（光学工程专业论文）主动悬挂摆式列车组运行性能的研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第日 页 值 。 磕 过 对 摆 式 动 车 倾 摆 与 否 的 仿 真 分 析 比 较 ， 得 出 了 采 用 动 力 集 中 型 式 的 摆 劫 车 时 动 力 车 可 以 不 发 生 倾 摆 ， 而 采 用 动 力 分 散 型 式 的 摆 式 动 车 组 时 ， 动力车必须参与倾摆的结论。 最后通过对列车组与单个车辆进行系统动力学 仿真结果的比较，得出了开发新型机车车辆转向架时可以 用单个车辆的系统 动力学仿真分析代替列车动力学分析，而开发高速列车时应该充分考虑列车 动 力 学问 题的结论。 、 ;j 关键词:径向转向架:摆式列车;倾摆控制;列车横向动力学;主动悬挂 西南交通大学博士研究生学位论文第i i i 页 a b s t r a c t b e c a u s e o f i t s s p e c i a l f u n c t i o n t h a t i t c a n t i l t t h e c a r - b o d y w h e n n e g o t i a t i n g c u r v e , t h e t i l t i n g t r a i n c a n r a i s e t h e c u r v i n g s p e e d w i t h o u t r e d u c i n g t h e p a s s e n g e r s r i d e c o m f o rt . a t t h e s a m e t i m e , t i l t i n g t r a i n c a n s a v e e n e r g y w i t h a v o i d i n g f r e q u e n t s p e e d - u p o r s p e e d - d o w n . s o , i t i s d e l i v e r e d o f t h e fi r s t c h o i c e f o r i n c r e a s i n g s p e e d o f e x i s t i n g t r a c k i n t h e w o r l d . p r o c e e d i n g f r o m t h e p r o b l e m o f t h e mi d w e s t m o u n t a i n o u s a r e a e x i s t i n g t r a c k s i n c r e a s i n g s p e e d , a n d c o m b i n i n g w i t h t h e s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t p r o j e c t f o r t h e mi n i s t r y o f r a i l w a y s , t h i s t h e s i s a n a l y s e s t h e d y n a m i c s b e h a v i o r f o r t h e t i l t i n g p o w e r e d t r a i n - s e t ( 2 m2 t ) f o r t h e f i r s t t i m e i n o u r c o u n t r y . i t a l s o s t u d i e s t h e i n fl u e n c e o f a c t i v e c o n t r o l t o t h e t i l t i n g c o a c h s r i d e q u a l i t y a t t h e s a m e t i m e . t h e e m p h a s e s o f t h i s p a p e r a r e t h a t m e t i c u l o u s a n a l y s i s , r e s e a r c h e s a n d c a l c u l a t i o n f o r t h e t i l t i n g t r a i n s b o g i e i n c o n c e p t s e l e c t i o n , d e s i g n , p a r a m e t e r s o p t i m i z i n g a n d d y n a m i c s b e h a v i o r e t c . t h e w o r k i s d e t a i l e d : a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r o f t h e t i l t i n g t r a i n , a n i n t e g r a t e d d y n a m i c s m o d e l f o r t h