（机械设计及理论专业论文）高速动车组舒适性仿真与分析研究.pdf

摘要 摘要 本文基于高速动车组单领域动力学仿真任务提出的综合舒适性要求，重点研究时速 在2 0 0 k i n 以上的高速列车在运行中影响人体乘坐舒适性的主要因素，特殊考虑到高速动 车组的运行线路即客运专线在轨道不平顺方面的可能表现。综合舒适性是我国高速车辆 动力学研究的重要课题之一。首先，专用线路建设投资庞大，其最终投资效益主要表现 为高速不平顺轨道谱，这是高速车辆悬挂设计的重要基础数据。其次，车间作用是指动 车组相邻车辆之问的纵向作用，体现了在气液车钩缓冲器作用下车体纵向加速度响应， 进而n v m 评价得以采用。因此，轨道不平顺、悬挂系统特性和车间作用是影响高速车 辆舒适性的三个重要因素。 本文以c r h 5 作为研究对象，根据随机振动理论，将转向架悬挂系统挂简化为单轮 对两系悬挂模型，分析节流孔直径、阻尼作用和簧上质量等对空簧装车特性的影响，并 将参数仿真结果与a l s t o m 的实验台数据进行对比，以确定垂向悬挂主要参数。建立 d e l l n e r 气液车钩缓冲器模型，考虑其工作特性和滞回特性曲线，构建一个变刚度变阻 尼的纵向悬挂系统，从而反映编组列车各个车体之间的的作用，将列车纵向振动对人体 舒适性的影响加以考虑。轨道不平顺是造成车体振动和影响人体舒适性的主要因素，本 文利用德国高速轨道高、低干扰谱和小缺陷谱对列车在不同工况下的激扰进行舒适性评 价。经过对三种谱的空间频率特点和舒适性评价结果的分析发现，小缺陷谱的特点是低 频激扰能量较高，有效控制了敏感波段激扰水平，这比较符合客运专线的线路养护实际 情况，更好地反映了长波激扰对车体以及人体的影响。 舒适性分析的仿真结果与a l s t o m 仿真结果数值规律一致，并符合实际规律，具 有可比性。具体而言，w z 的y 向值都比较接近，而z 向值较a l s t o m 要乐观很多。 主要原因是在分析中a l s t o m 直接采用二系悬挂的等效刚度，而实际上，空簧悬挂特 性反映了动态刚度随激扰频率非线性变化，而空簧等效简化模型恰恰忽略之。通过以上 分析比较可以得出如下结论：由于悬挂特性具有试验台数据基础，并以迟滞回线形式 考虑了车间作用，因而本文所建立的车组模型可以作为c r h 5 舒适性评价模型；其舒 适性评价具有与a l s t o m 仿真数据的可比性，两者的横向舒适性评价均表明：因为横 向悬挂具有低阻抗小迟滞的特点，高速车辆比较容易形成低频横向运动，这一运动是导 致头晕、呕吐和烦躁等心理和生理现象的主要原因；通过德国低干扰谱、高干扰谱和 英国小缺陷谱等三种轨道谱对比，小缺陷谱能够反映客运专线实际情况，即适度提高长 波激扰能量，有效抑制敏感波段。 关键词：高速轨道客车；空簧悬挂特性；轨道不平顺；舒适性评价 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e du p o nt h ei n t e g r a t e dc o m f o r tr e q u i r e m e n t sw h i c hc o m e su pt h et a s ko f h i g l l - s p e e de m u ss i n g l ef i e l do fd y n a m i cs i m u l a t i o n ，f o c u so nt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h e c o m f o r to fh u m a nb o d yw h e nt h eh i g l l - s p e e dt r a i no v e r2 0 0 k m h ，e s p e c i a l l yc o n s i d e rt h e p o s s i b l ep e r f o r m a n c ei n t h et r a c ki r r e g u l a r i t yo ft h er u n n i n gl i n e so ri no t h e rw o r d st h e p a s s e n g e r - s p e c i a ll i n e i n t e g r a t e dc o m f o r ti so n eo fi m p o r t a n ti s s u e so fh i g h - s p e e dv e h i c l e d y n a m i c sr e s e a r c h e si no u rc o u n t r y f i r s to fa l l ，t h eh u g ei n v e s t m e n ti nb u i l d i n gas p e c i a ll i n e ， i t sf i n a li n v e s t i n gb e n e f i tm a i np e r f o r m a n c ei sh