高速列车动力学系统综述素材.pdf
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2022-11-24
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列车运行速度的提高,动力作用的加剧,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,而且需要开展与高速列车运行相适应的车辆系统、轮轨关系、弓网
关系和流固耦合关系的研究. 因此,传统的车辆系统动力学应该拓展到与列车运行相关的因
素和领域,全面开展以高速列车为对象,考虑线路、接触网和气流耦合作用的高速列车耦合大
系统动力学的研究.
系统的基本组成：
高速列车耦合大系统动力学的概念,研究的主体从车辆系统拓展到列车(高速动车组),同时考
虑高速列车与线路、接触网和气流的相互作用.高速列车耦合大系统动力学以轮轨相互作用
模型为基础,以传统的车辆系统动力学为核心 .向上,通过弓网关系,研究接触网系统的振动问
题和接触网与受电弓的匹配关系 ;向下,通过轮轨关系 ,研究车-线耦合振动问题 ;周向,通过流
固耦合关系,研究气流和列车的相互作用.高速列车耦合大系统的基本组成除了包括线路、列
车和接触网外[1],还应考虑空气作用,通过轮轨关系、弓网关系和流固关系实现各子系统之间
的耦合.高速列车耦合大系统框架如图 1 所示.
图 1 高速列车耦合大系统框架
系统特殊性:
研究铁路系统需要解决如下 3 个基本问题:
(1)尺度效应.对于列车,长度少则几百米,多则几千米,支撑列车并传递牵引或制动力的轮轨接
触斑,仅几毫米到十几毫米 ,尺度的比例达到百万倍 .这样的尺度差别不仅给精确建模和计算
带来难度,而且也给试验研究带来困难.
(2)时间效应.机车车辆的服役周期一般为 25~30 a,其性能随运用时间的增加而改变.引起性能
蜕化的因素除结构失效外,更多的是参数的时变特性.时变还给系统建模、表征和实验研究带
来困难.
(3)空间效应.我国幅员广阔 ,列车东西南北穿行 ,长途跋涉.这种空间上的跨度 ,造成线路结构
(线桥隧)千变万化,温度、湿度、气压、风沙、冰雪和紫外线等都会一日三变,需在系统表征
和研究中考虑.铁路系统存在轮轨关系非线性 ,线路结构和环境还存在随机因素和随机干扰 .
由于研究中存在客观障碍,以至于至今无法对铁路系统进行精确建模.复杂混合系统的精确建
模、高维非线性系统的运行稳定性和随机振动研究,是对传统的高速列车系统动力学的挑战,
也是未来发展的方向.
系统模型：
高速铁路系统是由弹柔性体(接触网)、多刚体(主要指机车车辆结构)、连续弹性体(钢轨)、离
散体(枕木)、板壳(板式轨道)、非规则碎散堆积体(石碴道床)和土结构(路基)组成的混合系统,
列车又与流体(空气介质)相互作用.高速列车耦合大系统动力学研究,突破传统的建模方式,实
现复杂混合系统的一体化建模.一方面,要考虑系统的耦合作用,建立考虑线路、列车、接触网
和气流子系统在内的大系统模型;另一方面,应考虑由多体和多态组成的混合耦合系统的系统
建模.
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