（载运工具运用工程专业论文）重载列车牵引制动系统动力学研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 于两斐 重载运输是除高速以外，铁路现代化的又一个标志。发展铁路重载运输得 到世界上越来越多国家的重视，已被国际上公认为铁路货运发展的方向。2 0 世 纪8 0 年代，我国修建了第一条电气化重载铁路一大秦线，在此之后重载运输在 我国得到了快速发展。 随着重载列车编组的扩大、列车重量增大，长度增加，轴重增大和运营速 度的提高，列车运行中的牵引力及制动力加大，制动波传递时间加长，各种与 牵引和制动特性相关的安全事故频发，已经严重影响重载列车的安全运行，因 而对长大重载列车牵引和制动动力学进行系统的研究，对于确保长大重载列车 运输系统的行车安全具有非常重大的意义。而目前对牵引和制动动力学的研究 都集中在纵向动力学方面，没有对其垂向和横向动力学的研究，所以很有必要 展开对牵引和制动纵向、横向和垂向综合考虑的系统动力学研究，这也正是本 文的研究目的。此外，目前列车动力学仿真中普遍采用等波速传播的空气制动 特性，没有考虑空气制动的动态制动特性，因而会造成较大的误差。 针对传统列车动力学研究中出现的自由度众多，难于计算处理等局限以及 动力学仿真中采用等波速制动特性带来的误差，本文运用基于循环变量的模块 化建模及数值求解方法结合基于空气流动理论的空气制动仿真系统对重载列 车牵引和制动动力学做了较为系统的研究，主要从以下几个方面进行分析： ( 1 ) 重载列车牵引和制动对动力学影响的基本原理； ( 2 ) 重载列车在直线、曲线和坡道上牵引、惰行和制动时的动力学性能； ( 3 ) 分析比较在牵引和制动工况下机车不同组合编组时纵向冲动的差异， 确定机车最佳组合方式； ( 4 ) 分析比较在牵引和制动工况下空重车混合编组时空车编组在不同位 置时动力学性能，确定空车最佳编组位置。 通过对重载列车牵引和制动系统动力学的全面分析，初步揭示了其与线 路、编组和操纵方式之间的相互作用关系，反映了重载列车运行过程中的动态 运行行为。 关键词：重载列车；牵引；空气制动；系统动力学 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t h e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o n i sa n o t h e r m a r ko fr a i l w a ym o d e r n i z a t i o ni n a d d i t i o nt o h i g h s p e e d t r a i n t h e d e v e l o p m e n t o f r a i l w a yh e a v y h a u l t r a n s p o r t a t i o nh a v eb e e np a i dm o r ea t t e n t i o nb ym o r ea n dm o r ec o u n t r i e s ，a n d b e e ni n t e r n a t i o n a l l yr e c o g n i z e da st h ed i r e c t i o no ft h er a i lf r e i g h t i n19 8 0 s ， d a t o n g q i n h u a n g d a or a i l w a yt h ef i r s te l e c t r i f i e dh e a v yh a u lr a i lo fc h i n ah a sb e e n b u i l t ，t h e n ，h e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o nh a sd e v e l o p e dr a p i d l y h o w e v e r ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft r a i nm a r s h a l l i n ga n dh a u l i n gw e i g h t ，a n da ls o al o n g e ri nl e n g t h ，a n dm o r e h e a v yo fa x l el o a d ，a n dh i g h e rs p e e d ，t h et r a c t i o n f o r c ea n db r a k i n gf o r c eo fh e a v yh a u lt r a i ni si n c r e a s e d ，a n dt h ep r o p a g a t i o nt i m e o fb r a k ew a v ei s l o n g e r ，v a r i o u sa c c i d e n t sr e l a t e d t ot r a c t i o na n db r a k i n g c h a r a c t e r i s t i c so c c u e r e d h a v es e r i o u s l ya f f