车辆-轨道耦合动力学理论的发展与工程实践

长期以来,车辆和轨道一直被分离成两个相对独立的子系统加以研究,形成了经典的车辆动力学、轨道动力学理论体系.现代铁路客运高速化、货运重载化,导致日益突出的车辆与轨道动态相互作用及其安全问题.因此,需要突破子系统研究框架,从整体大系统角度综合研究车辆-轨道相互作用机制,实现整体系统动力性能最优设计.车辆-轨道耦合动力学理论体系应运而生,在吸纳车辆动力学、轨道动力学理论成果的基础上,通过建立新型轮轨空间动态耦合模型,将车辆子系统与轨道子系统耦合成一个相互作用的整体大系统.本文概要介绍车辆-轨道耦合动力学理论的形成过程,重点阐述其学术思想、理论模型及其最新发展,在此基础上介绍基于该理论而形成的车辆与线路动态性能最佳匹配设计原理,最后选取若干典型工程案例,介绍该理论在中国铁路大发展中的应用实践情况.     

基于轮轨多点接触的浮置板轨道钢轨波磨安全限值分析

地铁线路中钢轨产生的波磨,会使轮轨相互作用恶化,危害车辆及轨道的使用寿命,进而导致养护工作量和维修费用的增加,甚至影响列车运行安全性.确定钢轨波磨安全限值并及时打磨是消除钢轨波磨危害的有效手段.为了确定浮置板轨道钢轨波磨安全限值,基于车辆-轨道耦合动力学理论建立车辆-浮置板轨道耦合动力学模型分析钢轨波磨对车辆-轨道耦合系统的动力学影响,并从车辆运行安全性、运行平稳性和车-轨动态作用性能3个方面考量,提出地铁浮置板轨道线路钢轨波磨的限值.为了更准确地描述轮轨相互作用,所建立的车辆-浮置板轨道耦合动力学模型采用了改进的Kik-Piotrowski方法以考虑轮轨多点非Hertiz接触.研究结果表明,钢轨波磨的出现会使得轮轨相互作用明显恶化,特别是波长小于75 mm的钢轨磨耗;随着钢轨波磨的波长减小、波深加大,轮轨垂向力、轮轨横向力以及脱轨系数、轮重减载率等评价指标都呈现恶化的趋势;其中轮重减载率受波长波深的影响最明显,在一定波长下,随着波深的增加,轮重减载率也最先超出安全限值.当列车运行速度为80 km/h时,波长为0.05 m左右的钢轨波磨的波深应控制在0.2 mm以下,波深为0.1 mm左右的钢轨波磨的波长应控制在30 mm以上.     

高速动车组轮轨载荷分布特征

轮轨载荷对高速动车组/轨道系统动力学性能和结构可靠性有十分重要的影响.目前研究主要给出了轮轨力峰值或者幅值,对其载荷分布规律很少涉及.本文制作了某型高速动车组测力轮对,实际线路上测试并获得了该型高速动车组运行过程中轮轨力引起的应变信号,最高测试速度368 km/h.对测试数据进行处理和分析,获得了列车高速直线和曲线运行工况下的轮轨力时间历程.统计了轮轨载荷峰谷值和频次,获得了不同速度等级下轮轨力分布规律.结果表明,轮轨垂向力总体上呈正态分布,而横向力呈威布尔分布;一般列车运行速度越高,轮轨力波动范围越大;列车350 km/h直线运行时的最大轮轨垂向力约为156.6 kN、最大轮轨横向力为26 kN;曲线半径和列车曲线通过速度对轮轨力幅值有明显影响.本文给出的轮轨载荷统计特征,为高速轮轴结构设计和轨道系统结构损伤研究等提供了重要帮助.     

高速铁路多边形车轮通过钢轨焊接区的轮轨动力特性分析

车轮多边形磨耗和钢轨焊缝是轮轨界面重要的激振源,会加剧轮轨动力相互作用,严重时将威胁行车安全.既有研究主要关注单一激励作用下的轮轨动力响应,而多边形车轮通过钢轨焊接区普遍存在,对于两种激励叠加作用下的轮轨动力特性的研究尚不充分.基于此,本文采用高速车辆-板式轨道垂向耦合动力学模型,研究多边形车轮通过钢轨焊接区的轮轨动力响应特征,分析高速行车条件下车轮多边形阶数和波深对钢轨焊接区轮轨动力响应的影响规律.分析结果表明:车轮多边形不平顺变化率最大点与叠合型焊缝不平顺变化率最大点重合时,引起的轮轨动力响应波动幅值最大.多边形车轮通过钢轨焊接区时,在车轮多边形和焊缝不平顺的叠加作用下,产生了更明显的轮轨冲击效应,轮轨垂向力、轮重减载率、轮对垂向振动加速度、扣件力以及钢轨垂向振动加速度均显著增大,而对车体垂向加速度影响较小.高速行车条件下,轮轨垂向动力响应最大值整体上随着车轮多边形阶数和波深的增加而增大,在钢轨焊接区易出现轮轨瞬时脱离现象.     

