（载运工具运用工程专业论文）重载列车系统动力学研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 重载运输是除高速以外，铁路现代化的又一个标志。自2 0 世纪6 0 年代以 来，发展铁路重载运输得到世界上越来越多国家的重视。长期以来，铁路运输 以其速度快、运量大、安全方便、耗能低等优点在我国交通运输中占据着十分 重要的地位。但是，多方面的原因导致我国运能与运量之间的矛盾异常突出。 发展重载运输，大幅度提高列车的运载量是解决我国日益激化的铁路货运矛盾 的重要途径和根本对策。然而，由于列车重量增加，长度增加，车辆轴重增大， 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比一般列车复杂。列车的 冲动、断钩、脱钩、脱轨，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，已成为重载铁路运输中的突出问题。 重载列车系统动力学是随着重载列车的发展而建立起来的，其研究对象是 重载列车在线路上运行时的动态行为特性，研究目的是分析重载列车在运行过 程中机车车辆与线路、列车中机车车辆之间相互关系和相互作用，并寻求合理 措施来改善他们之间的动态相互关系，降低其有害作用，保证重载列车运行安 全可靠。重载列车系统动力学研究的问题比较多，涉及面广，有机车的、车辆 的、线路的各种问题，还有列车编组的、机车配置的以及机车操纵等方面的问 题。 本文首先以作为列车构成的基本要素的重载货车为对象，分析了车辆结构 或特性参数对车辆动力学性能的影响规律。接着，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，本文运用基于循环变量的模块化建 模及数值求解方法对重载列车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 ) 重载列车与线路之间的相互作用和相互关系，具体而言包括直线、曲线、 坡道以及由三者构成的空间曲线； ( 2 ) 重载列车动力学性能与编组之间的关系，具体而言涉及编组辆数、机车 配置以及空重车混编等方面； ( 3 ) 重载列车机车操纵与系统动力学之间的密切关系，具体分析列车加速、 匀速( 包括理想匀速、均衡匀速) 和减速之间的关系； ( 4 ) 重载列车空气制动系统初步仿真研究，主要分析列车空气制动系统中空 气传播特性以及多种参数对制动性能的影响规律。 经过初步分析，系统反映了重载货车结构和特性参数对动力学性能的影响 规律；通过对重载列车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，动力学，耦合，参数，线路，编组，操纵 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 ni sa n o t h e rm a r ko fr a i ! w a ym o d e me x c 印tf o rt h eh i g h s p e e dt r a i n s i n c et h e19 6 0 s m a n yc o u n t r i e sh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o n t ot h e d e v e l o p m e n to fh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o n f o ral o n gt i m e t h er a i l w a yt r a n s p o r th a s t a k e na l li m p o r t a n tp a r ti no u rc o u n t r yb e c a u s eo fi t sr e m a r k a b l ea d v a n t a g e s s u c ha s h i g hs p e e d ，h u g ec a p a c i t y , s a f e t y , c o n v e n i e n c ea n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n b u t i n c o n s i s t e n c yb e t w e e nr a i lt r a n s p o r t a t i o nc a p a c i t ya n dn e e d si sq u i t es e r i o u s 1 1 1 e d e v e l o p m e n to fh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o ni sa ni m p o r t a n tw a ya n db a s i cm e a s u r et o s o l v et h ei n c r e a s i n g l yi n c o n s i s t e n c yo fr a i lf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n i tc a ng r e a t l y i m p r o v eo u rr a i lt r a n s p o r t a t i o nc a p a c i t y h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s