e t i l t i n g t r a i n - s e t ( 2 m2 t ) i s b u i l t f o r t h e f i r s t t i m e . a l l o f t h e l a t e r a l s t a b i l i t y a n d r e s p o n s e o n t h e t a n g e n t t r a c k a n d c u r v e n e g o t i a t i o n o f t h e t i l t i n g t r a i n - s e t s y s t e m a r e p u t t o g e t h e r i n t o t h e i n t e g r a t e d m o d e l . f u rt h e r m o r e , t h e i n s t i t u t i o n f o r t h e c o n v e n t i o n a l b o g i e , s e l f - s t e e r i n g b o g i e a n d f o r c e d - s t e e r i n g b o g i e a r e a l s o me r g e d i n t o t h e m o d e l . t h e d y n a m i c s f u n c t i o n f o r e a c h r i g i d b o d y o f t h e t i l t i n g t r a i n - s e t a r e m a d e , a n d t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n p r o g r a m i s e s t a b l i s h e d . a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e m e n t o f t h e l a t e r a l f o r c e f o r t h e t i l t i n g t r a i n c u r v i n g f a s t e r , t h i s p a p e r a n a l y s i s t h e m e c h a n i s m a n d d y n a m i c s b e h a v i o r f o r c o n v e n t i o n a l b o g i e , s e l f - s t e e r i n g b o g i e a n d f o r c e d s t e e r i n g b o g i e . t h e c o n c l u s i o n i s f o r c e d - s t e e r i n g b o g i e w h i c h c a b b e u s e d f o r t h e t i l t i n g c o a c h . a n d t h e n t h e p a r a m e t e r s o f t h e s t e e r i n g m e c h a n i s m a n d s u s p e n s i o n s y s t e m o f t h e b o g i e a r e o p t i m i z e d . f u rt h e r m o r e t h i s t h e s i s s e l e c t s t h e s c h e m e o f t h e t i l t i n g m e c h a n i c a l a n d a n a l y s i s w h a t t h e p a r a m e t e r s o f t h e f o u r b a r l i n k a g e t i l t i n g m e c h a n i s m i n fl u e n c e t h e t i l t i n g a n d d y n a m i c s b e h a v i o r o f t i l t i n g c a r , t h e n 西南交通大学博士研究生学位论文第i v 页 o p t i m i z e s t h e m . u s i n g t h e o p t i m i z e d r e s u l t s , t h e p r a c t i c a l b o g i e f o r t i l t i n g c o a c h h a s b e e n d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e d , c o o p e r a t i n g w i t h t h e t a n g s h a n l o c o m o t i v e a n d r o l l i n g s t o c k wo r k s . t h