i g h - s p e e dt r a c ki r r e g u l a r i t ys p e c t r u m ，t h i si s a ni m p o r t a n tb a s i sd a t af o rh a n g i n gd e s i g no ft h eh i g h - s p e e dv e h i c l e s s e c o n d l y ，v e h i c l e a c t i o ni sl o n g i t u d i n a la c t i o nb e t w e e na d j a c e n tv e h i c l eo fe m u ，w h i c hr e f l e c t st h er e s p o n s eo f v e h i c l e sv e r t i c a la c c e l e r a t i o nu n d e rt h er o l eo ft h eg a s - l i q u i dv e h i c l eb u f f e rc o u p l e rb o d y ， t h e nn v me v a l u a t i o nc a nb ea d o p t e d t h e r e f o r e ，t r a c ki r r e g u l a r i t y ，s u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ei m p a c to ft h ew o r k s h o pa r et h r e ei m p o r t a n tf a c t o r st h a t a f f e c tt h ec o m f o r to f h i g h - s p e e dv e h i c l e s c r h 5i st h es t u d y i n go b j e c ti nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h er a n d o mv i b r a t i o nt h e o r y ， v e e r i n gr a c ks u s p e n s i o ns y s t e mw i l lb es i m p l i f i e dt oas i n g l ew h e e l t w os e r i e sh a n g i n gm o d e l ， a n da n a l y s i st h et h r o t t l i n go r i f i c ed i a m e t e r ，s p r i n gd a m p i n ge f f e c ta n dt h eq u a l i t yo ns p r i n g a n ds oo nb r i n gt h ea f f e c t i o nt ot h ea i r - s p r i n gv e h i c l e ，a l s oc o m p a r ew i t hp a r a m e t e r s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da l s t o mt e s td a t a ，i no r d e rt od e t e r m i n et h em a i np a r a m e t e r so ft h e v e r t i c a ls u s p e n s i o n e s t a b l i s hd e l l n e rg a s l i q u i dc o u p l i n gb u f f e rm o d e l ，c o n s i d e r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dh y s t e r e s i sc u r v e s ，c o n s t r u c tal o n g i t u d i n a lh a n g i n gs y s t e mw i t hav a r i a b l e s t i f f n e s sa n dd a m p i n g , t h e r e b yr e f l e c tt h er e a c t i o nb e t w e e ne a c hb o d y w o r ko ft h et r a i n s ，a n d c o n s i d e r i n gt h e e f f e c to fl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o nt oh u m a nb o d y sc o m f o r t t r a c ki r r e g u l