论我国高速铁路技术创新发展的优势

论述我国2004~2010年高速列车技术快速发展的成就、科学基础和重大意义.着重讨论高速列车国家技术创新体系的形成和所发挥的作用.作为这一创新体系理论指导的是一门新学科:高速列车大系统动力学.对这一新学科近几年取得的突破性进展和在建立高速铁路技术标准体系方面所起的作用,做了简要的介绍.并在此基础上,从技术层面,论述了我国创新发展高速铁路技术的特有优势.     

车轮扁疤冲击下重载机车齿轮传动系统动态特性分析

利用基于车辆-轨道耦合动力学与齿轮动力学理论建立的考虑齿轮传动系统动态耦合效应的机车-轨道耦合动力学模型,同时考虑车轮扁疤冲击激励和齿轮传动时变啮合刚度激励,仿真分析了机车以60 km/h的速度匀速运行时不同尺寸车轮扁疤诱发的附加轮轨冲击力,研究了扁疤尺寸对重载机车齿轮传动系统动态性能的影响.结果表明:(1)新扁疤长度的不断增大,齿轮副的啮合力和动态传递误差(dynamic transmission error, DTE)的最大值随之增大,特别是当新扁疤长度超过60 mm时,啮合力和DTE的最大值急剧增大;(2)旧扁疤深度一定时,轮轨力最大值随扁疤长度的增大而逐渐减小,啮合力和DTE的最大值变化趋势与轮轨力最大值的变化趋势基本一致;(3)当旧扁疤长度一定时,轮轨力最大值随扁疤深度的增加而逐渐增大;当扁疤深度超过0.5 mm后,轮轨力最大值增长速率减缓,而啮合力和DTE的最大值增长速率反而增大.本文研究工作对铁路机车齿轮副的设计参数选取、动态特性评估、疲劳寿命估算以及轮对维护具有一定的理论参考价值.     

车-桥动力相互作用简化方法研究

在不同速度车辆作用下的桥梁响应有其复杂性,随着高速铁路在国内外的迅速发展,高速列车与桥梁的动力相互作用越来越受到研究者的重视.通过有限元分析软件建立桥梁有限元模型,分别以移动荷载和移动质量模拟车辆,对高速行驶的列车与简支桥梁的动力响应进行了研究和比较,比较了两种方法的可靠性及适用条件.     

车-桥动力相互作用简化方法研究

在不同速度车辆作用下的桥梁响应有其复杂性,随着高速铁路在国内外的迅速发展,高速列车与桥梁的动力相互作用越来越受到研究者的重视。通过有限元分析软件建立桥梁有限元模型,分别以移动荷载和移动质量模拟车辆,对高速行驶的列车与简支桥梁的动力响应进行了研究和比较,比较了两种方法的可靠性及适用条件。     

车-桥动力相互作用简化方法研究

在不同速度车辆作用下的桥梁响应有其复杂性,随着高速铁路在国内外的迅速发展,高速列车与桥梁的动力相互作用越来越受到研究者的重视。通过有限元分析软件建立桥梁有限元模型,分别以移动荷载和移动质量模拟车辆,对高速行驶的列车与简支桥梁的动力响应进行了研究和比较,比较了两种方法的可靠性及适用条件。     

车辆与桥梁动力相互作用简化方法研究

通过有限元分析软件建立桥梁有限元模型,以移动荷载和移动质量模拟车辆,对不同工况下高速行驶的列车与简支桥梁的动力响应进行了研究和比较,比较了两种方法的可靠性及适用条件.     

蜡晶析出沉积与水合物结晶生成耦合热力学与动力学研究进展

在深水油气田开发过程中,高压、低温的环境,使得具有高含蜡、高凝点、高黏度特性的油气,在从油藏到下游设备的输送体系内,面临着蜡和水合物同时存在的可能,这会极大地增加流动堵塞风险,从而加重输送体系的安全隐患.因此,开展蜡和水合物共存体系的耦合研究,具有十分重要的意义,是流动保障的重要研究课题之一.本文分别从热力学和动力学两方面,简要总结了蜡和水合物单独存在体系的研究成果,重点阐述了在此基础上所开展的二者共存体系耦合的初步研究,结合在高压反应釜和环道开展的探索实验对其进行简要分析.指出应在已开展的蜡与水合物热力学和动力学独立研究的基础上,开展二者耦合研究:在二者耦合热力学研究方面,应选用能更好地描述液相和固相非理想性的改进模型,抓住二者共存体系组分在各相中的分布变化,建立有效而精确的耦合热力学计算模型,以深入理解蜡与水合物之间相态行为的相互影响机理;在耦合动力学研究方面,应借助可视化的测试手段和实验仪器,分析二者共存体系固体颗粒与乳化液相的微观分布机理,探究蜡分子扩散机理、水合物界面吸附与生长特性,综合考虑复杂的多影响因素,从蜡晶对水合物生成、水合物对蜡晶析出沉积影响的两方面分别着手,以获得蜡与水合物之间动力学行为的相互作用机理.     