i n go ft r a i n f o r m a t i o na n dh a u l i n gw e i g h t ，p r o b l e m so fs a f e t yi nt r a n s p o r t a t i o nh a v eb e c o m e p r o m i n e n t t h et r a c t i o nf o r c ea n db r a k i n gf o r c ew i l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f w e i g h ta n dl e n g t ho ff r e i g h tt r a i n s ot h ep r o p a g a t i o nt i m eo fb r a k ew a v ei sl o n g ， t h e r e f o r e ，s om u c hp r o b l e m ss t i c k i n go u tw h i c hh a v ean e g a t i v ee f f e c to nt h eh e a l t h y d e v e l o p m e n to fh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o n m o r e o v e r ，t h ef o r c es t a t eo fh e a v yh a u l t r a i ni sm o r ec o m p l e xt h a nt h a to fn o r m a lt r a i nb e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fp r o f i l e a n dl a r g el e n g t ho ft r a i n t h e r ea r es om a n ya c c i d e n t si nt h eo p e r a t i o no ft r a i nw h i c h h a v eb e c o m eap r o m i n e n tp r o b l e m , s u c ha sl o n g i t u d i n a li m p u l s e b r a k i n gf a i l u r e ， c o u p l e rf a i l u r e ，d e r a i l m e n ta n dt h ed e s t r u c t i v ee f f e c to nr a i l w a yl i n e t h es y s t e md y n a m i c so fh e a v yh a u lt r a i ni sf o u n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f h e a v yh a u lt r a i ni nt h ew o r l d t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i si st h ed y n a m i cb e h a v i o ro f t r a i nr u n n i n go nt h er a i l w a yl i n e a n di ti se x p e c t e dt om a k ea na n a l y s i so nt h e r e a c t i o na n dr r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o l l i n gs t o c k sa n dl i n e m o r e o v e r , i ti sh o p e dt o i m p r o v et h ed y n a m i cr e l a t i o n s h i pb ym e a n so fs o m er e a s o n a b l em e a s u r e sa n d r e d u c et h eh a r m f u le f f e c t a 1 1n l i sm e a s u r e sa r ee x p e c t e dt og u a r a n t e et h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo fh e a v yh a u lt r a i n t h ed y n a m i c so fh e a v yh a u lt r a i nh a sl o t so fp a r t sa n d i ti sr e l a t e dt os om a n ya r e a s ，s u c ha sl o c o m o t i v e ，r o l l i n gs t o c k , l i n e ，a n ds o m eo t h e r a s p e c t s ，l i k ef o r m a t i o na n do p e r a t i o no ft r a i n t h ew a g o na st h eb a s i cp a r to ft r a i ni st h er e s e a r c ho b j e c to fm i sp a p e r ，a n dt h e e f