e c t e dt h es a f t yo ft h eh e a v yh a u lt r a i n s t h e r e f o r e ，t a k eas y s t e m a t i cc o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo n t r a c t i o na n db r a k i n go fh e a v yh a u lt r a i n ，h a sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o re n s u r i n g s a f e t yo ft h eh e a v yh a u lt r a i nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a d d i t i o n l y ，t h ec u r r e n td y n a m i c ss t u d yo ft r a c t i o na n db r a k ea r ec o n c e n t r a t e d o nt h el o n g i t u d i n a ld y n a m i c s ，a n dh a v en or e s e a r c ho ni t sv e r t i c a la n dl a t e r a l d y n a m i c s ，s o ，i ti sn e c e s s a r yt os t a r tt h es t u d yo ft r a c t i o na n db r a k i n gs y s t e m d y n a m i c sw h i c hi n c l u d i n gt h ev e r t i c a l ，h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld y n a m i c s ，a n dt h i s i sj u s tt h ep u r p o s eo ft h i sp a p e r w h a t sm o r e ，t h ec o m m o n l yv e l o c i t ys p r e a da i r b r a k ec h a r a c t e r i s t i c sw a sw i d e l yu s e di nc u r r e n tt r a i nd y n a m i cs i m u l a t i o n w i t h o u t c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cb r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i rb r a k e ，w h i c hw i l lr e s u l t i nl a r g ee r r o r s t h e n ，a c c o r d i n gt ot h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lr e s e a r c ho nd y n a m i c so ft r a i n ， a n dt h ee r r o r sc a u s e db yt h ec o m m o n l yv e l o c i t ys p r e a da i rb r a k i n gc h a r a c t e r i s t i c s an e wm e t h o dn a m e dm o d u l a rm o d e l i n gm e t h o db a s e do nc i r c u l a r v a r i a b l ea n d c o ，m b i n e dw i t ht h ea i rb r a k et r a i ns i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ea i rf l o wt h e o r y h a v eb e e nu s e di n t h i st h e s i st om a k eas y s t e m a t i cs t u d yo nt r a c t i o na n db r a k e d y n a m i c so fh e a v yh a u lt r a i n t h ed e t a i l e da s p e c t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft r a c t i o na n db r a k i n ge f f e c to nd y n a m i c so fh e a v y h a u lt r a i n ； ( 2 ) t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ew h i l eh e a v yh a u