e b o g i e h a s p a s s e d t h e e x a mi n a t i o n o f t h e r o l l i n g t i l t i n g t r a i n ; t i l t i n g c o n t r o l ; l a t e r a l t r a i n d y n a c t i v e s u s p e n s i o n a m i c s ; 一 一 一 一 一 一 - - - - - - 编号: 2 0 0 1 2 7 科 技 项 目 查 新 报 告 止 项目名称 委托单位继 玲( 西 南 交 通 大 学 机 车 车 辆 所) 查新单位 认证单位 认证时间2 0 0 1年 3月 2 6日 !1!、j诸.且.， 查新类别:开题口、成果口、专利口、新产品口、博士论文日 课题特点: 1 . 建立了 摆式列车组动力学仿真的统一模型，将常规转向 架、自导向径向 转向架和迫导向径向转向 架三种转向架以及直线运行.1 4 稳性、稳定性和曲线通过性能等问 题的研究都归结到这统一模型中。从 工程应用的角度分析厂 的三种转向架的区别，提出了采用迫导向 径向 转向架作为我国首列自 行研制的 摆式列车的客车转向架方案:研究并设计了摆式客车迫导向径向转向架. 对其悬挂系统和导向机构的 参数进行了 优化分析，就倾摆机构参数对倾摆性能和动力学性能的影响进行了 分析比较，得到的最后 结果用在实际生产的迫等向径向转向架上，并通过了滚动振动试验台和线路试验.分析了车端联接装 置对列布动力学性能的形响， 提“ 1 车端联接装置刚度的限定值:比 较了列车动力学和车辆系统动力学 的差别，提出在进行高速列车和摆式客车的研制时，应考虑列车动力学性能。对摆式列车中动力车倾 摆与否的动力学性能进行分析比较，得出在动力集中模式下， 摆式动车可以 不发生倾摆.而采用动力 分散时，动力车必须参与 倾摆。 2在动力学统一模型的荃础 l ，分析了 倾摆控制系统参数、滞后时间 和控制失效等问题对摆式客车而 线通过性能的形响，提出动力学性能对倾摆控制系统的要求。 查新范围: 省 内 口 、国 内 e l ,国 外 n j 检索手段: 手 检 16、机 检 9 、光 盘日 检索时间范围: 1 9 9 0年 至 2 0 0 1年 检索主题词 ( 或关键词) 、分类号: 摆式列车径向转向架列乍动力学土动悬挂倾摆控制 t i l t i n g t r a i n s t e e r i n g b o g i e t r a i n d y n a m i c s a c t i v e s u s p e n s i o n t i l t i n g c o n t r o l 中图法分类号:u 2 2 7 ; u 2 2 9 检索范围: i .关国t . 程索引 e l )( 光盘1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 2 、英国科学文摘 i n s p e c )( 光盘)1 9 9 0 - 2 0 0 0 .8 3 、中国学术期刊全文 数据库1 9 9 6 - 2 0 0 0 . 1 2 4 、中文科技期刊篇名数据库 ( 光盘1 9 8 9 - 2 0 0 0 . 1 2 5 、外文科技期刊篇名数据库 ( 光盘)1 9 9 6 - 2 0 0 0 . 1 2 6 .铁道文摘1 9 9 0-2 0 0 0 . 1 0 7 、中文科技资料目 录一铁路一1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 8 , c a l i s 学 位 论 文 库气f 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 9 .国外铁道乍辆1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 1 0 、中国铁路1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 1 1 . 铁道学报1 9 9 0 - 1 9 9 9 . 1 2 1 2 、铁道车辆1 9 9 0 - 2 0 0 0 .6 1 3 . r a il w a y g a z e tt e i n t e rn a t i o n a l 1 9 9 0 - 2 0 0 0 .6 1 4 , j a p a n e s e r a i l w a y e n g in e e r i n g 1 9 9 0 - 2 0 0 0 .8 1 5 . i t e j o u rn a l 1 9 9 0 - 2 0 0 0 .6 1 6 . q u a rt e r l y r e p o rt o f r t r i 1 9 9 0 - 2 0 0 0 . 1 2 检索结果 文献篇名和来源 ( 著者、刊名或专利、卷、期、页、年) 相 关 文 献 或 参 考 文 献 i ,国外摆式列车及其转向架的发展 ( 待续) ( 续八) 。