f e c to fs t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so nd y n a m i c sw e r ea n a l y z e df i r s t l y 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 h so nd y n a m i c so ft r a i n ，a m 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 - a b l eh a sb e e n u s e di nt h i st h e s i st om a k eas y s t e ms t u d yo nd y n a m i c so fh e a v yh a u lt r a i n t h e d e t a i l e da s p e c t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t e r a c t i o na n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a v yh a u lt r a i na n dr a i l w a yl i n e ， i n c l u d i n gs t r a i g h tl i n e c u r v e r a m pa n dt h es p a c ec u r v em a d eu pb yt h ea b o v et h r e e t y p e so f l i n e ； 佗) t h ec h a n g ef i e n do fd y n a m i c so ft r a i na l o n gw i t ht h ec h a n g eo ff o r m a t i o n ， i n c l u d i n gt h ea m o u n to fl o c o m o t i v ea n dr o l l i n gs t o c k s ，t h ep o s i t i o no fl o c o m o t i v e a n dm i x e df o r m a t i o no fl i g h ta n dh e a v yc a r s a n ds oo n ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 ( 3 ) t h ec l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e r a t i o no fl o c o m o t i v ea n ds y s t e m d y n a m i c s ，1 ti sa i m e dt om a k eaa n a l y z eo nt h er e l a t i o n s h i pa m o n ga c c e l e r a t i o n c o n s t a n ts p e e d ( i n c l u d i n gi d e a la n de q u i l i b r i u mc o n s t a n ts p e e d ) a n dd e c e l e r a t i o n ； ( 4 ) ap r e l i m i n a r ys i m u l a t i o no ft h ea i rb r a k es y s t e mo fh e a v yh a u lt r a i n t h e p r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fa i rw a v ei nb r a k es y s t e mo ft r a i na n dt h ee f f e c to f p a r a m e t e r s o i lb r a k ec h a r a c t e r i s t i c w ec a nc o n c l u d ef r o mt h ed e t a i l e da n a l y s i st h a tt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n d c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sh a v ea ni m p o r t a n te f f e c to nt h ed y n a m i c so fh e a v yh a u l w a g o n 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 fd y n a m i c so fh e a v yh a u lt r a i n i ti s e 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 nd 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 ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h ed y n a m i c b e h a v i o ro f h e a v yh a u lt r a i n k e y w o r d s ：h e a v y h a u lt r a i n ，d y n a m i c s ，c o u p l e d , p a r a m e t e r , r a i l w a yl i n e ， f o r m a t i o n ，o p e r a t i o n 西南交通大学曲南父迥大罕 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d 使用本授权书。 