考慮貨車結(jié)構(gòu)特征的重載列車縱向動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、大軸重化、長(zhǎng)編組化是重載鐵路的發(fā)展趨勢(shì)。但隨著貨車軸重的提高和列車編組數(shù)量的增大，列車牽引和制動(dòng)的操縱難度將加大，由此引起的縱向沖動(dòng)效應(yīng)也越來(lái)越突出。由國(guó)內(nèi)外運(yùn)用實(shí)踐可知，重載列車縱向沖動(dòng)引起的安全問(wèn)題和隱患多出現(xiàn)在調(diào)車沖擊作業(yè)、列車緊急制動(dòng)、列車曲線通過(guò)等工況，具體表現(xiàn)為鉤緩、搖枕、車體等結(jié)構(gòu)的沖擊破壞以及縱向沖動(dòng)在橫向、垂向耦合作用下引起的抻鉤和脫軌事故等。在此背景下，本文結(jié)合中國(guó)現(xiàn)役的重載鐵路貨車運(yùn)用和編組情況，分別建立一維全列車

2、縱向動(dòng)力學(xué)模型和三維短編組列車動(dòng)力學(xué)模型，研究調(diào)車沖擊作業(yè)和列車制動(dòng)操作下的縱向振動(dòng)特性及其影響，并探討短編組車輛在曲線制動(dòng)條件下的脫軌安全性，為貨車及其零部件設(shè)計(jì)和列車運(yùn)行安全提供理論參考。
　　主要研究工作與結(jié)論如下:
　　1.基于摩擦式緩沖器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，通過(guò)理論推導(dǎo)其力學(xué)表達(dá)式并引入修正參數(shù)，建立了適用于中國(guó)重載貨車緩沖器的通用力學(xué)計(jì)算模型，并通過(guò)與車輛沖擊試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了其動(dòng)態(tài)阻抗特性的準(zhǔn)確性;為了獲

3、取并評(píng)估車鉤力、轉(zhuǎn)向架沖擊力、緩沖器位移、車體結(jié)構(gòu)變形等振動(dòng)響應(yīng)，通過(guò)建立心盤組成力學(xué)模型以及車體結(jié)構(gòu)等效模型，建立了一種考慮貨車結(jié)構(gòu)特征的列車縱向連接模型，該模型一方面改善了傳統(tǒng)連接模型的仿真結(jié)果，一方面也拓展了縱向列車動(dòng)力學(xué)理論的應(yīng)用范圍。
　　2.以中國(guó)鐵路調(diào)車作業(yè)為研究背景，建立了車輛調(diào)車沖擊計(jì)算模型，對(duì)部分輸出結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。研究了車輛軸重、沖擊模式、緩沖器阻抗特性、車體與轉(zhuǎn)向架連接剛度、車體結(jié)構(gòu)剛度、貨物

4、遲滯效應(yīng)以及輪軌運(yùn)行阻力等因素對(duì)車輛縱向沖擊特性的影響。結(jié)果表明，隨著車輛總重的增加，車鉤力、心盤縱向力均呈現(xiàn)依次遞增趨勢(shì);相同編組數(shù)量下，重車沖擊重車時(shí)各連掛界面處的車鉤力較大，重車沖擊空車時(shí)沖擊界面車輛的心盤縱向力較大;隨著車體與轉(zhuǎn)向架連接剛度的增大，車鉤力變化的幅度很小，而心盤縱向力則呈現(xiàn)非線性增大趨勢(shì)。隨著車體結(jié)構(gòu)剛度的增大，各沖擊速度下的車鉤力均呈現(xiàn)增大趨勢(shì);在罐車調(diào)車沖擊中，由于液體的縱向晃動(dòng)消耗了一部分的沖擊能量，使得車鉤

5、力和速度隨時(shí)間衰減變化得更快;被沖擊車輪軌運(yùn)行阻力越大，受沖擊時(shí)其車鉤力和心盤縱向力也越大。
　　3.以中國(guó)重載列車為研究對(duì)象，研究了列車在緊急制動(dòng)工況下的縱向振動(dòng)基本特征，并探討了車輛軸重、車鉤間隙效應(yīng)和制動(dòng)特性參數(shù)等對(duì)列車在縱向沖動(dòng)和制動(dòng)效率方面的影響。結(jié)果表明，相同載重的列車采用大軸重方式要比采用長(zhǎng)編組方式更有利于減小列車的縱向沖動(dòng);在相同制動(dòng)裝備條件下，由于列車管長(zhǎng)度因素，通用列車制動(dòng)時(shí)往往比運(yùn)煤專用列車引起的縱向沖動(dòng)更大

6、;先慢后快的制動(dòng)波傳播特性、凸出型的制動(dòng)缸升壓特性以及收斂型的制動(dòng)缸壓力變化規(guī)律對(duì)列車縱向動(dòng)力學(xué)性能最有利;改進(jìn)型Locotrol系統(tǒng)可顯著提高列車的縱向動(dòng)力學(xué)性能;從減小車鉤力角度，列車在由空、重車混編時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制編入空車的數(shù)量，并盡量將空車集中置于列車的尾部，尤其要避開(kāi)全重列車下最大壓鉤力附近的車位;在由不同軸重及載重的車輛混編時(shí)，應(yīng)將較重的車輛置于列車前部，較輕的車輛置于列車后部，并盡可能地按車輛重量遞減依次編入;在由不同車型的

7、車輛混編時(shí)，應(yīng)盡量避免將車體剛度較小的平車或罐車集中置于列車中部。
　　4.基于三輛貨車編組的三維耦合列車動(dòng)力學(xué)模型，分別從車鉤偏轉(zhuǎn)、車鉤壓力、車鉤高度差、閘瓦壓力以及連續(xù)縱向沖動(dòng)等方面對(duì)重載貨車在曲線制動(dòng)工況下的安全性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，列車制動(dòng)產(chǎn)生的縱向沖動(dòng)會(huì)降低編組貨車曲線通過(guò)安全性。當(dāng)重載貨車通過(guò)R370曲線時(shí)，編組模型比單車模型下的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率分別大11％、8％和6％;全重的編組模型在1000kN車鉤

8、壓力作用下的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率分別比惰行時(shí)大6％、5％和1％;“兩重夾空”的編組模型在1000kN車鉤壓力作用下的輪軌橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率分別比惰行時(shí)大12％、19％和51％;列車制動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)裝置作用下，閘瓦壓力給輪對(duì)伸縮和搖頭施加了附加約束力，推動(dòng)輪對(duì)偏離轉(zhuǎn)向架中心，限制輪對(duì)自由搖頭，使沖角始終處于較高值，從而增大車輪爬軌的可能性以及輪軌磨耗趨勢(shì);當(dāng)編組車輛所在的列車進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，連續(xù)的縱向沖動(dòng)使其