a r i t y i st h em a i nf a c t o ro fh u m a nb o d yv i b r a t i o na n d i m p a c tc o m f o r t ，a sar e s u l to fn or a n d o mt r a c k i r r e g u l a r i t yp o w e rs p e c t r u mo fh i g h s p e e dp a s s e n g e rl i n ea tp r e s e n ti no t l rc o u n t r y ，a n dt h i s a r t i c l em a k eae v a l u a t i o no nc o m f o r tb yh i g ha n dl o wi n t e r f e r e n c es p e c t r u ma n ds m a l ld e f e c t s d i s t u r b a n c ef r o mg e r m a n yh i g h - s p e e dr a i l t h r o u g ha n a l y s i ss p e c t r a ld e n s i t yf u n c t i o na n d c o m f o r ta n a l y s i so ft h er e s u l t sw ef i n do u tt h a tc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l ld e f e c t si st h a ti th a v e g r e a tp o w e ri nl o w - f r e q u e n c ys p e c t r u m ，s os h o c k - s e n s i t i v eb a n dc a nb eu n d e re f f i c i e n t c o n t r o l ，a n di ti sb e t t e rf o rp r o t e c t i n gt h et r a c ko ft h ep a s s e n g e r - l i n ei nr e a lc o n d i t i o n ，a n d b e t t e rr e f l e c t st h el o n g - w a v e - i n d u c e dd i s t u r b a n c et ot r a i na n dt h eh u m a n b o d y s i m u l a t i o nr e s u l t so fc o m f o r ta n a l y s i si sc o n s i s t e n tw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t so fa l s t o m i nn u m e r i c a lr u l e ，t h e ya r ec o m p a r a b l ea n da c c o r dw i t ht h ea c t u a lr u l e i np a r t i c u l a r , y s v a l u e so fw za r ea p p r o x i m a t e ，b u tz sv a l u e sa r em u c hb e t t e rt h a na l s t o m s t h em a i n r e a s o ni sa l s t o md i r e c t l ya d o p t st h es e c o n d a r ys u s p e n s i o ne q u i v a l e n ts t i f f n e s sd u r i n gt h e l i 摘要 a n a l y s i sp r o c e s s ，i nf a c t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i r - s p r i n gs u s p e n s i o nr e f l e c t st h en o n l i n e a r v a r i e t i e so fd y n a m i cs t i f f n e s sg ol o n gw i t ht h ed i s t u r b a n c ef r e q u e n c y ，w h i l ei ti sp r e c i s e l y n e g l e c t e db yt h ea i r s p r i n ge q u i v a l e n ts i m p l i f i e dm o d e l t h ec o n c l u s i o n c a nb em a d e 弱 