lt r a i nt r a c t i o na n db r a k i n go n s t r a i g h tl i n e s ，c u r v e sa n dr a m p sr a i l w a yr o a dc o n d i t i o n ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第t i l 页 ( 3 ) c o m p a r a t i v ea n da n a l y s i st h el o n g i t u d i n a li m p u l s ed i f f e r e n c eb e t w e e n d i f f e r e n tl o c o m o t i v em a r s h a l l i n gc o m b i n a t i o n sw h e nt r a c t i o na n db r a k i n g ，t o d e t e r m i n et h eb e s tl o c o m o t i v em a r s h a l l i n g ； ( 4 ) c o m p a r a t i v ea n da n a l y s i st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ew h i l ee m p t yv e h i c l e m a r s h a l l i n gi nd i f f e r e n tl o c a t i o no ft h et r a i nw h i l et r a c t i o na n db r a k i n go p e r a t i n g c o n d i t i o n ，t od e t e r m i n et h eb e s tm a r s h a l l i n gp o s i t i o n sf o re m p t yv e h i c l e s t h o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft r a c t i o na n db r a k i n gs y s t e md y n a m i c s o fh e a v yh a u lt r a i n ，i ti se a s yf o ru st ok n o wt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a i n d y n a m i c sa n dr a i l w a yl i n e ，f o r m a t i o na n do p e r a t i o no ft r a i n f u r t h e r m o r e ，t h e a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h ed y n a m i cb e h a v i o ro fh e a v yh a u lt r a i n k e yw o r d s ：h e a v yh a u lt r a i n ，t r a c t i o n ，a i rb r a k e ，s y s t e md y n a m i c s ； 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密衫使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：痛研 日期：3db 、2 指导老师签名： 日期：毋d 汐厂& 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 针对传统列车动力学研究过程中所遇到的由于“自由度爆炸 问题而 产生的建模和求解难题，运用“基于循环变量的模块化建模方法”及以此编制 的列车动力学仿真程序，结合空气制动仿真软件对重载列车牵引和制动动力学 进行了较为详细的系统研究； 2 在具体研究过程中，全面分析了列车在直线线路、曲线线路和坡道牵 引、惰行和制动时的动力学性能； 3 分析了组合列车中机车不同位置编组在牵引和制动工况时的纵向冲动， 确定了机车最佳组合方式； 4 研究了空重车编组时空车在列车中的最佳编组位置。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签聋：氍辛 日期：知l p 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼皇m m mm , - - 曼 第1 章绪论 1 1 论文选题背景和研究意义 重载运输是除高速以外，铁路现代化的又一个标志，大力开展重载运输， 加速提高铁路运输能力，是铁路发展的一个重要途径。铁路重载运输代表了铁 路货物运输领域的先进生产力，得到世界上越来越多国家的重视，至今发展重 载运输的国家已经遍及五大洲和几乎所有的铁路大国。铁路重载运输发源地在 北美，然后在澳大利亚、南非、中国、巴西、瑞典等铁路大国迅速推广，极大 地刺激了铁路劳动生产率的提高。