学位论文作者签名：图光掌 日期：舛歹月2 f 日 i 誓翥筠骈日 日期：d 中1 月d 抽 西南交通大学学位论文创新性声明 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 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 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，对重载列车动力学进行了较为详细的系统研究； 2 在具体研究过程中，全面考虑了运行线路( 包括曲线、坡道等) 、列车 编组情况以及列车操纵方式等与列车动力学的相互作用和紧密关系； 学位论文作者签名：囵咣寥 日期：矽口7 年芗月2 f 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 铁路重载运输的发展 重载运输是除高速以外，铁路现代化的又一个标志。国际重载协会认为， 重载铁路必须满足以下三条标准中的至少两条：经常、定期开行或准备开行总 重至少为5 0 0 0 吨的单元列车或组合列车；在长度至少为1 5 0 公里的线路区段上， 年计费货运量至少达2 0 0 0 万吨；经常、正常开行或准备开行轴重2 5 吨以上( 含 2 5 吨) 的列车【l j 。世界上开展重载运输的国家还只有澳大利亚、加拿大、中国、 南非、美国、俄罗斯、巴西等幅员辽阔、资源丰富、大宗货物运输较多的国家。 当然，更主要的原因还在于重载运输对铁路线路、机车车辆、行车组织等方面 的要求比较高，一般国家目前还难以达到。正因如此，重载运输才算得上未来 铁路发展的方向之一。由于重载运输的列车重量往往在5 0 0 0 吨以上，按目前每 辆车载重7 0 吨计算，大约需要7 0 多辆，连接起来有1 公里多长，故对重载列 车的车站站线有效长度有更高要求。另外，重载列车爬坡困难，因此线路的最 大坡度不能超过8 - 9 o ，也就是说每1 0 0 0 米的铁路线的上升幅度不得超过8 9 米。因为载重量大，一般的轨道无法承载，必须铺设或更换每米重6 0 公斤以 上的高强度钢轨，并配套同等强度的其它轨道构件1 2 j 。重载运输的机车车辆要 采用新材料、新结构和新工艺，尽可能减轻车辆本身的自重，增加货物的载重 量。另外在车辆体积不超过一定的轮廓范围之内( 即机车车辆限界) 的同时，尽 可能扩大车辆的容积。重载列车一般均是固定编组循环往复运行。这种固定编 组循环运行列车的车辆结构必须牢固可靠，无需经常修理【3 矧。 表1 - 1 重载货车轴重比较 国别中国美国南非澳大利业俄罗斯 轴重t 2 1 、2 5 3 0 、3 5 2 63 0 3 2 52 5 自重系数0 3 7 7 、0 3 5 10 3 1 5 、0 2 6 5o 2 4 使用线路型式准轨准轨窄轨准轨宽轨 1 1 1 国外重载运输发展现状 自1 9 7 8 年第一届国际铁路重载运输大会在澳大利亚佩思召开，重载运输从 概念的提出到蓬勃发展经历了一个技术不断进步的过程，已被国际上公认为铁 路货运发展的方向【7 1 。 1 1 1 1 北美重载运输【2 - 9 北美铁路是重载运输发展最早的地区，7 0 年代末美国一级铁路开始了重载 运输。由于大力发展重载运输技术，以1 9 8 0 年为指数1 0 0 ，1 9 9 9 年北美一级 铁路生产率提高了1 7 1 ( 达到2 7 1 ) 。货车平均容量提高1 5 1 ，运行成本下 降了6 5 ，在北美货运市场的占有份额从1 9 8 0 年的3 7 5 增加到1 9 9 9 年的 4 0 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 美国是重载运输较发达的国家，是重载单元列车的发源地。美国南太平洋 铁路公司采用由8 5 辆载重为9 0 7 t 的矿石车编成总重近1 0 0 0 0 t 的列车，从矿区 直达钢厂进行循环运输，首创了重载单元列车运输模式，并在许多铁路公司推 广应用。一些大的铁路公司几乎全部采用了重载单元列车来运输煤矿石或其他 散装货物，以提高效率，降低成本。美国的单元重载列车现已从初期的6 0 辆提 高到了1 0 0 辆以上，另外轴重也在不断提高，美国所有一级铁路标准轴重自1 9 9 0 年以后已定为3 3 t 。 ， 加拿大重载运输方式与美国基本类似，两国一些铁路跨国境互相延伸，自 成系统。自2 0 世纪6 0 年代后期，加拿大铁路公司开始采用单元列车方式运输 煤炭。到1 9 9 5 年，加拿大一级铁路的标准轴重已经提高到了3 3 t 。每年通过加 拿大太平洋铁路( c p ) 重载铁路运输线路出口到亚洲的煤炭、谷物等货物达5 0 0 0 万t 。c p 的重载列车由1 1 0 辆货车组成，列车载重1 5 万t ，把塞尔柯点矿区的 煤或谷物运至鲁伯特港口以供出口到日本、中国等。加拿大魁北克省矿区至圣 劳伦斯河港口的2 条准轨重载铁路运用的重载列车由3 台机车和1 5 6 辆轴重3 1 t 的货车组成，年货运量1 4 0 0 - 2 0 0 0 万t 。 