b e l o wt h r o u g ha l la n a l y s i s ：( i s ) c h a r a c t e r i s t i co fs u s p e n s i o nh a v et h et e s td a t aa st h eb a s ea n d a l s oc o n s i d e rt h er o l eo ft h et r a i nb o d yi nt h eh y s t e r e s i s l o o pf o r m ，s ot h ev e h i c l eg r o u p e s t a b l i s h e di nt h ep a p e rc a ns e r v ea sac o m f o r te v a l u a t i o nm o d e lo fc r h 5 ( 参i t sc o m f o r t e v a l u a t i o na r ec o m p a r a b l ew i t ha l s t o m ss i m u l a t i o nd a t a ，t h et w oh o r i z o n t a lc o m f o r t e v a l u a t i o ns h o wt h a t ：a sh o r i z o n t a ls u s p e n s i o nh a v eac h a r a c t e r i s t i co fl o w - i m p e d a n c ea n d s m a l lh y s t e r e s i s ，h i g h - s p e e dv e h i c l ei se a s i e rt of o r mal o w f r e q u e n c ya n dh o r i z o n t a l m o v e m e n t ，a n dt h i s i sam a i nf a c t o r l e a d i n g t o d i z z i n e s s ，v o m i t i n g , i r r i t a b i l i t y e t c p s y c h o l o g i c a la n dp h y s i o l o g i c a lp h e n o m e n o n ；a m r o u g hc o m p a r i n gt h es p e c t r u mo ft h e g e r m a nl o wi n t e r f e r e n c e ，h i g hs p e c t r a li n t e r f e r e n c ea n dt h eu n i t e dk i n g d o ms m a l ld e f e c t s ， s p e c t r u mo ft h es m a l ld e f e c t sc a ne x a c t l yr e f l e c tt h er e a ls i t u a t i o no ft h ep a s s e n g e rl i n e ，i n o t h e rw o r d si n c r e a s i n gl o n g - w a v ed i s t u r b a n c ee n e r g ya p p r o p r i a t ei no r d e rt or e s t r a i ns e n s i t i v e w a v e se f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dr a i l w a yv e h i c l e s ；a i r - s p r i n gs u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ；t r a c k i r r e g u l a r i t y ；c o m f o r te v a l u a t i o n i i i 绪论 绪论 o 1 课题意义 2 0 0 7 年4 月1 8 号，我国对即有铁路干线进行改造升级，开行时速2 0 0 公里动车组， 部分线路时速达到或超过2 5 0 公里，使我们感受到了高速铁路带来的便利t 在对既有线 进行改造提速的同时，我国也在进行城际高速铁路客运专线建设。2 0 0 5 年，我国开始了 大规模的铁路客运专线建设，目前全国在建城际铁路项目有3 0 多个，这些线路大部分 设计时速3 0 0 公里。京石铁路客运专线开工建设后，石家庄到武汉、到济南的铁路客运 专线也将陆续开工建设，城际快速铁路将相互衔接。 世界铁路业界普遍认为，铁路时速2 5 0 公里以上为高速。根据中长期铁路网规划， 到2 0 2 0 年，我国铁路时速2 0 0 公里以上线路将达到2 万公里左右，初步形成覆盖全国 大部分地区的快速客运网，其中时速在3 0 0 公里以上线路将达到4 5 0 0 公里。