而俄罗斯、印度等一些铁路运输大国在重载 运输方面也不甘示弱，纷纷开展了重载运输产业，并已取得良好的效果。 2 0 0 3 年在美国德克萨斯州达拉斯市举行的国际重载专家技术会议，提到了 当前国际重载铁路最大轴重己达3 5 7 t ，正在积极研究3 9 t 轴重的可行性。美国、 加拿大等国的重载铁路轴重普遍达到3 2 5 t 3 5 7 t 、瑞典、巴西重载列车轴重己 提高到3 0 t ，而俄罗斯正在将重载货车轴重提高到2 7 t ，并正加紧研究3 5 t 轴重的 轨道部件。二是重载列车牵引质量普遍在2 万t 左右。美国、加拿大的重载单元 列车牵引重量普遍由15 0 0 0 t 向18 0 0 0 t 发展，南非、澳大利亚的重载单元列车牵 引质量己超过2 万t 。另外欧洲铁路开始在客货混运、国际联运的铁路干线上发 展2 5 t 轴重的重载列车。继中国铁路成功在全国既有干线上既开行提速旅客列 车，又开行5 0 0 0 t 以上重载货物列车，成为客货混跑线路上实现提速、重载目 标的国际首例，欧洲铁路在快速干线上开行2 5 t 轴重重载列车，这是重载技术 取得新进展的又一亮点【lj 。 短短几十年间世界重载铁路取得了巨大的发展，为此，国际重载协会先后 在19 8 6 年、19 9 4 年、2 0 0 5 年三次修订了重载铁路标准。2 0 0 5 年国际重载运 输协会年会在巴西召开，会上对重载运输的定义作了新的修订，重载铁路新标 准是满足下列3 条中的2 条，即为重载铁路：重载列车牵引重量至少达到 8 0 0 0 t ( 以前为5 0 0 0 t ) ；轴重( 或计划轴重) 为2 7 t 及以上( 以前为2 5 t ) ；在至少1 5 0 k m 线路区段上年运量超过4 0 0 0 万t ( 以前为2 0 0 0 万t ) 旧j 。 同世界其他重载运输国家一样，长大列车重载运输也成为我国铁路货运发 展的方向。大力开展重载运输，加速提高铁路运输能力，是铁路发展的一个重 要途径，我国铁路的重载运输与铁路提速战略相配合，近几十年来在客运列车 大面积提速的前提下，5 0 0 0 t 重载列车的开行范围己遍及五大繁忙干线，大秦 铁路货运专线的建成和2 万t 重载列车的成功运行，更是大大提高了我国铁路 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 重载运输的整体水平，我国也逐渐步入铁路重载运输大国的行列。 我国的重载运输是以大秦铁路( 大同一秦皇岛) 为标志的，2 0 世纪8 0 年代 初，经过多次论证，国家做出了修建我国第一条电气化重载铁路一大秦铁路的 重要决策，拉开了我国重载铁路运输的序幕。该线一、二期分别于1 9 8 8 年和 1 9 9 2 年开通运营，单列运量为5 0 0 0 l0 0 0 0 吨。大秦线的开通，对加强西部地 区煤炭开发利用，缓解华东及沿海地区煤炭紧张局面，促进我国国民经济发展， 发挥了举足轻重的作用。2 0 0 4 年1 2 月12 日，大秦铁路2 万t 重载组合列车 安全试验成功，标志着我国重载运输已经跨入世界铁路的先进行列。从2 0 0 6 年3 月2 8 日开始，大秦线已正式开行2 万吨重载列车，开创了我国铁路重载 运输的新纪元。 随着列车编组的扩大、列车重量增大，长度增加，轴重增大和运营速度的 提高，列车运行中的牵引力及制动力加大，制动波传递时间加长，而且列车所 占的线路纵横断面比较复杂，因此，重载列车的受力情况远较一般列车复杂。 行车安全问题也逐渐突显出来：列车的冲动、断钩、脱钩、脱轨，制动失灵以 至货物及车辆设备损坏增多、线路变形及养护维修工作量增大、轮轨磨耗加剧 等，己成为重载铁路运输中的突出问题。这些对行车安全构成严重威胁，并制 约着长大列车重载运输的健康发展【3 】。而这些安全事故通常都与列车运行过程 中的动态特性密切相关，与列车的操控的牵引和制动特性有关，因而，展开对 长大重载列车牵引和制动系统动力学的全面研究，对行车安全性做出准确的预 测和评估，并提出相应的切实可行的行车安全保障措施，对于确保长大重载列 车运输系统的行车安全具有非常重大的意义。 由于列车动力学问题是一个较为复杂的系统动力学问题，在2 0 世纪七八十 年代，由于计算机计算能力的制约等，国内外在研究列车动力学时的传统处理 方法大多是根据所关心问题的实际需要而有针对性地对列车动力学模型予以 简化处理，忽略对研究目标影响不大或者是比较难以处理的方面，总是试图使 模型包含最少的细节以便得到合适的答案，比如不考虑轮轨接触几何关系和轮 轨蠕滑特性等，不考虑轮重转移的影响，通常借助于垂向、横向和纵向运动解 耦以减少自由度。到目前为此，列车动力学的研究成果大都集中于纵向动力学， 而对列车的横向和垂向动力学研究得很少，且很不透彻f 4 】。 随着铁路的发展，传统的简化列车模型已经不能满足现代列车动力学的研 究需要，虽然现有的机车车辆动力学软件，如s i m p a c k 、n u c a r s 、v i a m p i r e 、 及a d a m s r a i l 等均可以考虑列车各部件的相互作用和完善的轮轨接触关系 和特性，并涉及机车车辆的各部件的所有自由度，建成准确的机车车辆动力学 模型，但是由于列车所有独立自由度的零部件都要建模到列车系统中，所以建 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 模过程相当麻烦，而且随着列车中机车车辆数目的增加，列车系统中的自由度 将成倍增加，计算规模显著增大，并且车辆数目一旦改变，就要重新修改列车 的动力学模型和方程，灵活性和通用性都很差。