杨国祯等，铁道车辆，1 9 9 9 ( 7 ) - 2 0 0 0 ( 3 ) 2 ,摆式列车倾摆机构控制系统可靠性分析，截小文 严隽宋 卜 继玲，西南交 通大学学报，2 0 0 0 ( 1 ) 6 9 - 7 1 3 , 摆 式 客 车 机电 式倾 拙系 统 研究， 倪 文 波， 刘荣， 铁道学 报， 1 9 9 9 ( 5 ) 2 0 - 2 3 4 , 摆式列车控制系统的试验模拟及j 普棒控制的研究，杨名利，西南交通大学博卜 学位论文， 1 9 9 8 .3 5 , 摆式客车自 适应控制设计r 仿真研究，舒兴高 贺启庸，铁道学报，1 9 9 7 ( 3 ) 2 5 - 3 1 6 , 摆式列车对线路横向作用力的分析，唐玉生， 铁道技术监督，1 9 9 7 ( 2 ) 2 2 7 , 摆式客 车研究中的几个关键问 题， 舒兴 高， 铁道机车车辆，1 9 9 8 ( 3 ) 1 1 - 1 6 8 , n e w t r a i n c o n t r o l s y s t e m f o r t h e s e c o n d g e n e r a t io n o f t i lt i n g v e h i c le o f t h e g e r m a n r a i l w a y s . mu e l l e r b e m d . r o s e n k r a n z ( j e w , l e h m a n n u lr ic h , j o u r n a l f o r r a i l w a y a n d t r a n s p o rt . 2 0 0 0 ( 7 ) 4 0 1 - 4 0 6 9 , l a t e r a l s e m i - a c t i v e s u s p e n s i o n o f t i lt i n g t r a i n , s a s a k i, k i m ia k i, q u a rt e r ly r e p o rt o f 盯r i , 2 0 0 0 , 4 1 ( i 川 - i 5 1 0 . t i lt in g t r a i n s a n d b e y o n d - t h e fu t u r e f o r a c t i v e r a i l w a y s u s p e n s io n s . p a r t 1 . i m p r o v i n g p a s s e n g e r c o m f o rt . g o o d a l l , r o g e r , c o m p u t in g a n d c o n t r o l e n g i n e e r in g j o u rn a l. 1 9 9 9 % 1 0 ( 4 ) 1 5 3 - 1 6 0 i 1 、p a n t o g r a p h f o r t i l t i n g t r a i n s . s c h n e i d e r , r i c h a r d , i e e c o l lo q u i u m ( d i g e s t ) n 5 0 9 , 1 9 9 8 . i e e , s t e v e n a g e , e n g l . 2 / 1 - 2 / 6 1 2 , c o n t r o l a n d o p e r a t io n o f t i l t i n g t r a in s e rv i c e s , s c h m i d f . ， p r o c e e d in g o f t h e i n s t i t u t io n o f m e c h a n ic a l e n g i n e e r s , p a rt f : j o u rn a l o f r a i l a n d r a p i d t r a n s it , 1 9 9 8 ( 1 ) 7 3 . 8 4 1 3 , b o g ie - b a s e d t i lt o p t io n 一s im p l ic ity a n d b e x b i l i t y , h u b e r , b .h ., p r o c e e d i n g o f t h e i n s t i t u t io n o f m e c h a n ic a l e n g i n e e r s , p a r t f : j o u r n a l o f r a i l a n d r a p i d t r a n s it , 1 9 9 8 v 2 1 2 ( 1 ) 1 9 - 3 2 1 4 , i n tr o d u c t io n : t h e o ry o f t i lt i n g t r a i n b e h a v i o u r , h a r r i s n . r ., s c h m id e ， s m ith r .a ., p r o c e e d i n g o f t h e i n s t itu t io n o f me c h a n ic a l e n g in e e rs , p a rt f : j o u r n a l o f r a i l a n d r a p id t r a n s it, 1 9 9 8 v 2 1 2 ( 1 ) i - 6 1 5 , s im u la t io n a s a t o o l f o r n e w p a n t o g r a p h d e s i g n , v e n d a r m i n , b a l d a u f w i lh e l m , k o rt u e m wi l l i , e is e n b a h n i n g e n ie u r , 1 9 9 8 v 4 9 ( 2 ) 7 0 . 