今年8 月 投入运营的京津城际铁路，时速3 5 0 公里的陆地飞行感受，已经宣告我国铁路“高速时 代”的到来。 在这样的背景下，铁路客运不仅要做到安全、快速，而且对乘客舒适性的要求越来 越高。目前对高速铁路车辆环境下人体舒适性的讨论成为铁路客运发展一个重要问题。 在铁路车辆高速环境下，影响人体舒适性的因素是多方面的，包括振动、噪声、温度等 等，其中车体运动模态和结构模态所形成的振动仍然是最为突出的影响因素。文献i l j 通 过在铁道车辆走行机构上利用反向质量换向和作用力定向能量输出，来改善铁道车辆舒 适性。文献【2 】根据车辆悬挂系统的振动模型，分析不平路面对车辆运行引起的振动规律， 提出提高车辆乘坐舒适性相关措施。文献1 3 j 结合韩国高铁k t x 和h s r 3 5 0 x 动力学试验， 进行了两种舒适性评价：长期乘坐质量和瞬时乘坐质量。文献【4 j 提出了基于车辆系统和 车体结构的2 级舒适性优化设计理念。轨道谱是振动舒适性分析过程中所必须考虑的线 路条件，文献1 5 川在不平顺波长选取、轨道谱时域激励转换和我国干线通用轨道谱研究 等方面进行了系统的对比分析。空簧悬挂是目前高速车辆普遍采用的二系悬挂形式，文 献【8 - 9 l 根据热力学原理提出了建立空簧动态模型及参数计算的方法。文献【1 0 】利用非线性 理论分析了空簧悬挂的隔振特性。文献【1 1 】针对抗侧滚扭杆装置所形成的利弊作用，提出 了一种改善舒适性的抗侧滚非线性刚度解决方案。文献【1 2 】针对高速车辆广泛应用的气液 车钩缓冲器，进行了基于原理模型的滞回特性曲线对比分析，并指出气液缓冲器具有低 阻抗和高吸能等特点，为液气缓冲器在铁道机车车辆上的应用提供了理论依据。文献1 1 3 j 以降低救援时的车钩作用力为目标，着眼于编组头车的车钩缓冲装置阐述了基于缓冲器 大连交通大学j t ：学硕十学位论文 样机的装车试验所取得的成果。其研究方法可以借鉴用于研究钩缓对车体振动造成的舒 适性影响。 由此可见，对于高速车辆而言，有如下三个主要的影响振动舒适性因素：空簧悬挂 特性、轨道不平顺条件和车间作用。其中，车间作用是指车钩缓冲器对相临车辆纵向和 横向动力学系统的作用。文献1 2 j 指出一个重要观点，与传统观念不同，不能认为垂向振 动是引起人体在高速运动状态下感觉不适的最主要因素。相反，在高速低频振动下，横 向的振动与人体舒适性的相关性越来越明显。根据高速车辆的现有技术水平，轨道长波 不平顺所造成的车体低频横向运动是不可避免的。高速轨道车辆设计应当权衡车体低频 横向运动与人体疲劳的相关性，确定理想的悬挂参数。 为此，本文结合c r h 5 动车组动态仿真对比分析项目，根据随机振动理论在虚拟环 境下进行空簧装车特性对比分析并建立整车模型；根据d e l l n e r 气液车钩缓冲器的试验 滞回曲线，建立车间纵向悬挂模型并进行一列多车的编组列车仿真。在三种轨道谱对比 基础上，给出c r h 5 动车组舒适性评价结果。与a i _ s t o m 对比表明：车体低频横向运 动是影响两者舒适性评价结果的主要因素。 本文研究的主要内容、难点及采取的对策有： ( 1 ) 建立能更加准确地反应悬挂特性的空簧模型，进行仿真分析。 在空簧试验台上空簧载荷是利用加载油缸模拟的，因而所得到特性曲线不能完全反 映空簧装车时的实际情况。依据以往伊朗地铁车的仿真经验，建立了半车模型，进行二 系的空簧响应分析。车辆的横向和垂向振动对舒适性的影响分析，主要是不同簧上质量 下空簧的刚度特性对比，节流孔直径的敏感性分析，阻尼作用影响分析和空簧动态刚度 分析。 ( 2 ) 列车间的纵向作用是影响舒适性的一个重要因素，为了更准确地反应列车的振 动情况和乘坐舒适性，必须将这一影响因素加入模型。根据d e l l n e r 工作原理和滞回特 性曲线，将车钩缓冲看作一种特殊的变刚度和变阻尼纵向悬挂，建立车钩缓冲等效模型， 进行仿真，得出该模型的滞回特性曲线和系能数据，与a l s t o m 给出的参数进行比较， 二者基本吻合。 ( 3 ) 另一重要的舒适性影响因素是轨道不平顺干扰谱，而我国目前没有成熟的路谱 可以参照，而且高速动车组主要运行线路客运专线与以往的普通线路又不尽相同， 所以必须在现有条件下，找出一个比较能反应客运专线的不平顺特征的轨道干扰谱。所 以，在以上分析的基础上建立一列四车模型，分别在德国高速高、低干扰谱和小缺陷谱 的轨道不平顺谱的激扰下，根据u i c 5 1 3 的标准建立加速度观测点，进行有效距离为一 2 绪论 千米以上的仿真实验，将不同工况下的舒适性评价结果与a l s t o m 的数据对比分析， 找出更贴近客运专线的轨道谱。 o 2 高速轮轨车辆发展现状 将一定数量的动力车和拖车连挂，形成编组固定的车组称为动车组。动车组一般在 两端均设置司机室，列车折返时不必调头，以满足城际间运行对列车高密度运行的严格 要求。按驱动轴和驱动设备的布置可以把高速动车组分为动力集中型和动力分散型两 种。本课要研究的a l s t o m 的c a 2 5 0 高速动车组属于动力分散型。 