目前对列车的仿真基本上用三 节车的模型模拟，远不能反应较真实的列车运营状况。鉴于此，本文运用基于 循环变量的模块化建模和求解方法的三维空间耦合动力学仿真软件，既可以将 长大重载列车纵向、横向和垂向动力学进行统一的研究，又可以对长大列车进 行快速和方便的建模和求解。 为了开行大秦线万吨、两万吨重载列车，我国进行了大量的线路试验和仿 真计算，研究主要集中在研究制动波和冲动波的传递规律，制动过程车钩力和 纵向冲动，包括：不同型号机车牵引不同编组重载列车的牵引能力计算；不同 编组重载列车的制动能力，包括在不同线路条件下的调速制动、常用制动和紧 急制动能力；长大下坡道重载列车运行的安全性，包括司机操纵方法和列车纵 向力、循环制动再充风等计算和实验。这些研究对我国重载运输起了巨大的推 进作用，同时也极大的促进了重载列车动力学的发展。但是，总的来说这些研 究主要都集中在纵向动力学方面。没有考虑牵引和制动对横向和垂向动力学的 影响，这就使得牵引制动动力学没有形成系统地体系，而片面的研究纵向动力 学虽然也取得了重大成效，但是对横向和垂向动力学的忽视也带来过严重的问 题，例如我国出现过严重的空车脱轨、以及空重车混编列车的脱轨事故，造成 了巨大的损失，严重影响了行车安全，这些脱轨事故不光涉及牵引和制动纵向 动力学，更是横向和垂向动力学的问题。因此，在研究牵引和制动纵向动力学 的同时，加强牵引和制动对重载列车横向和垂向动力学的研究，从而完成牵引 和制动的系统动力学研究，进而对牵引和制动这两大铁路重载运输中关键的因 素进行全面的动力学研究，为我国重载铁路的发展提供动力学技术支持，使我 国重载运输又快又好的发展，就显得十分必要。 虽然我国对制动系统进行了大量的试验和仿真研究，但将空气制动系统仿 真与系统动力学结合的研究还未见报道，仅有铁道科学研究院在纵向动力学研 究时考虑了稳态的等波速传播的空气制动特性，但是空气制动特性是一个动态 的过程，因此这种仿真存在较大误差。大连交通大学的魏伟教授通过对空气流 动理论的研究，建立了基于空气流动理论的空气制动仿真系统，通过计算列车 制动系统的制动管路和各缸室的瞬态气体状态，获得制动系统的各种动态特 性，可为其它研究工作( 如列车动力学的研究) 提供参考数据。由于该仿真系统 与实际相符程度好，已经得到广大利用，因此本文将其与三维空间耦合系统动 力学软件结合，进行牵引和制动系统动力学的研究，将使研究成果更加能够接 近现实状况，从而促进重载列车牵引和制动的研究，为我国重载列车的健康运 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 行和快速发展提供支持。 综上所述，以下几个方面成为当前动力学研究十分迫切的方面： ( 1 ) 十分有必要采用全新的列车动力学建模和求解方法对长大重载列车 动力学性能展开较为深入的系统研究，考虑长大重载列车在纵向、横向和垂向 三个方向动力学性能，一方面借以突破传统列车模型的束缚和限制，另一方面 通过仿真计算以反映长大重载列车较为真实的动态运行行为以及动力学性能； ( 2 ) 突破将牵引和制动动力学的研究局限在列车纵向动力学的状况，应 对牵引制动进行横向和垂向动力学研究，形成牵引和制动系统动力学研究。 ( 3 ) 在研究牵引和制动系统动力学时，应将当前最新的空气制动理论和 动态制动特性融入系统动力学研究，使动力学研究成果能够最大程度的与实际 相符合，为重载运输的发展提供有力的依据。 本文正是将基于空气流动理论的空气制动仿真系统于动力学研究有机融 合，利用三维空间耦合动力学模型，对长大重载列车在各种复杂工况下的牵引 和制动动态特性进行更加真实的模拟再现，力求对长大重载列车的行车安全提 出更加切实可行的保障措施，形成对牵引和制动的系统动力学研究。 1 2 列车动力学研究现状 列车动力学是随铁路运输特别是重载运输及计算机技术的高速发展而发 展起来的，列车动力学研究最早应用于货车，特别是重载列车的开行。铁路发 达国家对此都极为重视，纷纷开展了列车动力学研究。世界上凡是开行有重载 运输的国家几乎都对列车动力学进行过广泛而深入的研究【4 】。 美国、加拿大、澳大利亚、前苏联以及南非等国家都对重载列车动力学进 行了详细的研究。 2 0 世纪7 0 年代，列车动力学的研究十分活跃，特别是在美国铁路协会 a a r ( a s s o c i a t i o no fa m e r i c a nr a i l r o a d s ) 的组织下，19 7 1 年美国开始了轨道一 列车动力学研究计划( t r a c k - - t r a i nd y n a m i c sp r o g r a m ) ，组织各铁路公司联合 开展了这一工作，美国政府对此给予了人力及财力的支持，加拿大政府运输发 展机构积极参加，同时还取得了国际铁路联盟的支持，美国的一些大学也参加 了部分研究工作，该计划前后历时l0 年。