力一等万方数据论文 第52卷第7期2007年4月讲学电教是钢轨单位长度的绕轴向扭转转动惯量;坛是由弯矩引起梁轴线绕Y轴方向的转角,R:,是第i个轨枕的垂向作用力,尥;和MG,分别是由扣件对钢轨的约束力和车轮对钢轨作用力引起的对钢轨扭转中心等效扭转力矩,具体表达式见文献【4J)是Dirac delta函数,帆和w分别是计算模型中所考虑的轨枕数量和车轮数量五,表示轨枕在所考虑的一定长度计算粱上的坐标位置,在粱的运动方程中是时间的函数,体现了确定的有限长度轨道计算模型是时变系统,能反映轨道由于轨枕离散支撑对列车轨道耦合动力学行为的影响

12、L为轨枕间距,v是行车速度【5J对于轨枕、道床和路基,现有模型多数处理方法也是等效成多刚体模型,即弹簧、阻尼、梁和质量块模型【4】,但是随着计算科学的发展,完全有可能采用更加符合实际的模型,如非线性弹簧、非线性阻尼、非等截面梁、离散粒子堆积体和连续支撑模型3高速轮轨系统动力学服役模拟研究任何铁路机车车辆的性能都会随着运用时间的增加而发生变化在实际运用中,机车车辆通过一段时间的运行,就会出现性能下降,材料和结构的伤损破坏,严重的情况将直接影响到行车安全性能下降主要是参数的不稳定性和参数时变性引起的,如液压减振器的失效,橡胶弹簧元件的老化等;也可能是由材料变化和结构失效导致的车轮表面的擦伤直接导致

13、轮轨间振动的加剧,降低轮轨系统的性能性能的下降意味着振动的进一步加剧,加速了原有的失效或导致新的失效发生,最终导致高速列车无法安全运行以往的车辆系统动力学研究,包括已经广泛应用的车线、弓网系统动力学研究,主要是作为机车车辆计算机辅助设计的工具,以指导结构设计,或预测结构参数的设计理论值然而现代仿真技术不仅仅是计算机辅助设计的工具,更是进行运用分析和故障分析的工具因此,高速轮轨系统动力学研究应该从设计分析延拓到服役模拟。为了实现服役模拟,就必须在高速轮轨系统动力学模型中加入描述参数时变模型、结构及材料失效的计算模型,其中,时变参数包括车辆悬挂参数、几何尺寸和轮轨踏面磨耗等高速动车组服役模拟的计算

14、和模型框图如图4所示,模型中不仅描述了轮轨大系统模型,并把来自于固定设备及运行介质的扰动作为系统输入,系统模型中把时变参数模型考虑在其中,对该系统模型进wwwscichinacorn图4 高速轮轨系统服役模拟计算和模型框图行仿真计算,得到轮轨系统的服役响应,而系统响应反过来影响到材料和结构的服役性能,引发材料和结构的失效和破坏,同时影响到参数的变化,进而导致轮轨系统动力学性能的恶化,出现诸如激烈的振动、噪音、疲劳等,最终导致材料失效、结构破坏,甚至导致列车脱轨事故的发生基于轮轨系统动力学的服役模拟,不仅可以在设计阶段进行参数选择和性能优化,也可以进行服役过程中的模拟,进行材料、结构、参数和性能

15、等广义失效的分析和预测,研究结构失效、参数变化和动态响应的相互影响关系,揭示高速铁路广义失效(材料、结构、参数和性能失效)的相互作用机制,为高速列车安全服役研究提供理论基础同时,可以研究设计、生产和维护的标准,如左右轮轮重和轮径差的允许值,前后轮对的对角线、踏面磨耗等制造和运行导致的误差允许范围高速轮轨系统的服役模拟,并不是要考虑所有参数、材料和结构的广义失效模型,而是仅仅关注关键失效因素对于悬挂参数,主要考虑敏感系数高的参数图5为一高速车辆的悬挂参数对运动稳定性的灵敏度系数曲线【6】,这里一系纵向刚度。和二系横向刚度咫。和抗蛇行减振器阻尼系数C。,就是需要关注的对象对于悬挂参数,还应该研究参

16、数值不稳定的悬挂元件,如液压阻尼器、橡胶悬挂元件等,这些参数会随着服役时间的增加而发生变化,也就是时变性这些悬挂参数的参数变化模型必须通过实验来获得注意图中参数K和C分别表示刚度系数和阻尼系数,足标P表示一系悬挂,S表示二系悬挂,X和Y分别表示轨道纵向和轨道横向图中5中的结果是借助车辆系统状态方程对悬挂参数求导得到结构失效是高速动车组服役模拟中十分关键和859万方数据讲学屯苏 第52卷第7期2007年4月 论文辅熊魁甾瞅霞粤v,I(mh vkm h图5 悬挂参数对车辆运动稳定性的灵敏度(a)悬挂刚度;(b)悬挂阻尼复杂的研究工作,失效形式除了结构疲劳失效外,还有摩擦磨损的失效,尤其是影响车辆性