动力分散型动车组是将由电机驱动的动力轮对分散布置在列车的全部或部分轮对 上，将列车的主要电气和机械设备吊挂在车辆下部，列车全部车辆可载客的列车模式【1 4 1 。 日本新干线、德国i c e 3 和我国“先锋 号动车组是这一类车的主要代表。动力分散型 动车组在黏着性能、空间利用率，编组灵活性、电动车组的加速能力等方面优于动力集 中型动车组。但是，动力设备分散布置也带来了车下吊装设备影响车内舒适性、设备布 置困难、设备工作环境差等新问题。 动车组在日本的使用率最高，是8 7 ，其次是欧洲的荷兰，英，法，德等国。高速 动车组在这些国家的发展是以高速动车组技术为核心的高新技术的发展为保障的。经过 了四十多年的发展，形成了以日本新干线、法国t g v 和德国i c e 为代表的三大技术体 系。日本是世界上最早开行高速动车组的国家，1 9 6 4 年1 0 月1 日，日本开通了世界上 第一条高速铁路一日本东海道新干线。 自发展之初，日本一直坚持采用动力分散作为其动车组发展模式，先后研制了0 系、 1 0 0 系、2 0 0 系、1 0 0 n 系列车以及在此基础上开发了1 0 0 系、4 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系、 n 7 0 0 系、8 0 0 系、e 1 系、e 2 系、e 3 系、e 4 系等新干线列车和w i n 3 5 0 、3 0 0 x 、s t a r 2 1 、 f a s t e c h 、e 9 5 4 系等试验列车，共有二十余种新干线用电动车组。法国作为铁路运输 最发达的国家之一，在1 9 5 5 年3 月9 日就创造了电力机车牵引列车3 3 1 k m h 的速度记 录；1 9 6 7 年5 月，c c 6 5 0 0 型电力机车牵引客车实现最高速度2 0 0 k m h 商业运行。在 1 9 8 1 年9 月投入运用。此后，法国先后研制了交一直一交传动的t g v - a 、t g v r 、 t g v 2 n 、t g v t m s t 、西班牙a v e 、t g v p b k a 、t g v k 等型号的高速动车组。其 中，t g v - a 3 2 5 号车组于1 9 9 0 年5 月在大西洋线创造了5 1 5 3 k m h 轮轨系统高速行车的 世界记录。在保持了1 7 年后，该纪录再次被打破，2 0 0 7 年4 月3 日，法国试验动车组 v 1 5 0 创造了5 7 4 8 k m h 的高速铁路试验速度新纪录。近年来，法国国家铁路已经开始进 行动力分散型电动车组的研究，与a l s t o m 等共同设计的新型动力分散动车组a g v 已投入试验运行。 。 3 大连交通人学一r = 学硕十学位论文 近年来，我国投入使用了大量的铁路高速动车组，这标志着我国铁路客运进入了一 个时速在2 0 0 k m h 以上的新的领域。我国铁路高速动车组的研制是在引进国外先进、成 熟、可靠的动车组技术的基础上展开的自主创新途径，不仅迅速掌握了高速动车组的九 大核心技术，拥有了自主知识产权，实现了高速动车组技术的再创新，而且构建了我国 铁路高速动车组的自主创新体系。自唐山机车车辆厂于1 9 9 9 年设计制造了“庐山”号 双层内燃动车组并在南昌铁路局投入运用后，四方机车车辆厂、戚墅堰机车车辆厂、大 连机车车辆厂、南京浦镇车辆厂、长春客车厂等企业前后设计制造了“晋龙”号、“神 州 号、“新曙光 号等单、双层内燃动车组，部分车型最高运行速度达至i j1 8 0 k m h 。 长春客车厂1 9 9 9 年制造了“春城 号动车组，并在我国首次实现电动车组商业运营。 株洲电力机车厂与长春客车厂等单位合作，先后设计制造了d d j l 型“大白鲨 号和 d d j l 型“蓝箭 号动车组。d d j 2 型“中华之星 动力集中型电动车组最高试验速度达 到3 2 1 5 k m h ，为我国列车试验最高速度。此后，我国机车车辆工业企业还设计、制造 了“中原之星”、“长白山和“先锋 号动力分散型动车组，其中，“先锋 号动力 分散型动车组最高试验速度达到了2 9 2 2 k m h 。此外，我国还从瑞典a b b 公司引进一列 x 2 0 0 0 摆式动车组在广深铁路投入运用。为满足第六次提速调的需要，我国机车车辆工 业企业引进技术制造了“和谐号”c r h l 、c r h 2 和c r h 5 型动力分散型高速动车组， 并已投入运营，这些动车组部分区段最高运营速度可达到2 5 0 k m h 。最高运营速度达 3 0 0 k m h 的c r h 3 型动车组也即将下线。通过多年来的积累，我国铁路客运已跨入高速 时代，不仅对客运的效率、安全性白嘎求提高，而且越来越关注旅客的舒适性程度。 0 3 轨道车辆动力学概述 轮轨模型的研究历史较早，早在1 9 2 6 年，t i m o s h e n k o 就建立了第一个单自由度轮 一轨模型，4 0 年代，他和沙湖年慈探讨了单自由度集总参数的轨道振动模型在正弦和矩 形波形式的荷载下的轨道位移问题。