该计划主要研究了列车操纵、地形 条件及其后等因素对列车动力学性能的影响，由于受计算条件如计算机容量、 速度、建模和数值方法等的限制，无法建立整列车的三维空间耦合数学模型， 而是针对特定的研究目的来建立不同的列车动力学模型，包括纵向模型( 准动 态模型【5 吲和动态模型7 】) 、准稳态列车横向稳定性模型f 8 枷】、垂向动力学模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 】，其纵向动力学成果体现在软件t o e s ( t r a i no p e r a t i o na n d e n e r g ys i m u l a t o r ) 。 并进行了大量的线路试验，采取了一系列改进线路。机车车辆及操纵方式的措 施，并取得了不少成效【1 2 。4 1 。其各模型具有以下特点： 1 ) 列车纵向动力学模型：该模型主要研究列车的纵向冲动，为列车的编 组、操纵以及制动系统和钩缓装置的设计提供理论依据。但由于该列车模型中 的每辆车只考虑一个自由度( 即纵向移动) ，不考虑车辆一二系悬挂系统的影 响，也不考虑轮轨关系及轨道不平顺的影响，所以该模型无法研究横向和垂向 动作用力对列车纵向冲动的影响，也无法考虑悬挂效应、轨道不平顺效应对列 车纵向冲动的影响。 2 ) 列车横向动力学模型：该模型主要用来研究列车的横向稳定性与脱轨 安全性，由于该模型中只考虑列车匀速运动状态( 属于准稳态模型) ，不考虑加 速与减速运动过程，所以无法计算出列车纵向冲动瞬态力对列车脱轨安全性的 影响，而列车纵向冲动瞬态力往往又是非常大的，因此计算结果偏差较大。 3 ) 列车一轨道垂向耦合动力学模型：该模型主要用来研究列车运行中在 垂直平面内的动力学问题，比如，轮轨垂向动作用力、脱钩稳定性等问题。但 由于该模型只考虑平行轨道中心线的垂直平面内的运动和力，不考虑轮轨接触 关系和蠕滑特性，在车与车之间直接用一根线性弹簧来简单代替车钩缓冲器， 所以不能准确反应出列车纵向冲动对列车垂向动力学性能的影响。 加拿大国家铁路技术中心还独立开展了大量涉及列车动力学的理论分析 及线路试验工作。澳大利亚铁路部门及高校也积极进行列车动力学的研究，制 定了较为先进的列车操纵模拟装置，用以确保列车的安全经济运行。i b d u n c a n 和p a w e b b 以昆士兰运煤专线上的列车为对象，研究车辆之间的相互作用力。 南非的b j j o l l y 和b g s i s m e y 以r i c h a r d sb a yl i n e 为对象也进行了列车操纵方 面的研究。 日本在列车动力学方面也进行了研究，不过其更侧重于旅客列车的动力学 研究，尤其侧重于旅客列车中尾车的动力学性能研究 1 5 - 18 】。比如h i r o s h i f u j i m o t o 和m a s a y u k im i y a m o t o 研究了列车中尾车的振动问题，同样s h i r o k o y n a g i 也对列车尾车的横向振动问题分析方法进行了探讨。而m a s a y u k i m i y a m o t o 和h i r o s h if u j i m o t o 对于旅客列车的垂向乘坐舒适性也进行了初步研 究。此外，h a j i m ew a k u i 和n o b u y u k im a t s u m o t o 对铁道车辆与机械结构模型之 间的动态相互作用进行了理论分析和实践论证。 前苏联铁路对列车动力学的研究也十分重视，莫斯科铁道科学研究院及一 些大学均开展了这方面的工作，进行了大量的理论分析及线路试验。他们研究 了列车在起伏的坡道上的操纵技术，解决了运输中特别是开行重载列车中的一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 些问题，并为列车运输重量的进一步提高准备了条件。前苏联的工作主要集中 在列车纵向动力学方面，最开始采用假设同型号编组车辆，连接装置不存在间 隙，连接装置的挠力特性为线性。通过以上假设建立了线性的微分方程进行解 析求解，并用以研究过渡工况的主要特点。此外，还用杆件线性振动理论研究 若干车辆编组组成的混编列车的某些过度工况，认为车辆为一个均质杆件，通 过列车各个杆件之间的连接条件，建立运动微分方程。此种方法的最大缺点在 于不善于求解列车编组较大的情况。最后，前苏联也采用数值方法在电子计算 机上研究列车的纵向动力学行为，其数学模型与美国类似【l9 1 。 我国在“七五”及“八五期间，国家立项对重载列车系统动力学进行了 系统深入的研究，取得了多项研究成果，为发展铁路重载运输打下了理论基础。 铁道部曾于1 9 9 0 年在大秦线上进行了由两列s s1 型电力机车牵引，编组6 0 辆敞 车的5 0 0 0 t 组合而成的万吨组合式列车试验并取得了成功；对于单元重载列车， 从“七五 期间开始就进行了多次4 0 0 0 t 5 0 0 0 t 级列车的运行试验以及仿真研究； 对于单编重载列车，从19 9 0 年之后先后有铁道科学研究院、西南交通大学和北 京、上海、济南等铁路局参加，应用计算机仿真研究和线路现场试验相结合的 方法，完成了一系列繁忙干线开行5 0 0 0 t 级重载列车的前期工作，之后又陆续 进行了多次提速等试验，为重载列车动力学的研究提供了极大的参考价值。 具体而言，我国从2 0 世纪8 0 、9 0 年代开始为了配合大秦线万吨重载列车的 开行，开展了比较系统的列车动力学研究，并研制了具有自主知识产权的仿真 计算软件和列车运行驾驶模拟器，为了实现快速计算，提出了n e w m a r k 显式 积分方法，大大提高了计算速度，我国的研究方法和思路和美国a a r 比较一致。 