17、能和安全的轮轨和弓网材料摩擦磨损模型而这些失效模型往往必须通过大量的实验分析,进行数据的回归分析得到量化的失效模型如对于轮轨的摩擦磨损模型,采用与单位面积上摩擦功成正比的材料磨损模型,考虑车轮一次通过后钢轨接触表面在单元面积J上的磨耗深度可表示为【_71w)lk Cw ISjfPsfIp, (16)式中cw为与轮轨材料、硬度和型面有关的磨损系数(通过实验获得),P为钢轨材料密度,如轮轨相对滑动量,p,z为轮轨接触压力在服役仿真时,计算得到车轮每次滚过后磨耗深度,通过累加得到总磨耗深度4结束语本文以高速轮轨列车的动力学研究为背景,考虑到高速列车运行时振动和气流耦合作用的加剧,提出高速轮轨系统动力

18、学的概念,以考虑高速列车运行时与固定设备(线路、接触网)耦合作用,以及和气流的耦合作用,总结分析相关的研究内容体系采用子结构方法,分析和确定各子系统运动方程和子系统间的耦合关系,通过耦合关系式,建立了考虑线路、动车组、弓网和气流耦合的高速轮轨系统动力学模型框架同时提出了服役模拟的新概念,并建立了考虑广义失效模型的高速轮轨系统广义动力学模型和服役仿真的思想体系由于本文的研究立足于系统和体系的建立,是860传统车辆系统动力学研究的提高和深化,这不仅是学术研究的需要,更是高速铁路发展的需要本文的研究还十分粗浅,但为今后的高速轮轨系统动力学研究提供了方向,而且在我国高速动车组的技术引进消化吸收和再创新

19、中,就应该遵循这样的研究方法,进行有益的尝试随着我国高速轮轨铁路系统的建设和创新性研究的进行,后续专项研究成果将逐次介绍参 考 文 献1 Eppinger S D,0Connor D N,Seering W Pet a1Modeling andexperimental evaluation of asymmetric pantograph dynamicsASME J Dyn Syst Meas Control,1988,1lO(2):1681742刘红娇,张卫华,梅桂明基于状态空间法的受电弓主动控制的研究中国铁道科学,2006,27(3):79833 Shen Z Y,Hedrick J K

20、,Elkins J AA comparison of alternativecreep-force models for rail vehicle dynamic analysisIn:Proceedings of the 8th IAVSD Symposium,Cambridge,USA,19845916054翟婉明车辆轨道耦合系统动力学(第二版)北京:中国铁道出版社。20035 Zhang S G Xiao X B,Zhang W H,et a1Effect of unsupportedsleepers on wheelrail normal load fPart 1)In:Proceed

21、ings of the6th International Exhibition&Seminars on Rail TechnologyUtrecht,the Netherlands。20073693836 曾京,邬平波高速客车动力学性能的参数灵敏度分析西南交通大学学报,1996,31(增刊):1861987 Jin X S,Wen Z FWang K Yet a1Threedimensional train-trackmodel for study of rail corrugationJ Sound Vib,2006,293(3-5):830一855wwWscichinacorn万方数据高速

22、轮轨系统动力学研究体系及其系统建模作者: 张曙光, 金学松作者单位: 张曙光(铁道部运输局,北京,100844), 金学松(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,成都,610031)刊名: 科学通报英文刊名: CHINESE SCIENCE BULLETIN年,卷(期): 2007,52(7)被引用次数: 2次参考文献(7条)1.Eppinger S D.OConnor D N.Seering W P Modeling and experimental evaluation of asymmetricpantograph dynamics外文期刊 1988(02)2.刘红娇.张卫华.梅桂明 基于

23、状态空间法的受电弓主动控制的研究期刊论文-中国铁道科学 2006(03)3.Shen Z Y.Hedrick J K.Elkins J A A comparison of alternative creep-force models for rail vehicledynamic analysis 19844.翟婉明 车辆-轨道耦合系统动力学 20035.Zhang S G.Xiao X B.Zhang W H Effect of unsupported sleepers on wheel/rail normal load (Part 1)20076.曾京.邬平波 高速客车动力学性能的参数灵敏

24、度分析 1996(zk)7.Jin X S.Wen Z F.Wang K Y Three-dimensional train-track model for study of rail corrugation外文期刊 2006(3-5)本文读者也读过(2条)1. 王珏.李治 绝对空间中的铁道车辆非线性动力学仿真期刊论文-铁道学报2004,26(6)2. 金学松.张雪珊.张剑.孙丽萍.王生武.Jin Xuesong.Zhang Xueshan.ZHANG Jian.Sun Liping.WANG ShengWu 轮轨关系研究中的力学问题期刊论文-机械强度2005,27(4)引证文献(2条)1.姚远.张红军.罗赟 轮对纵向定位误差对高速动车运行性能的影响分析期刊论文-铁道车辆 2009(6)2.衷路生.齐叶鹏.杨辉.龚锦红.张永贤.颜争 PSO优化的LS-SVM在列车弓网系统的建模研究期刊论文-华东交通大学学报 2012(3)本文链接:http:/

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