1 9 7 3 年日本学者s a t o 建立了两个自由度的模型。1 9 7 5 年，s a t o 和s a t o h 在轨道力学讨论会上，提出了对于车轮脱离钢轨时轮轨问有一间隔的模 型，来研究日本高速铁路轮载波动的原因和影响。 到了八十年代，随着计算机技术的发展，轨道动力学领域开始了较为深入的研究。 在轨道动力学模型方面，英国学者s l gr a s s i e 做出了较大的贡献，1 9 8 2 年，建立了一层 和两层支承系统的模型，即弹性地基上的无限长梁模型，同时，还建立了弹性点支承上 的无限长梁模型。s lgr a s s i e 还对高频激振的轮轨模型、横向激振和纵向激振的模型及 其振动特性分别进行了研究。 4 绪论 多年来，我国学者也对轨道动力学进行了深入研究，周宏业、叶翔采用自由度集总 参数轮轨碰撞模型计算了轮轨冲击力，后来叶庆侮、许实儒都采用了这一模型并作了改 进。在计算方面，李定清采用有限元和直接积分法求解了包含邻轮影响和接头弹性点支 承的轮轨系统模型，计算了轮轨动作用力和部分部件的响应。 机车车辆系统中含有很多非线性因素，因此非线性分析的理论相对较早地引入机车 车辆的研究。1 8 8 3 年德国工程师k l i n g l e 首次提出了轮对的蛇形运动【1 6 j 。2 0 世纪6 0 年代， 机车车辆系统动力学行为的研究己从线性转入非线性。上世纪4 0 年代末期，日本松平精 曾判断一次列车重大颠覆事故是由于机车的激烈蛇行运动而造成的，为了验证，他利用 滚动台进行了模型试验，从而观测到了车辆的一次和二次蛇行运动特征。5 0 年代初，他 在理论和试验研究的基础上，设计了货车防止蛇行运动失稳的装置，这为以后在日本东 海道新干线高速客车上设计和研制采用新型轴箱定位结构提供了经验。从6 0 年代到7 0 年 代，西欧国家继日本之后也开始筹建高速铁路，为解决高速车辆的主要关键问题，以英 国铁路d e r b y 研究所w i c k e n s 为代表的各国专家学者，又进一步对线性与非线性车辆系统 的蛇行运动问题，在更深的层次上作了理论和试验研究，并对车辆设计提出了改进结构 和合理选择参数的措施，为实现车辆高速运行和防止蛇行失稳提供了保证。 蠕滑理论的建立促进了机车车辆通过曲线新理论的发展。3 0 年代，p o t e r 完成了古典 的适用于小半径曲线通过的摩擦中心理论。6 0 年代末，n e w l a n d 与b o o c o c k 几乎同时提出 了一种与古典方法迥然不同的新理论，即认为在曲线上可借助蠕滑力而避免依靠轮缘力 来导向，这在曲线通过理论的研究上是个突破，不过由于受到研究中所取线性条件的限 制，它只适用于通过大半径曲线的情况。7 0 年代，e l k i n s 和g o s t l i n g 等提出了非线性稳态 曲线通过理论，适用于通过各种半径的曲线，使得在理论的应用上前进了一大步。8 0 年 代，n a g u r k 尹等人又进而研究了车辆通过曲线时的非稳态工况，其中也考虑了蠕滑和 悬挂参数的非线性，这就使车辆通过曲线的理论研究更趋完善。 进入非线性领域后，系统的行为有许多新的特点，比如，车辆的线性系统模型有蛇 行临界速度，而非线性系统的车辆模型则不再有一个明确的临界速度( 值) ，而成为一个 与多种因素( 激扰、系统特性等) 有关的量。 对于稳态曲线通过，其解也出现与参数有关的复杂变化，我们要研究的正是这种解 与参数的依赖关系( 分叉图) ，其中的分叉点的集合与设计准则相对应，因此，该项研究 具有广泛的实际意义，可用于指导产品的开发，但是，由于其研究涉及到现代数学的前 沿和活跃的部分，理论比较根深，这也正是该研究方向发展缓慢的一个原因。 用常规的动力学分析方法也可以进行参数研究，但那是对所研究参数先进行离散， 然后在参数的离散点上分别建立模型进行研究，这样计算量和数据处理量都是异常巨大 5 人连交通大学工学硕士学位论文 的。还有一种方法就是引入参数灵敏度的概念，进行参数灵敏度分析，它一般是在确定 的模型的邻域内研究性能随参数变化的剧烈程度，而采用分叉理论进行相应的研究时， 直接研究含参数的非线性代数方程组或常微分方程组的解与参数的依赖关系，它研究的 是一种大范围的参数影响，因此比常规方法具有优越性，因为在对车辆系统模型进行分 叉研究时，所得的分又点集与设计准则相对应，故所得结果可直接指导车辆产品的开发 设计，具有很强的实际意义。 如何准确地获取列车在运行过程中的振动规律，并给出一定的量化标准来对列车的 振动等级进行评价，以及建立振动对旅客乘坐舒适度和安全性之间的关系，机车车辆振 动水平在怎样的范围内才能被接受，不同国家的铁路在不同时期，曾采取过多种不同的 评估方法和标准。目前，德国联邦铁路采用的斯佩林s p e r l i n g s z 稳性指标是基于大量试 验而制定的，它的实质是通过单一的判据以评估机车车辆的走行品质和舒适度，走行品 质的对象是机车车辆本身，舒适度的对象是人，人体对机械振动的反映。但是用斯佩林 经验公式计算司机、旅客的舒适度指标比较繁琐。