西南交通大学在“七五”期间主持了国家重点科技攻关项目一重载列车动 力学研究，并基于比较详细的动力学模型建立了针对我国列车条件的纵向动力 学模型，且编制了相应的计算程序。该程序能在当时的计算条件下很好地完成 列车纵向动力学的计算研究。此后，在制动操纵技术、缓冲器特性等方面也进 行了相关理论和试验研究。 1 3 牵引制动动力学研究现状 从上一节可知国外列车动力学的研究主要集中在纵向动力学的研究，而牵 引和制动动力学又是纵向动力学研究的主要内容，因此，目前对牵引和制动动 力学的研究也主要都集中在纵向动力学方面，没有形成牵引和制动的系统动力 学研究。 我国对于重载列车制动动力学的研究，也是主要集中在制动对纵向动力学 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 m m _ _ m - ：- - -=m m m mm mm mm -_ _ i i 皇鼍曼毫 的影响。在我国，为了大秦线万吨列车以及两万吨列车的运营开行，大幅度提 高大秦线运输能力。我国在铁道部的组织下，借鉴国外发展重载运输的经验， 围绕大秦线具体情况，运用现代计算机技术和列车纵向动力学理论，开展了重 载列车运行的仿真计算研究j 并且进行了大量的线路试验。 王启铭【2 0 j 介绍了大秦线开行2 万t 重载组合列车的主要试验内容和从2 0 0 5 年6 月至2 0 0 8 年9 月进行的不同装备、不同编组的8 次2 万t 组合列车综合 试验的实施过程，静置试验内容主要包括不同减压量时的常用制动试验、紧急 制动试验、阶段制动试验、循环制动模拟试验、l o c o t r o l 通讯丢失后制动性能 测试和l o c o t r o l 及机车制动机发生故障时的惩罚制动性能测试等。列车运行试 验内容主要包括平道起动牵引试验、4 限制坡道起动加速能力试验、4 上坡 道加速能力试验、长大下坡道循环制动试验、平道与l2 下坡道常用全制动 停车试验和紧急制动停车试验等。 耿志修、李学封、张波【2 l 】根据列车纵向动力学模型，利用牵引电算软件 机车数据库和线路数据库，并在牵引电算软件的空气制动系统模型基础上， 建立了新的制动装置模型，建立了重载列车运行仿真计算模型，从纵向动力学 的角度对大秦线重载列车牵引制动以及列车操纵进行了仿真。 常崇义、王成国、马大炜、张波【2 2 】从列车纵向动力学原理入手，建立了列 车纵向动力学模型提出了基于n e w m a r k 2t 3 的高精度平衡迭代算法求解纵向动 力学问题，并建立了l o c o t r o l 同步控制的数学模型，完成了2 万t 重载组合列 车纵向力计算的试验验证；分析了主控机车与从控机车的同步响应时间和制动 初速对重载组合列车纵向力的影响。 马大炜【23 】介绍了我国重载列车试验研究的方法及大秦线单元列车试验、繁 忙干线50 0 0t 级重载列车试验和重载列车提速试验、脱轨试验，并提出了我国 发展重载列车的建议。 程海涛、钱立新1 2 4j 针对制动情况下长大货物列车的纵向动力学问题，建立 了纵向动力学模型，介绍了求解该模型的方法一ne w m a r k 显式积分法。 赵鑫、王成国、马大炜【2 5 】采用自主开发的重载列车纵向动力学仿真计算软 件，对单编5 千t 、单编1 万t 和2 万t ( 1 + 2 + 1 ) 组合3 种编组方式的重载列车 在紧急制动及常用全制动停车工况下的纵向动力学性能进行仿真计算及比较 分析；对主、从控机车采用不同延迟时间的2 万t 组合重载列车在紧急制动工 况下的纵向力进行仿真计算。 另外，还有大连交大的魏伟教授对空气制动系统进行了详细的研究，并开 发了基于气体流动理论的空气制动仿真系统，本文将在第三章详细介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 论文主要工作 本文在分析现有列车动力学研究成果的基础上，拟运用全新的列车动力学 建模和求解方法结合空气制动仿真系统，从以下几个方面对重载列车动力学牵 引和制动方面展开系统研究： 。 ( 1 ) 介绍全新的基于循环变量的模块化求解和建模方法，利用基于该方 法的三维空间耦合动力学软件进行重载列车牵引和制动动力学的系统研究。 ( 2 ) 对列车动力学仿真软件进行验证，通过s i m p a c k 建立相应的单车及 列车模型，对比分析二者的结果，通过验证其正确性以进行下一步的重载列车 动力学系统研究； ( 3 ) 介绍和分析列车空气制动系统数学模型，将基于气体流动理论的空 气制动仿真系统与系统动力学软件结合，将动态制动特性用于牵引和制动系统 动力学的研究； ( 4 ) 重载列车牵引和制动对动力学影响的基本原理； ( 5 ) 分析列车以不同方式( 启动加速、惰行和制动等工况) 分别在直线 线路、曲线线路和坡道运行时列车动力学性能； ( 6 ) 分析比较在牵引和制动工况下机车不同组合编组时纵向冲动的差异， 确定机车最佳组合方式； ( 7 ) 分析比较在牵引和制动工况下空重车混合编组时空车编组在不同位 置时动力学性能，确定空车最佳编组位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章基于循环变量的模块化建模和求解方法 2 1 列车动力学研究方法的发展 车辆动力学发展的最初阶段，研究的对象往往是自由地较少的简单多自由 度模型，可以使用牛顿定律、达朗贝尔原理、动量定理或者动量矩定理进行手 工模型推导来建立运动微分方程组。