结构阻尼比对高速列车作用下桥梁动态响应的影响

车桥动态响应问题随着越来越多动车组的运行日益受到工程界的关注.通过有限元分析软件建立桥梁有限元模型,以移动质量模拟车辆,对不同工况下高速行驶的列车与简支桥梁的动力响应进行了研究和比较,得出了阻尼比对桥梁震动的影响.     

多能源耦合系统的运行优化与改进分析

建立含有光伏系统、传统天然气三联供能源系统、储能系统、热泵系统等的多能源耦合系统运行优化模型.考虑各个主要设备耗电量,以运行费用最优为目标函数,针对不同典型日负荷需求,采用智能群优化算法获得系统的运行参数,进而分析研究多能源耦合系统的运行特性,并在原能源系统的基础上,针对原设计方案发电容量较小,分析研究如何进一步降低系统运行费用的改进方案.结果表明,基于萤火虫优化算法构建的多能源耦合系统的运行优化模型,可较为准确地求解多能源耦合系统运行状态参数;在能源系统原设计基础上,通过增加燃气内燃机机组的容量,可以显著降低典型日能源费用;制定合理的上网电价政策,可进一步降低运行费用.     

车辆与桥梁动力相互作用简化方法研究

通过有限元分析软件建立桥梁有限元模型,以移动荷载和移动质量模拟车辆,对不同工况下高速行驶的列车与简支桥梁的动力响应进行了研究和比较,比较了两种方法的可靠性及适用条件。     

基于功交互作用的耦合系统随机能量共振控制

分析了耦合系统与外界作用力的交互作用, 从做功与能量的角度提出了控制随机能量 共振的方法. 根据二维耦合Langevin 方程的随机动力学特性, 采用微观动力学和宏观热力学 方法, 建立了基于单一随机轨线的耦合系统的热力学关系. 通过调节施加于控制系统的周期 性外力, 定量刻画了作用于被控系统的输入力对耦合系统做功的大小与能量转换关系. 结果 表明, 控制信号能控制耦合系统与输入力和噪声之间的相互作用, 能有效地控制耦合系统的 随机能量共振.     

结构阻尼比对高速列车作用下桥梁动态响应的影响

车桥动态响应问题随着越来越多动车组的运行日益受到工程界的关注。通过有限元分析软件建立桥梁有限元模型,以移动质量模拟车辆,对不同工况下高速行驶的列车与简支桥梁的动力响应进行了研究和比较,得出了阻尼比对桥梁震动的影响。     

大陆动力学的哲学探索

板块构造学说不能合理地解释大陆地质现象。本文从大陆地质事实出发，采用系统的哲学观，探讨大陆造山带与盆地的耦合关系，渐变与突变的内在联系，水平运动与垂直运动的转换过程，地球运动、岩石圈运动与大陆地壳运动的制约关系，指出大陆下地壳层流运动和大陆盆山耦合作用构成大陆动力学的基本结构体系     

地球表层物质运动的生态效应

地球表层的研究涉及到地质、地理、生态、生物、气象、水文、医药、海洋、天文、物理、化学和计算机科学等诸多学科或领域,其中有关生态系统的研究是最重要的方面,也是有关地球表层研究的核心问题所在.本文基于地球表层新概念,就地球表层巨系统的物质运动(包括固体圈、气液圈、有机圈三大系统及其子系统的相互作用)对生态系统可能产生的作用或影响以及各系统或子系统的物质运动可能带来的生态效应进行了探讨和论证.     

量子化广义sh-Gordon系统的完全可积性

共形对称破缺的完全可积场论是二维共形场论最新发展中一个活跃的方向.这种理论从已知的共形场论模型出发,通过加入微扰或构造约束体系的方式,建立共形对称破缺的耦合理论,并研究其可积性质、因子化散射矩阵及关联函数,以期了解共形场论体系的临界外行为.共形破缺可积场论最引人注目的特点是:虽然在加入耦合后体系不再保持共形对称性,但它仍保持有无穷多守恒流,仍然是完全可积系统.WZNW模型是典型的非Abel共形场论体系.设g(x)是取值在某个单Lie群或仿射群上场量,则此模型可由一有效作用量定义如下:     

考虑复杂机架柔性的并联构型装备刚度半解析建模方法

刚度建模是并联构型装备(PKM)设计的重要内容. 以5自由度混联机器人TriVariant-B为例, 提出了一种考虑复杂机架柔性的并联构型装备整机静刚度半解析建模方法. 该方法借助子结构综合思想, 将整机结构分解为机构和机架两个子系统, 分别采用解析法和有限元静态凝聚技术建立两者的刚度模型, 继而根据线性叠加原理构造整机刚度模型. 在建模过程中, 利用虚功原理和全变形雅可比矩阵构造出各子系统的刚度矩阵, 并侧重研究约束支链弯曲刚度及机架/机构界面刚度处理问题. 在此基础上, 考察整机系统刚度在任务空间中的分布规律, 借助全域性能指标评价各子系统中主要构件弹性对整机刚度的影响, 并通过有限元和实验验证了该方法的有效性