7 3 1 6 , t i lt in g t r a i n s y s t e m o f t h e e t 2 0 0 0 t t e x p e r i m e n t a l v e h i c le , w o r b s s t e ff e n , j a e k e r a i n e r , j o u r n a l f o r r a i lw a y a n d t r a n s p o rt , 1 9 9 8 v 1 2 2 ( 8 ) 3 2 9 - 3 3 6 t 1 7 : f i a t c l a n s t h i r d - e e n e r a t i o n p e n d o l i n o , a n o n , r a i l w a y ga z e tt e i n t e rna t i o n a l . 1 9 9 0 04 6 ( 1 2 ) 9 4 9 i ts . t u n n g s y s t e 甲 s o n r a u w a y v e n ic te 一 a e v e ro p m e n t p r o w e m s a n a a p p u c a n o n s . l o s o r re r a n t o n ro , n u a a le sse itd ro , z e itsc h rift fu e r e ise n b ah m v e sse n a n d v e rk e h rste c h n ik -g la se rs a n n a len , 19 8 9 (6 -7 ) 6 了 ， ， 才 查 新 结 论( 包含相关文献对比分析) 根据本论文的特点， 选择确定了上述检索范围和检索词， 共查出相关文献 1 8篇，与 本论文特点分析对比，归纳如下: 文献 1 介绍了国外摆式列车发展的历史、 现状， 着重介绍了 意大利、 瑞典、西班牙和 日 本等国的摆式列车及其转向 架的情况。文献 2介绍了 影响倾摆机构可靠性的故障树， 提出了用网络技术实现控制系统的冗余，给出了自 动转换装置和网 络技术的具体实现方 法。文献3 对摆式客车采用机电 式倾摆系统进行了研究， 研制了机电式 倾摆机构。 文献4 通过对摆式列车控制系统试验模型的辨识研究，提出了 采用鲁棒控制的方法来实现对摆 式列车车体倾摆的控制， 进行了试验分析。文献 5以x 2 0 0 0摆式列车为例，建立曲 线通 过的动力学方程，设计了p d反馈控制器和自 适应控制器， 并进行了仿真计算。 文献6 分 析了摆式列车在提高既有线速度的同时对曲线外轨的横压增大问题进行了分析。文献 7 介绍了儿种代表性的车型及特点，对摆式客车的倾摆机构、控制系 统、转向架的结构形 式进行了分析。文献8 简要介绍了德国第二代摆式列车i c e t 和i c e t d的新型控制系统 z u b 2 6 2 o 文献 9分析了车体控制作用，提出了一种安装倾摆减振器的 主动悬挂方法。 文 献1 0 从改善乘客的舒适性出发，分析了土动倾摆技术和二系土动悬挂方案。 文献i i 从摆 式列车的倾摆作用对弓网系统的影响出发，提出了摆式动车受电弓 的解决方案。文献 1 2 阐述了 摆式列车的提速应用前景和在英国的发展历程。 文献 1 3介绍了 瑞十摆式列车的 转 向架和机电式倾摆装置。文献1 4 简要分析了 摆式列车倾摆原理和提高曲 线通过速度作用。 文献 1 5 提出了采用仿真技术进行高速摆式受电弓设计的优点，说明了仿真方法的可靠性。 文献 1 6介绍了 德国为发展摆式电动车组而进行的试验. 包括对液压作动器、 转向 架的模 型仿真与试 验分 析。 文献 1 7 介绍了f i a t 公司 研制的 第三 代摆式列 车e t r 5 0 0 及其采用独 立轮对转向架的思想。文献 1 8分析了土动倾摆和被动倾摆对性能的影响， 介绍了意人利 p e n d o l i n o 系统及其试验和运行情况。 综上所述，国内外关于 摆式客车上动控制、 转向 架、受电弓及动力学仿真等方面进行 了大晕的研究，尤其是国外随着摆式列车的发展，得到了大星的实际研究、试验和运行 经验。本论文以 我国首列自 行研制的摆式列车为研究内容，建立了 2 m 2 t的摆式列车组 动力学统一模型，将常规转向架、白 导向径向转向架和迫导向径向转向架三种转向架以 及运行平稳性、稳定性和曲 线通过等动力学问题归结到统一模型内，设计了实际应用的 摆式客车迫导向径向转向架， 通过了滚动振动试验台试验和线路试 验，并得出动力分散 型摆式列车的动力车必须参与倾摆的结论。