随着科学技术的迅猛发展，所研究的目标 越来越多，而且所研究的动力学模型也越来越复杂，在构造动力学方程的时候， 面临复杂的代数和微分运算。随着计算机技术的发展，复杂的数学模型得以建 立并进行求解分析，车辆动力学得到了极大的发展。 2 0 世纪6 0 年代中期，h o o k e r 、m a r g a l i e r 、r o b e r s o n 和w i t t e n b u r g 等人促 成了多刚体系统动力学的诞生【2 6 2 。7 1 ，多刚体系统动力学诞生以后得到了较快的 发展，形成了诸如牛顿欧拉方法、r o b e r s o n w i t t e n b u r g 方法、凯恩方法和拉 格朗日方法等【2 引。19 7 7 年，国际理论和应用力学学会( i u t a m ) 主持召开了 第一次多刚体系统动力学研讨会及19 8 4 年i u t a m 主办的多体系统动力学研究 会推动了这门新兴学科从理论建模到面向工程的计算机辅助仿真研究的发展。 多体系统动力学作为动力学仿真的一种新方法，在铁路行业得到极为广泛 的应用【29 1 。运用多体动力学方法可以得到自行建立数学模型的方法，能够分别 求解车辆纵向、横向和垂向的三维空间动力学问题，还可以分析三者之间的耦 合模型。这对于铁路行业的发展，例如新型机车车辆的设计、计算分析和评价 等方面都有极大的价值。目前，多体系统动力学方法还与三维造型、有限元分 析和模态分析等软件有友好的接口，可以综合考虑整个大系统中的各项运动关 系，比如可以将机车车辆、轨道系统、桥梁、受电弓一接触网系统等耦合起来 建立一个大系统动力学，从而可以全面分析系统中各组成部分的性能引。 目前在铁道行业内应用的著名的多体系统动力学软件有s i m p a c k 和 a d a m s 。s i m p a c k 软件具有和f e a 、c a d 、c a e 软件的广泛接口，友好的操 作界面、经过实验验证的轮轨接触建模以及优异的仿真精度和仿真效率，使 s i m p a c k 已被广泛应用到铁路行业仿真领域。a d a m s r a i l ，是在机械系统动 力学仿真软件的基础上，增加轮轨关系模块而形成的，用户可以根据研究问题 的需要有针对胜地建立自己的模型，采用a d a m s 所提供的求解器进行精确的 求解计算，并为用户提供了强大的数据后处理功能和图象显示功能。 此外，还有很多专门用于铁路车辆分析计算的专业软件，其中比较有代表 性的有：n u c a r s ，是北美铁路协会( a a r ) 开发的主要用于铁路货车的多体系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 统动力学分析软件，在铁路货车的分析方面具有自己的特色。v a m p i r e ，是英 国铁路道比研究所开发的针对铁路车辆动力学计算的专业软件。v o c o ，法国开 发的一种多体动力学软件，曾经应用于t g v 高速列车的研究。 2 2 基于循环变量的模块化建模方法 2 2 1 传统动力学建模存在的局限性 传统列车动力学研究对重载列车的发展起到了十分重要的作用，但是随着 列车编组的进一步增加，在运行过程中，长大列车中有些车辆可能处在直道上， 有些可能处在弯道上，还有些可能处在坡道上，这样长大重载列车就不再呈直 线或平面曲线分布状态，而是呈一空间曲线分布状态，因此，长大重载列车在 纵向、横向和垂向三方向的动力学行为相互联系更加密切，相互影响更加增强， 如果仍然不考虑长大重载列车在纵向、横向和垂向三方向动力学性能的相互影 响就存在很大局限性了。 另外，由于受当时计算机技术的限制，传统列车动力学模型( 特别是列车 横向和垂向动力学模型) 通常只考虑小编组列车的情况，常用几节车( 尤其以3 节编组的列车模型最为普遍) 的模型来近似分析列车的头车、中间车和尾车的 动力学性能。用小编组列车模型来分析长大重载列车的动力学性能也存在不足 之处：列车编组越长，由启动、制动和缓解时引起的作动波从头车到尾车的传 播时间越长，纵向冲动的累计效应越大，对列车的动力学性能影响也越大，因 此，小编组列车动力学模型会丢失长大列车的纵向冲动信息。因此，很有必要 建立一种既考虑纵向、横向和垂向之间的空间耦合关系而又不丢失长大列车大 编组信息的三维空间耦合动力学模型。 列车动力学是一个复杂的系统问题，但是，国内外现有列车动力学研究多 是根据所关心问题的实际需要而对列车模型予以简化处理，借助于垂向、横向 和纵向运动解耦以减少自由度。而且，研究成果大都集中于纵向动力学，而对 列车的横向和垂向动力学研究得很少，且很不透彻。究其原因，主要是长大列 车的建模难度很大，主要表现为： ( 1 ) 长大列车的自由度繁多，难于建模和计算处理。以前对列车动力学的 研究，往往只在纵向考虑有限的几个自由度，而对列车到横向和垂向动力学研 究较少。然而对于列车系统动力学的研究，应尽可能把列车系统的所有重要自 由度都考虑到列车模型中去，但是，如果把列车中每辆车的所有自由度都考虑 进去，那么随着列