1 1 1 2 澳大利亚重载运输【2 ，j 作为世界上主要铁矿石产地之一，澳大利亚重载运输是在引进北美重载单 元列车运输技术基础上发展起来的。布鲁肯希尔公司( b h p ) 以长4 2 7 k m 和 2 0 8 k m 的铁路，分别将纽曼山铁路、亚瑞矿区与黑德兰港连接起来，两线总运 量约为6 7 0 0 万t 。b h p 公司经营铁矿、铁路及港口，其列车由2 3 0 辆货车组成， 载重2 6 0 0 0 t 。2 0 0 0 年b h p 矿山公司的今年效益( 利润1 高达5 0 0 亿澳元，创造历 史上最高水平，其中重载运输发挥了重要作用。2 0 0 1 年6 月，b h p 开行了一列 装在了8 2 0 0 0 t 铁矿石，总重达9 9 7 3 4 t 的重载列车，由6 8 2 辆货车和8 台机车 组成，长度达7 3 0 0 m ，成为了目前世界上最长最重的重载列车。目前b h p 正计 划将轴重提高到4 0 t 。澳大利亚的昆士兰煤运重载铁路( q r ) 是澳大利亚最大 的铁路公司，管理着9 5 0 0 k m 长的线路，煤运重载铁路全长2 0 0 0k m ，其中7 0 是电气化铁路。煤炭、矿石运输占q r 货运量和货物周转量的9 0 以上，目前 所运用的重载列车由1 2 0 辆轴重2 6 t 货车组成，总载重11 0 0 0 t 。 1 1 1 3 南非重载运输【2 。7 j l j 南非铁路从2 0 世纪7 0 年代末开始引起北美重载单元列车运输技术用于米 轨铁路，并结合自身特点，进行必要的技术改造，开发了货车径向转向架等技 术，在窄轨铁路上开行重载列车，取得了显著效果。南非铁路有两条重载铁路 线：o r e x 铁矿重载铁路和c o a l l i n k 运煤重载铁路。这两条线均实现了电气 化，并成为了南非两条重要的重载铁路线，而且由于在7 0 年代末采用重载单 元列车运输，自导向径向转向架、旋转车钩和防锈侧墙等技术将货车轴重提高 到2 9 t ，运量与效益逐年提高，以2 0 0 4 年与1 9 8 0 年相比，o r e x 铁矿线年运量 从9 0 0 万t 提高到2 6 0 0 万t ，c o a l l i n k 煤运线年运量从1 9 0 0 万t 提高到6 8 0 0 万t 。现在南非铁路已经在其他普通窄轨线路上将轴重从1 6t 1 8t 提高到2 0t 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 2t ，并也开行长大编组重载列车。南非铁路运营历程为1 9 1 7 5 k m ，仅为德国 铁路的一半，而每年货物周转量达1 0 3 0 亿t k m ，与德国铁路相当。 1 1 1 4 瑞典重载运输【2 刁1 瑞典铁路北部的挪威一瑞典矿山铁路全长5 4 0k m ，是瑞典北部专用的矿山 铁路，1 8 8 8 年开通时，轴重才1 1t 。1 9 1 5 年电气化1 5 k v l 5 h z ( 是瑞典第一条 电气化铁路) 。1 9 9 7 年前开行2 5t 轴重、每列车5 2 辆编组、全列车重量52 0 0 t 的重载列车。1 9 9 7 年开始提高轴重到3 0t 。为此，瑞典对线路进行了改造， 并于2 0 0 0 年购置了a d t r a n z 公司的三轴径转向架轴重3 5t 、功率5 4 0 0k w 交流 传动电力机车及南非制造的轴重3 0t 新型运矿石敞车，并开始开行轴重3 0t 的 重载列车，全长7 4 0m 、6 8 辆编组、8 5 0 0t 牵引重量，开行提高轴重的重载列 车使l k a b 公司的运输成本降低3 5 ，年运量从2 0 0 0 万t 提高到了3 0 0 0 万t 。 1 1 1 5 巴西重载运输弘。7 j 巴西轴重货车轴重业已提高到2 5 - 3 0 t 。由巴西c v r d 集团下属维多利亚采 矿公司和卡拉雅斯公司经营的2 条长约9 0 0 k m 的重载线路，每年运输约1 5 亿 t 铁矿石，比法国铁路总货运量还多，该公司经营的窄轨重载铁路轴重大2 5 t ， 长约9 4 6 k m ，将巴西东南部米纳斯吉拉斯州矿区的矿石晕倒维多利亚港附近的 土巴劳。这条铁路每年完成约1 亿t 货运量，货物周转量大5 2 0 t k m ，全线年收 入达4 亿美元，利润相当可观。c v r d 在获得卡拉雅斯采矿权后，修建了长约 8 9 2 k m 、轴重3 0 t 的宽轨铁路，列车由2 0 4 辆载重1 0 0 t 的货车组成，总载重2 0 4 0 0 t ， 并准备进一步将轴重增加到3 2 t 。 1 1 1 6 其他国家重载运输【2 7 j 除了以上铁路重载运输较为发达的国家之外，世界上还有很多国家也正在 计划开行重载列车，以提高运输效率，增加经济效益。 俄罗斯铁路重载列车轴重已达2 5 t ，目前正在全国积极推进重载运输，以期 将货车轴重提高到2 7 t ，并加紧研究适用于3 5 t 轴重的轨道零部件。印度铁路也 已开始发展重载运输，在2 0 0 1 年开始将轴重提高到2 5 t ，以实现在干线上开行 重载列车。 综合2 0 0 3 年国际重载专家技术会议的讨论，可以看出当前国际重载运输的 技术水平集中体现在下述几个方面： ( 1 ) 重载铁路的最大轴重已达3 5 7 t ，正在积极研究3 9 t 轴重的可行性； ( 2 ) 列车的牵引质量普遍在2 万吨左右； ( 3 ) 各国重载铁路的运量及收入达到历史最高水平； ( 4 ) 欧洲各国铁路开始在客货混运、国际联运的线路上发展2 5 t 轴重的重载 列车； ( 5 ) 新技术、新装备是推进重载运输的保证。 1 1 2 国内重载运输发展现状 我国地域辽阔，重大物质运量大，运距远，而我国铁路的客观现实是线路少， 能力短缺，大量修建新的线路又受到投资的制约。