并且利用这一统一模型，深入研究了倾摆控 制系统参数、滞后时间和控制失效对摆式客车动力学性能的影响， 提出了动力学性能对 倾摆控制系统的要求。 在上述范围内及检索到的文献中，均未见到与本论文相同的文献报道。 r “ 一 、 查新人员 n* a啊 , .聪 d 二 2 = ， . : 。 二 “ 3 扩衬常新告调都i 1 飞 少 份: 犷、 丫峨 审 核 者 -一 、 一 一、 元 点 写 一 时间 y -l 年子月知 日 蒸举a 西南交通大学博士研究生学位论文第 1页 第 1 章绪论 1 . 1论文选题背景 我国 地域辽阔， 人口 众多，内 陆 深 广， 多 少 年来铁路运输以 其 运量大、 能耗省、 快捷安全、 运价低廉赢得社会的青睐， 成为综合运输中的龙头老大。 但是，在我国实行改革开放政策，国民经济得到一定发展以后，作为国民 经济大动脉的铁路运输运能和运量的矛盾越来越突出，成为制约国民经济 发展的一个 “ 瓶颈”问题。在2 0世纪六、七十年代，世界上各经济发达国 家和一些发展中国家注意到了经济发展与交通运输的矛盾，纷纷致力于高 速列车的研究、发展，诞生了如法国的t g v 、德国的i c e和日本的新千线 等高速列车。然而在当时的我国铁路运输事业基本上处于一种停滞状态。 更为主要的是，我国铁路运输技术政策的制定部门也没有充分认识到提高 列车运输速度的重要性。在 1 9 8 3年和 1 9 8 8年两次颁布的 铁路主要技术 政策都只说明要 “ 大力提高列车重量，积极增加行车密度” ，而对于 “ 行 车速度”仅要求 “ 适当提高” 。即当时的技术路线还停留在 “ 大重量、高密 度、中速度”的粗放阶段。因此多年来铁路客、货运的速度提高极为缓慢。 例如自1 9 7 0年至 1 9 9 0年的 2 0年间，客运平均旅行速度由4 2 . 1 k m / h提高 到 4 6 . 3 k m / h ，年均仅提高 0 . 2 1 k m / h .货运速度更是由 3 0 . 3 k m / h降低到 2 9 . 2 k m / h ，年均降低0 . 0 5 5 k m / h l a 进入9 0 年代，改革开放初见成效，国民经济迅猛发展，人民生活水平 提高，时间价值观念增强，提高客、货运速度己成为运输市场的客观需求。 与此同时，航空运输业和公路运输业在国民经济发展的刺激下得到了前所 未有的发展，尤其是随着国际贸易的增加，时间价值观念的增强，航空运 输在长途运输上有着独到的优势。而随着各地纷纷修建高速或高等级公 路，在短途、中长途的旅客和货物运输上公路运输有着灵活自由的优点. 这样铁路运输在社会运输市场上所占的市场份额受到了很大的冲击。有关 统计数字表明，从 1 9 8 0年至 1 9 9 5年的 1 5年间，铁路占全国大交通份额 的百分比，旅客周转量从 6 0 .4 %下降到 3 9 . 4 %，货物周转量从 6 7 .3 %下降 到 5 3 . 7 %0 1 9 9 4 年开始，更是出现了连续五年的全行业亏损。2 j 在如此严峻的市场经济竟争形势下，我国铁道部己充分认识到提高运 输速度的重要性。为了挽救铁路运输业，重振铁路运输的雄风，1 9 9 3年修 西南交通大学博士研究生学位论文 第 2页 订的 铁路主要技术政策将 “ 适当提高行车速度”改为 “ 努力提高行车 速度” 。其直接结果是到 1 9 9 7 年全路客运平均旅行速度已提高到5 3 . 3 k m / h , 货运平均旅行速度已达到 3 1 . 4 k m / h o 1 9 9 6年 1 0月3日铁道部提速领导小 组制定了 k 九五”期间全路提速规划 ，把提高旅客列车速度作为四大战 略部署之一，提出 “ 重视解决客运问题”以及 “ 从实际出发，因地制宜、 区别对待，采取普遍提高与局部突破相结合的方针” ，标志着提高行车速度 作为铁路发展的战略任务，加快了前进步伐。铁道部在 1 9 9 9年新拟定的 铁路主要技术政策 ，提出要 “ 普遍提高行车速度，适当加大行车密度， 合理增加列车重量” ，把提高行车速度放在铁路运输更为重要的地位。1 9 9 7 年 4月 1日实施新列车运行图，对京广、京沪和京哈三大千线实施全面提 速，开行最高速度达1 4 0 k m / h ,旅行速度在9 0 k m / h以上的快速列车;1 9 9 8 年、1 9 9 9年两次编制新的列车运行图，除在广深线上开行高速、准高速列 车外，在繁忙干线上开行了大量的快速和旅游列车，最高速度已达 1 4 0 - 1 6 0 k m / h ，旅行速度达 1 0 0 k m / h o 2 0 0 0年 1 0月2 1日，我国铁路实施第三 次大面积提速，将亚欧大陆桥的陇海线和兰新线、京九线和浙赣线进行重 点提速，实现了我国路网中主要干线的普遍提速，形成了我国铁路 “ 四纵 两横”的提速路网.至此，我国铁路运输已基本上达到一个较高水平!2 - 4 1 但是与主要干线普遍提速的形势很不协调的是在我国广裹的西南山区 和东部丘陵地区的线路上铁路运输水平依然很低，例如西南山区的成渝 线、成昆线和东部丘陵地区的胶济线、鹰厦线等。