英国铁路b r 的平稳性指标v r ，v 抨 稳性指标不仅用于对样车和现有机车车辆的试验结果进行评估，而且也在新车开发阶段 普遍的用于评估数学模型的输出。美国的杰奈威舒适性j a n e w a y 系数，是通过测定车辆 的振动加速度来判定乘坐的舒适性。日本国铁在早期参考美国的j a n e w a y 舒适度标准方 案，在1 9 8 1 年以i s o 2 6 3 1 为基础，考虑了铁道车辆的振动特性，提出了乘坐舒适度水平 方案。i s o 2 6 3 1 是国际标准化组织( i s o ) 提出的影响人体的振动评价标准，虽然是一个不 具约束力的通用评价指南，但却给各国全身振动研究很大影响，成为有关规范的重要组 成部分。另一种狄克曼指标可以较简便地判别人体对结构振动具有良好感觉的界限，它 能基本判别司机、旅客和桥上行人在列车过桥时的感觉。当前，国际上还没有统一的平 稳性指标，s p e d i n g 平稳性指标在我国铁路得到长期的非正式的应用，直至1 j 1 9 8 5 年发布 了g b 5 5 9 9 8 5 和1 9 9 3 年发布的t b 2 3 6 0 两个标准，我国才正是采用平稳性指标对客货车辆 以及机车的运行品质进行定量的评估。我国的平稳性指标的计算公式和频率修正系数等 基本与s p e r l i n g j l z 稳性指标相同，只是对指标的分级做了简化。2 0 世纪7 0 年代初，国际 标准化组织( i s o ) 在综合大量有关人体振动的研究工作和文献的基础上，制订了国际标准 人体承受全身振动的评价指南( i s 0 2 6 3 1 7 4 ) ，这样在人体承受全身振动的评价方面 才有了国际性的通用标准。该标准得到了世界各国的重视，并被许多国家作为本国标准 采纳，其中有些部分已开始应用于铁路部门。i s 0 2 6 3 1 标准由表示频率和振动加速度关 系的等感觉曲线和处于振动环境中的疲劳允许时间构成。人们对振动加速度的疲劳感觉 随频率变化而不同，连接f 群感觉的点，即得至i j 等感觉曲线。 6 绪论 0 4 研究方案及可行性 舒适性研究的关键问题，是建立符合要求的空簧悬挂模型，进行二系悬挂特性分析； 建立编组列车模型，将纵向车间作用考虑进去；模拟现实线路条件下在列车运行中对其 进行不平顺激扰，通过对比分析，找到一种更接近真实情况的轨道不平顺干扰谱。 首先，在现有动力学动力学参数不完整的情况下，根据参数的一致性条件和简化的 等效模型，利用反求法比较合理地确定了某些缺少的关键参数，建立二系悬挂模型。在 多种载荷工况条件下验证了这些关键参数推算的正确性，进行空簧特性和整车模态分 析。 其次，根据d e l l n e r 钩缓的滞回曲线和压缩循环最大吸能数据，建立车钩缓冲器等 效模型，与a l s t o m 给出的d e l l n e r 钩缓数据进行比较，要求做到基本吻合。 最后，根据a l s t o m 实验中不同车况的编组，在不同轨道不平顺干扰谱的激扰下， 进行一列四车的舒适性仿真计算，得出两组不同车况下的舒适性评价值，与a l s t o m 进行比较。 以上实验，通过与第三方的实验数据对比验证，能够较真实地反映c r h 5 的乘坐舒 适性。 本章小结 本章阐明了本文研究的主要内容及研究方法。本文着重通过空簧悬挂特性、轨道不 平顺条件和车间作用来研究高速车辆下低频振动对人体舒适性的影响，讨论了高速轮轨 车辆的发展概况和车辆动力学的发展，并进行了方案可行性分析。 7 大连交通大学t 学硕十学位论文 第一章车辆舒适性分析的理论基础 众所周知，导致人体乘车疲劳甚至产生晕车的主要原因是振动。人的耳内有两个重 要的结构，即听器( 耳蜗) 和平衡器( 前庭终器) 。前者专司听觉，后者则为维持身体平衡 的主要器官。在正常情况下，当人处在不断变速的运动物体( 如车、船或飞机等) 中时， 各种动刺激随时由平稳器调节，人们不会产生异常感觉。然而，如果当耳内平衡器的敏 感性增高时，即由于行车的过度颠簸，航行时船体的剧烈起伏，飞行中气流的强烈冲击 超过了人体所能忍受的限度时，就可能弓i 起平衡功能失调，并通过神经系统的反射作用 而发生疲劳、头晕甚至呕吐的病症。由此，研究乘车舒适性，首先要从车体振动系统及 随即振动理论入手，研究车辆的振动系统的特性，以及其与人体舒适性的相关性。 1 1 非线性系统 1 1 1 非线性定义 线性，指量与量之间按比例、成直线的关系，在空间和时间上代表规则和光滑的运 动；而非线性则指不按比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。线性关系是 互不相干的独立关系，而非线性则是相互作用，而正是这种相互作用，使得整体不再是 简单地等于部分之和，而可能出现不l 可于“线性叠加 的增益或亏损。 迄今为止，对非线性的概念、非线性的性质，并没有清晰的、完整的认识，对其哲 学意义也没有充分地开掘。 线性：从相互关联的两个角度来界定，其一：叠加原理成立；其二：物理变量间的 函数关系是直线，变量间的变化率是恒量。 在明确了线性的含义后，相应地非线性概念就