因此，千方百计地增加既有 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 线路的运输能力，发展重载运输，是一项非常重要的长期任务，也是缓和铁路 运能和运量之间矛盾的主要途径。 我国重载列车的运用始于1 9 8 4 年，当时在丰沙大线和京秦线上试验开行组 合式重载列车。我国铁路重载运输的发展，从科学试验、运营准备到正式开行， 大体上可归纳为：通过两种途径，经历了三个阶段和采用三种不同的运输组织 模式。所谓两种途径就是新建大能力、高标准的重载列车运输专线和有计划地 对既有线进行配套改造同时并举，经历三个阶段和采取三种运输组织模式瞵j 。 1 2 列车动力学的研究发展及其现状 1 2 1 国外研究现状 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。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鲥1 1 j 。 美国、加拿大、澳大利亚、前苏联以及南非等国家对重载列车动力学进行 了详细的研究。在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，1 9 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 _ 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，同事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l o 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，随后建立了多种列车 动力学模型，包括纵向模型( 准动态模型【1 2 , 1 3 】和动态模型【1 4 】) 、准稳态列车横 向稳定性模型【1 5 r 7 1 、垂向动力学模型【1 8 】，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，并取得了不少成划1 9 埘j 。 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 ( 2 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【2 弘2 引。比如h i r o s h if 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 ok 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 im 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 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，他们对缓 冲器的研究也较为细致。其中这种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【1 1 1 ，文献 2 6 3 2 1 也均有较为详实的阐述。 1 2 2 国内研究现状 重载列车不同于一般列车，除重载列车的重量大、列车长度长、编组数量多 等之外，还有一些为适应重载运输需要在线路、机车车辆上采取的特种结构和 技术措施。例如我国为了发展重载运输曾花大量精力研究的一些关键技术，包 括车钩缓冲装置、制动技术和低动力作用转向架等。重载列车的研究涉及列车 组成、运用工况、机车车辆型式、线路条件、车钩缓冲装置、司机操纵方法和 有关制动装置的制动动力学等许多方面，是一个复杂的系统工程。为了避免片 面性，应该尽量对上述各个方面进行综合研究峭j 。 “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。对于组 合列车而言，列车前部和中部不同位置处机车的同步作用是该种列车的关键技 术问题。8 0 年代，我国曾先后在不同线路上开行过不同方式的组合列车，由于 没有满足机车同步操纵相应要求的技术设备，此后开行数量减少。铁道部曾于 1 9 9 0 年在大秦线上进行了由两列s s l 型电力机车牵引，编组6 0 辆敝车的5 0 0 0 t 组合合并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 一5 0 0 0 t 级列车的运行试验以及仿真研究；对于 单编重载列车而言，是我国普遍开行重载列车的主要发展方向。从1 9 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，也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重载列车动力学研究，并基于比较详细的动 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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，比较 有代表性的一些研究成果参见文献 3 3 - - 5 8 1 。 1 3 论文选题背景及研究意义 自国际重载运输协会1 9 8 5 年正式成立以来，世界范围内的货物列车重载运 输及其技术发展犹如雨后春笋，生机勃勃。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。