其主要原因是在这些地 区的铁路线路受到地形、地貌的限制，修建年代又相对较早，线路的等级 较差，线路的曲线多、且曲线半径都较小。而曲线又是限制列车运行速度 的一个主要因素，因此这些线路上的运行速度一直较其他繁忙干线低，竞 争力也就更低。例如西南山区的成渝铁路，全长 5 0 5 k m，特快列车的旅行 时间约为1 0 小时， 旅行速度只有5 0 . 5 k m / h ， 卧铺票价为 1 2 0 元左右。 而1 9 9 5 年建成的成渝高速公路全长 3 4 0 k m ，设计时速为 1 2 0 k m / h ，豪华大巴客车 的旅行时间为3 . 5 -4 小时， 票价为 1 0 0 元左右。 因此与成渝高速公路相比， 形成了火车没有汽车快而火车票价比汽车票价高的不利局面，再加上汽车 运输所固有的方便性，铁路运输基本上没有竞争能力5 - 9 因此在这些非繁忙干线上，铁路运输所面临的竞争也是十分严峻的。 也就是说，在繁忙干线要提速，在山区干线也应该提速。尤其是为了与中 央提出的 “ 西部大开发”决策相适应，在规划上应当对中西部山区铁路提 速予以应有的重视，在投资上应当统筹兼顾不应偏废。 西南交通大学博士研究生学位论文第 3页 在这些线路上，由于受到地形、地貌的限制，要想依靠大幅度提高线 路标准或修建新线或第二线来提高列车运行速度，其工程量、投资都非常 大;而且这些线路所经过的地区的经济发展还没有达到较高水平，客流量 不象京广线、京沪线那么大，投资的回收率低。与此同时为了与全国铁路 运输普遍提速相适应，只能在不进行大量的线路改造工作的前提下，依靠 提高机车车辆技术来适当的提高这些线路上的运输速度。即如何在既有线 路上来提高旅客运输速度这个问题就摆在我们铁路技术研究人员面前。 采用摆式列车是解决既有线路上提高旅客运输速度的有效途径。目前 世界上己经有很多国家采用了摆式列车，成功地提高了客运速度。例如北 欧的瑞典，其地理环境与我国中西部差不多，都是多山地区，瑞典铁路部 门也希望能以比较小的投资，通过提高曲线通过速度来提高列车平均速 度、缩短旅行时间。因为根据瑞典的客流量，不值得象法国、德国那样花 大量的投资来修建平直的高速铁路来提高铁路运输速度。瑞典铁路部门自 1 9 9 0 年开始采用著名的摆式列车x 2 0 0 0 在首都斯德哥尔摩与哥德堡之间服 务。这两地之间共 4 5 7 k m，采用一般特快列车不停车运行时间为4小时0 5 分钟，采用 x 2 0 0 0后下降到3小时，减少旅行时间2 5 %。在 1 9 9 0年采用 x 2 0 0 0之前，铁路的年客运量为 7 0万人次，到 1 9 9 5 铁路的年客流量上升 到 1 2 5万人次，上升 7 8 %。可见采用摆式列车提高旅客运输速度的效益非 常明显o o l 。与瑞典类似的，欧洲的西班牙、意大利以及亚洲的日本均通过 采用摆式列车获得了巨大的成功。即使是高速列车非常发达的德国和法国 也对摆式列车非常感兴趣，将其作为联接高速线和常规线的车辆。 1 . 2 采用摆式列车提高旅客运输速度的原理 所谓摆式列车，也称之为可倾车体式列车，即车体可以相对轨道平面 纵向轴转动，当列车进入曲线时，车体通过倾摆装置向曲线内侧倾斜，以 全部或部分抵消车辆较大的离心力作用，从而可以以较高的速度通过曲 线。 1 . 2 . 1列车通过曲线时的离心力与离心加速度 列车通过曲线时，车辆和旅客都要经受离心力。按常规，将离心加速 度的量纲以重力加速度g ( 9 . 8 i m / s 2 )表示，则有 vz 9。 =一 : 万lg) g k ( 1 一 1 ) 西南交通大学博士研究生学位论文第 4页 式中:v 一一列车通过曲线时的速度，m / s ; r 一一曲线半径，ma 离心加速度影响着旅客乘坐的舒适度。因为当列车通过曲线时，车上的 旅客经受的离心力为列车离心加速度与旅客本身质量之乘积，离心力的方向 指向轨道外侧，平行于水平面。当车辆运行速度不高或曲线半径很大时， 旅客不易觉察离心力的作用，但当列车运行速度增大或曲线半径小到一定 程度，旅客就会感到不舒适。关于旅客能承受的离心加速度，国内外铁路 进行了大量的试验，加上一些实践经验，表明对于普通旅客，离心加速度 小于 0 . 0 4 g时一般是不会觉察的， 0 . 0 7 7 g是能长时间承受的离心加速度限 值， o . l g 是能承受的 不频繁离心加速度的 极限 值， 一 ” 】 . 为了减少列车通过曲线时旅客经受的离心加速度，国内外铁路都采用在 曲线上设置超高的办法 ( 这也是提高列车曲线通过速度的一种方式) 。曲线 超高一般都设置在外轨上，而内轨保持原来的高度不变，这样一来，轨道平 面不再保持水平面，而是与水平面之间呈一 定夹角，这个角称为超高角，其大小可以用 来表示线路超高的程度。 当曲线上存在超高时，车辆向曲线内 侧倾斜，如图 1 - 1所示。旅客本身重力在 轨道平面内有一个指向曲线内侧的横向分 量，其方向恰好与离心力方向相反，重力 的横向分量与离心力的横向分量可以互相抵 消一部分。