长期以来，铁路运输以 其速度快、运量大、安全方便、耗能低等优点在我国交通运输中占据着十分重 要的地位，承担着全国近7 0 的货运量，业已成为我国交通运输领域中不可或 缺的运输方式。但是，我国运能与运量之间的矛盾异常突出，尤其是沿海及繁 忙干线运输能力严重不足。大力发展重载运输，加速提高运输能力，大幅度地 提高列车重量是铁路扩能提效的一种有效途径。2 0 世纪8 0 年代，我国修建了 第一条电气化重载铁路大( 同) 秦( 皇岛) 线。发展重载运输，大幅度提 高列车的运载量是解决我国日益激化的铁路货运矛盾的重要途径和根本对策， 也是我国铁路发展须遵循的基本方针。 重载列车系统动力学的研究目的，是分析重载列车在运行过程中机车车辆与 线路、列车中机车车辆之间相互关系和相互作用，并寻求合理措施来改善它们 之间的动态相互关系，降低其有害作用，保证重载列车运行安全可靠。随着列 车重量增加，长度增加，车辆轴重增大，列车运行中的牵引力和制动力加大， 制动波速传递时间加长，而且列车所占的线路纵横断面比较复杂，因此，重载 列车的受力远比一般列车复杂。列车的冲动、制动失效、脱轨、脱钩、断钩、 线路变形等运输安全问题以及货物和车辆设备损坏等问题也逐渐突显出来，线 路变形及养护维修工作量增大，轮轨磨耗加剧，成为重载铁路运输中的突出问 题，严重制约着长大列车重载运输的健康发展瞄j 。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，比如不考虑论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。究其原因，可以参见文献 4 6 】。 随着计算机技术的迅猛发展和时代的进步，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，而且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等。作者认为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，一方 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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，从而为我国乃至世界铁路货 物重载运输的安全运行和迅猛发展提供有力的依据，归纳如下： ( 1 ) 了解列车在过渡工况下其动态规律，在此基础上可以研究列车与线路 的相互作用关系，为线路设计维护以及机车车辆的设计等动作提供依据； ( 2 ) 探讨列车操纵方式与动力学性能之间的关系，优化列车运行和操纵方 式，提高稳定性和安全性； ( 3 ) 通过研究可以重点分析长大重载列车编组等方面因素和列车动力学之 间的作用规律，为优化编组等方面提供更好的、可靠的依据。 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，从以下几个方面对重载列车动力学展开系统研究： ( 1 ) 首先将对重载货车动力学做一个较为全面的系统研究，探讨结构及特 征参数对重载货车动力学性能的影响； ( 2 ) 对列车动力学仿真软件的验证，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 ) 比较车辆动力学与列车动力学的差异； ( 4 ) 列车通过曲线线路时，线路曲线参数对列车动力学性能的影响，不同 曲线位置车辆动力学性能的差异以及不同车辆经过同一线路位置时候动力学性 能的差异。列车通过坡道线路时，线路坡道参数对列车动力学性能的影响，不 同坡道位置车辆动力学性能的差异以及不同车辆经过同一线路位置时动力学性 能的差异； ( 5 ) 列车以不同方式( 启动加速、惰行和制动减速等工况) 运行的时候， 其动力学性能的具体差异，同时也具体分析牵引力、制动力等对列车动力学性 能的影响； ( 6 ) 列车编组形式对动力学性能的影响； ( 7 ) 列车空气制动系统数学模型的建立以及仿真研究。 1 5 本章小结 本章首先较为全面的分析了国际、国内铁路重载运输的发展概况，之后， 对于随着铁路重载运输发展而引起的列车动力学的发展历程和研究现状进行了 详细的概述，本章的最后对列车动力学研究的必要性进行了阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章列车动力学研究方法及相关理论 2 1 铁路车辆多体系统动力学概述 在传统车辆动力学中，对于自由地较少的简单多自由度模型，可使用牛顿 定律、达朗贝尔原理、动量定理或者动量矩定理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，将面临复杂的代数和微分运算。计算机 技术的高速发展极大地推动了多体动力学的发展。借助于现代计算机技术，可 以建立复杂的数学模型并进行求解分析，这对于长期以来用传统方法推导运动 方程而言，无疑是一次革命性的突破。上世纪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 等人的研究促成了多刚体系统动力学的诞生【5 9 , 0 0 ，多刚 体系统动力学诞生以后得到了较快的发展，形成了诸如牛顿一欧拉方法、 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【6 。1 9 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1 9 8 4 年i u t a m