线路存在超高后旅客经受的离心 加速度为 式中:h 外轨超高量， ( 9 )( 1 - 2 ) m m : h一5 - 尸一gr gc= 图 1 - 1超高对车辆受力的影响 s 轮对滚动圆横向跨距，对于标准轨距，s = 1 4 9 3 m m, 如果在式( 1 -2 ) 两侧各乘以s ，则得: y e s 、 = 9 1 “ 丽一 ” m m ) ( 1 - 3 ) 如果h d o ，即离心加速度大于重力加速度的横向分量，h d 称为欠超高 如果 h , 0 ，即 离心加速度小于重力加速度的 横向 分量，句称为过超高; 如 果 h d = 0 ，即离心加速度恰巧与重力加速度的 横向 分a相平衡，这时列车的 西南交通大学博士研究生学位论文第 5页 运行速度称为平衡速度或均衡速度。 由于客货运列车的行车速度不同，在设置线路实际超高时是兼顾客货列 车的运行速度，并按照统计规律来设定的。因此列车在实设超高的曲线上运 行时，旅客列车往往出现欠超高而货物列车出现过超高。 与国外一些国家采用未平衡离心加速度作为旅客乘坐舒适性的标准类 似，我国铁路采用限制最大欠超高的方式来保证旅客的舒适度。按铁路设计 规定: ( 1 )在等级较高的线路上， 旅客列车的欠超高九 7 0 m m ; ( 2 )在一般线路上欠超高h d 3 ,j n ) ( 2 - 9 ) 式中:耳一 一 按k a l k e r 线性蠕滑理论计 算得的 蠕 滑力; 介 一 轮轨接触点的蠕滑系数; n 一一轮轨接触点上总的法向力。 ( 3 )悬挂非线性 在考虑悬挂系统中的弹簧 ( 包括一系悬挂的钢弹簧和二系悬挂的空气弹 簧) ，都可近似地认为其刚度是线性的.但是在摆式客车上装有垂向、横向 和抗蛇行的液压减振器，减振器的阻尼力与减振器两端的相对运动速度呈非 线性关系。并且在摆枕和车体之间的装有横向止档，当二者横向相对运动量 小于止档的自由间隙时，二者之间的横向刚度为空气弹簧的横向 刚度，止档 接触后，二系横向刚度为空气弹簧与横向止挡的并联刚度。 2 . 3 动力学方程 对摆式列车组动力学模型进行以上处理之后，可以对其中的各个刚体进 行受力分析，建立动力学微分方程组，并根据自 行编制的计算机仿真程序对 其求解。 对于以上三个动力学问题的方程组，均可利用统一的欧拉方程进行表 示。在建立欧拉方程时，先必须建立两个坐标系，即在建立一个轨道坐标系 的同时建立刚体坐标系.刚体坐标系随着刚体的运动而运动，是一个动坐标 系。因此对动坐标系需要作如下几点规定:( 1 )动坐标系的原点通过刚体质 心，这样可以避免刚体的角运动与线运动的祸合;( 2 )动坐标系的三个坐标 轴取刚体的三个主轴:( 3 )动坐标轴的转速与刚体的转速一致。 如图2 - 3 所示，o t 和 o a 分别是轨道坐标系及刚体坐标系的原点，x的 正向为刚体运行方向，y的正向指向刚体运行方向的右侧，z的正向为铅直 向下，b , q5 和 qf 分别表示刚体坐标系随着刚体的侧滚、点头 ( 对轮对则为 滚动)和摇头运动。两个坐标系之间可以通过坐标变换进行处理。 西南交通大学博士研究生学位论文第 2 2页 ot xt yt zt 图 2 - 3 坐标系的定义 若令i , j , k 分别代表x , y , z 轴的单位向量，下标t , a 表示两个坐标 系，则两个坐标系之间的变换公式为: c o s 少 一s i n 俨 0 0 0 c o s o s i n o 一s i n g c o s o 一 s i n 0 0 c o s 沪 ，大tl-凡 十2.!11 tlweesesesesesesj 衬日日且 ，inu11 res.es.1卫l . llj 000 resesesesesesesesesesj 一一 、!.，.seesj ，10，儿一气 广!121.wewe、 ( 2 - 1 0 ) 在三个方向的 转角均比 较小时，即取s i n y i - y r , c o s y / - l , s in o - b , c o s o = 1 , s i n o 二 0 , c o s o 二 1 时，略去高阶无限小后， 式( 2 - 1 0 ) 可改写为: 、十.广.ij 一.，人t气 了十zlsel . 刁1十ltj 1 y r 一 w a o 一 一 0 e( 2 - 1 1 ) ao 1 、11rij 一.la一儿t气 rll21eese 这样就可以按各个刚体的动坐标系建立欧拉方程。以轮对为例。当轮对 坐标系相对于参考坐 标系存在转动速度 。 时， 如图2 - 4 ( a ) 所示。刚体坐标 系内 任意一点p 的速度和加速度可以分别表示为: v p = d rd t = 。 尸 。 一 )la + 。 一 口 ， )，元 + (2 p + m 。 二 尸 ) k . 一 (s p ia + y p j n + z p k a / + ( 2 - 1 5 ) = 元 + l + 2 u r a x r + r i o x r + zj a x 位 。 x r ) 按欧拉方程建立动力学方程主要参考空间问题的动量和动量矩定律。 空间问题的动量定律为: d ( m v ) 二 二 一二 二 刀2 w 十 。 。 x v j 一 户 空间问题的动量矩定律为: d h二_二_ ，_ _几 =月 +口_ x月 =t ( o _+口* x t t o _=m d t 这样对轮对而言，其取欧拉方程的坐标系时，其角动量为: h= i x tu . io + 几 ta , j 。 十 h